Helicobacter pylori binding to gastric mucins and host glycosylation changes after inoculation

Abstract

Helicobacter pylori may cause gastritis, gastric/duodenal ulcer and gastric cancer. During infection, most H. pylori are found in the gastric mucus layer, but some are attached to, or have penetrated, epithelial cells. The aim of this study is to characterize the binding of H. pylori to gastric mucins and to investigate host changes that occur after inoculation. Results: H. pylori binds to mucins by at least 3 different mechanisms: 1) to host Leb and related structures via the BabA adhesin, 2) to host sialyl-Lex via the SabA adhesin and 3) to sialylated host structures at low pH. H. pylori strains expressing the BabA adhesin bind to the human MUC5AC mucin via Leb and to a gastric low-molecular-mass mucin-like molecule (possibly MUC1) via the H-type-1 structure. Leb-positive MUC5AC glycoforms differed in their receptor properties for different H. pylori strains. At pH 3, Leb binding was abolished, although all strains bound to a proteoglycan containing chondroitin sulfate/dermatan sulfate chains, to a component behaving as a monomeric mucin of higher charge and larger size than the subunits of MUC5AC/MUC6, and to a highly charged MUC5AC glycoform. Rhesus monkey and human gastric mucins are similar with respect to tissue localization, size, density, glycoforms, terminal carbohydrate substitution and H. pylori binding. After H. pylori inoculation, 8 of 10 monkeys developed persistent infection accompanied by gastritis. muc5AC and muc6 localized to the mucous cells of the surface epithelium and to the glands respectively, and no muc2 or sulfo-mucins were detected during the 10-month period investigated. A transient increase in sialylated Lewis antigens occurred as early as one week after inoculation. Furthermore, Lea and/or Leb expression briefly decreased in 5/7 Leb-positive animals, but later tended to increase, and in Lea/Leb negative animals Lea and/or Leb increased to a variable extent. H. pylori adherence in vitro reflects these glycosylation changes in that an increased binding with a sialyl-Lex binding strain, and an initial decrease in adherence by a Leb-binding one were observed, suggesting that the SabA and BabA adhesins play complementary roles during infection. Conclusions: H. pylori binding to mucins at neutral pH is strain, blood-group and glycoform dependent whereas binding at acidic pH seems to be a common feature for all strains. The host responds rapidly to bacterial challenge by changing the expression of carbohydrate structures used by the microbe for adhesion.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Magsårsbakterien H. pylori binder till och förändrar magens slemhinna



Bakterierna är i majoritet i kroppen! Människans 10 biljoner celler lever i harmoni med 100 biljoner bakterier som har koloniserat någon av kroppens ekologiska nischer utan att göra skada. Av alla bakterier kroppen möter utgör bara en bråkdel något hot, och trots att kroppen möter sjukdomsalstrande bakterier flera gånger om dagen är det sällan man blir sjuk. Kroppens yta täcks på utsidan av huden (ca 2 m2) och på insidan av slemhinnorna som tillsammans har en betydligt större yta (ca 400 m2) eftersom de är veckade. Infektion påbörjas när en av dessa ytor blir koloniserad av bakterier. Kroppens yta skyddas av cellavstötning och en vänlig bakterieflora. Slemhinnorna är mer lättgenomträngliga än huden eftersom de även har funktioner som utsöndring av magsyra och enzymer som bryter ned födan samt upptag av näringsämnen från födan. Därför skyddas de dessutom av ett slemlager som hela tiden förnyas och på så sätt ”tvättar bort” oönskade gäster. Även om alla människor har detta skydd finns det stora skillnader mellan individer på hur infektionskänsliga de är.



Magsårsbakterien Helicobacter pylori H. pylori orsakar en av världens vanligaste bakterie-infektioner och omkring 50% av världens befolkning beräknas vara infekterad. Bakterien orsakar kronisk inflammation i magslemhinnan, som kan övergå i magsår och cancer, och en H. pylori-infekterad individ beräknas ha ca 6 gånger så stor risk att utveckla magcancer som oinfekterade individer. 60-80% av magcancerfallen beräknas kunna förhindras, men man vet ännu inte vilka H. pylori-infekterade patienter man ska behandla eftersom endast 15% av infekterade individer visar symptom och 3% beräknas utveckla cancer. Ett problem i behandlingen av H. pylori är att den lätt blir resistent mot antibiotika, vilket gör att bakterien ofta återkommer efter behandling. Eftersom magen har som funktion att bryta ned födan (med hjälp av syra och nedbrytande enzymer) är den en relativt ogästvänlig miljö, och Helicobacter är hittills den enda kända bakterie som kan kolonisera en frisk mage. Till sin hjälp har de svansliknande rörelseorgan som de kan simma med och ett enzym som lokalt och tillfälligt kan neutralisera magsyran. Dessutom har H. pylori ett flertal strukturer på sin yta, så kallade adhesiner, som den använder för att binda till värdstrukturer. Med hjälp av adhesinerna kan bakterien ”låsa sig fast” i specifika strukturer på samma sätt som en rymdfärja dockar till en rymdstation. De mest välkarakteriserade adhesinerna är BabA (Blood-group binding adhesin) och SabA (sialic acid binding adhesin) vilka binder till kolhydratstrukturerna Leb respektive sialyl-Lex/sialyl-Lea. Olika stammar/isolat av H. pylori bär på olika adhesiner.



Utsidan av insidan - magen skyddas av slem Magsäckens insida är egentligen kroppens utsida eftersom material i detta utrymme, det vill säga maten, inte kommer in i själva kroppen utan transporteras igenom den som i en kanal. Magens slemhinna är täckt av ett slemlager, uppbyggt av stora glykoproteiner (muciner), som skyddar den underliggande vävnaden från magsyra och nedbrytande enzymer. I magen byggs detta slemlager upp av mucinerna MUC5AC och MUC6. Mucinernas struktur kan liknas vid en flaskborste där proteinkedjan är skaftet och kolhydratkedjorna borsten. Längst ut på ”borsten” sitter kolhydrat-strukturer som Leb, sialyl-Lex och sialyl-Lea. De slembildande mucinerna består av flera sådana enheter som sitter ihop i långa trådliknande strukturer. Ytan på de celler som ligger under detta skyddande slemlager är dessutom täckt av en tät skog av kolhydratkedjor. Som en del av denna skog finns också cellbundna muciner som kan liknas vid en flaskborste som sitter fast i cellytan med skaftet. De är högre än andra cellbundna strukturer och sticker upp som höga träd ur lågväxande buskage. De kan dessutom signallera till insidan av cellen och kan därför överföra information från utsidan till insidan av kroppen. Det vanligaste cellbundna mucinet i magen är MUC1. Vid infektion återfinns majoriteten av H. pylori i slemlagret närmast slemhinnans yttersta cellager - epitelcellagret. Hur bakterien interagerar med slemlagret och epitelcellerna samt hur den kroniska infektionen uppkommer är ofullständigt känt.



Mitt forskningsprojekt handlar om vilka molekyler H. pylori binder till, via vilka strukturer detta sker, samt hur H. pylori påverkar magslemhinnan efter infektion. Fokus ligger på mucinerna och sockerstrukturer på dessa.



Fungerar de utsöndrade mucinerna som lockbete? H. pylori med BabA adhesinet binder till en kolhydratstruktur som kallas Leb på det slembildande mucinet MUC5AC och till H-typ-1 sockerstrukturen på det membranbundna mucinet MUC1. Det finns mycket mer MUC5AC än MUC1 eftersom MUC5AC, tillsammans med MUC6, ligger som ett tjockt lager över slemhinnan. Konkurrens mellan interaktioner till utsöndrade muciner i mukuslagret och membranbundna muciner med signaleringsmöjlighet påverkar sannolikt infektionsförloppet. Om H. pylori fastnar i slemlagret kan den oskadliggöras genom att transporteras ut ur magen tillsammans med resten av maginnehållet (maten).



H. pyloris bindning till muciner beror på hur surt det är i magen H. pyloris förmåga att binda till muciner visades vara beroende av pH, det vill säga hur surt det är. Vid neutralt pH, som det är närmast slemhinnans cellyta, band H. pylori-stammar med BabA adhesinet till MUC5AC och MUC1 som ovan nämnt. Vid surt pH, dvs längre ut från cellytan i slemlagret, försvann denna bindning. Teoretiskt skulle detta innebära att bakterierna då kunde släppa taget till mucinerna som kommit ut i magsäcken och är på väg ut ur magen, och simma tillbaks in i slemlagret med mer neutralt pH. I verkligheten är det inte så enkelt eftersom andra mekanismer troligen motverkar detta, till exempel tar andra bindningsmekanismer över vid surt pH.



Ny bindningsmekanism upptäcktes! Vid surt pH visar alla undersökta stammar liknande bindningsegenskaper, oavsett vilka adhesiner de har (BabA, SabA eller adhesion associated liporotein eller inget av dessa), och binder både till den andel av slembildande MUC5AC som har laddade kolhydratstrukturer och till en stor hittills oidentifierad komponent med laddade kolhydratstrukturer och som skulle kunna vara ett ”nytt” mucin.



Kolhydratstrukturerna som H. pylori binder till i magen förändras efter infektion För att undersöka hur H. pylori-infektion påverkar magslemhinnan valdes rhesusapan som modell eftersom H. pylori makroskopiskt påverkar apan på samma sätt som människan. Rhesusapans muciner, kolhydratstrukturer samt interaktioner med H. pylori fanns dessutom vara mycket lika människans. Vävnadsprover som regelbundet tagits, före och under tio månader efter H. pylori infektion undersöktes. Vilka slembildande muciner som återfanns i magen förändrades inte under denna tidsperiod, däremot ändrades kolhydratstrukturerna på mucinerna. Förändringarna inkluderade en temporär minskning av Leb och en ökning av sialyl-Lea och sialyl-Lex. Detta påverkar bakteriens interaktion med magslemhinnan då bakterien kan binda samtliga av dessa tre sockerstrukturer (Leb är den struktur BabA binder till och sialyl-Lea och sialyl-Lex de strukturer SabA binder till). Dessa glykosyleringsförändringar speglades även av att bindning med bakterier som bär på dessa adhesiner förändrades: bindning av BabA-positiva H. pylori minskade och SabA-positiva ökade som förväntat. Dessa resultat visar att H. pylori-infektionen förändrar värden på ett sätt som påverkar bakteriens förmåga att binda till magens yta.



Magens försvar Ute i magsäcken råder en sur miljö, i mukuslagret blir det gradvis mindre surt och vid cellytan är pH neutralt. H. pylori har visserligen ett enzym som tillfälligt kan neutralisera syran i bakteriens närmiljö, men de kan bara motstå syra i ungefär en halvtimme. Därför skulle mekanismer som hindrar bakterien från att simma in till cellytan där det är neutralt pH kunna fungera som ett skydd mot H. pylori. Om de skulle fastna i något stort ute i lumen av magsäcken skulle de antingen dö av syran eller transporteras ut i tarmen med maten. Muciner från Helicobacter-infekterade apor har mer laddade strukturer, och binder mer H. pylori än muciner från friska individer, och efter infektion ökar mängden laddade kolhydratstrukturer (sialyl-Lea och sialyl-Lex) på mucinerna. Detta skulle kunna innebära att magen i försvar mot H. pylori producerar stora laddade molekyler som binder till bakterien ute i lumen av magsäcken och hindrar H. pylori från att simma in till cellytan där pH är förenligt med överlevnad. Mucinerna skyddar troligen magytans celler från bakterierna genom att de fångas i gelen och kan transporteras ut ur magen.



Kan den här forskningen leda till nya behandlingsformer? Vid neutralt pH, binder H. pylori stammar som bär på BabA adhesinet till humant MUC5AC via kolhydratsstrukturen Leb, och stammar med BabA adhesinet visar olika specificitet för MUC5AC med olika laddning på sina kolhydratstrukturer. Därigenom visar både H. pylori och dess värd på skillnader mellan individer i interaktionen. Dessutom blev aporna som saknade Leb strukturen sjukare än de apor som hade detta socker. Efterssom H. pylori har stor förmåga att utveckla antibiotikaresistens är det är viktigt att identifiera vilka H. pylori stammar och vilka människor som är i riskzonen för att utveckla magsår eller magcancer och behandla dessa individer men ej de individer med ”snälla” H. pylori och en H. pylori-okänslig individuell profil. Min forskning skulle i förlängningen kunna leda till att man hittar bättre kriterier för vilka som ska behandlas eller ej och den grundbiologiska informationen som jag presenterat skulle kunna ge förutsättning för att utveckla nya mediciner, både för behandling av H. pylori infektion och andra patogener som koloniserar slemhinnan.

• author: Lindén, Sara
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Swallow, Dallas, University College London, UK
• organization: Department of Experimental Medical Science
• publishing date: 2004
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Basic Medicine
• keywords: Biomedicinska vetenskaper (allmänt), General biomedical sciences, host-parasite interactions, H. pylori adhesin, mucin, Lewis antigen
• pages: 120 pages
• defense location: Rune Grubb-salen, BMC, Lund
• defense date: 2004-02-13 09:00:00
• ISBN: 91-628-5952-8
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I.Sara Lindén, Henrik Nordman, Jan Hedenbro, Marina Hurtig, Thomas Borén, and Ingemar Carlstedt. Strain- and blood-group dependent binding of Helicobacter pylori to human gastric MUC5AC glycoforms. Gastroenterology 2002;123:1923-1930. Reprinted from with permission from the American Gastroenterological Association. Article: II.Sara Lindén, Jafar Mahadavi, Jan Hedenbro, Thomas Borén, and Ingemar Carlstedt. Effects of pH on Helicobacter pylori binding to human gastric mucins – identification of binding to non-MUC5AC mucins. Manuscript. Article: III. Sara Lindén, Thomas Borén, André Dubois and Ingemar Carlstedt. Rhesus monkey gastric mucins: Oligomeric structure, glycoforms and Helicobacter pylori binding. In press, Biochemical Journal 2004. Article: IV. Sara Lindén, Jafar Mahdavi, Cara Olsen, Thomas Borén, Ingemar Carlstedt and André Dubois. Effects of Helicobacter pylori inoculation on host glycosylation and H. pylori adhesion sites in rhesus monkey. Manuscript.
• id: 215e3b8d-2eb6-4ae5-a8fe-11654d5413b1 (old id 466588)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:39:04
• date last changed: 2018-11-21 20:59:59