Antimicrobial activity of human seminal plasma and seminal plasma proteins

Abstract

Seminal plasma is semen without the spermatozoa. Human seminal plasma is a complex mixture of secretions from the sex accessory glands, mainly the seminal vesicles and the prostate. Seminal plasma has high protein content and it also contains ions, sugars and low molecular weight components. Immediately after ejaculation the semenogelins and fibronectin aggregate and a coagulum forms trapping the spermatozoa. Seminal plasma is then liquefied as the semenogelins are degraded by prostate specific antigen and the spermatozoa are released. We found that the peptides formed when the semenogelins are degraded were responsible for the major bactericidal activity of seminal plasma. The activity of these peptides was strictly zinc-dependent. We also found potent antifungal activity in seminal unleashed by the acid vaginal pH. The antifungal activity was mediated by beta-microseminoprotein (MSP). The activity of MSP mapped to a region in the C-terminal part of the protein. The antifungal activity was inhibited by calcium binding to MSP at neutral pH but not at the acid vaginal pH explaining the pH-dependent antifungal activity of seminal plasma. This is the first report of antifungal activity of seminal plasma activity and represents novel mechanism of regulation of antifungal activity. We also found that the seminal plasma protein, CRISP-3, possibly had an antifungal activity regulated in pH-dependent manner demonstrating that pH may be a important factor to consider when studying the antimicrobial activity of seminal plasma proteins .

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Mikroorganismer (bakterier, virus och protozoer) finns överallt I vår omgivning. Vi människor har tio gånger fler bakterier på och i oss än vi har mänskliga celler. De flesta bakterier orsakar sällan eller aldrig sjukdom, men det finns de som ofta orsakar sjukdom och dessa kallas patogener. För att skydda oss från patogener har vi ett komplicerat och välutvecklat immunförsvar som består av många olika celler och molekyler. I alla våra kroppsvätskor finns proteiner och peptider som hjälper till att skydda oss från mikroorganismer. Dessa kroppsegna antibiotika kallas antimikrobiella peptider (AMP). I denna avhandling har antimikrobiella peptider i sädesvätska undersökts. Sädesvätska är det som blir kvar av sperman när spermierna tagits bort. Sädesvätskan är en blandning av vätskor från olika körtlar, mest kommer ifrån sädesblåsorna och prostata.

Vätskarna från de olika körtlarna har olika innehåll, t.ex. av proteiner, socker och salter, och när dessa olika vätskor blandas efter utlösningen så koagulerar sädesvätskan och spermierna fångas i ett koagulat. Det är proteinerna semenogelin I (SgI), semenogelin II (SgII) och fibronectin från sädesblåsorna som klumpar ihop sig och bildar koagulatet. Ett enzym från prostatan (prostate specific antigen, PSA) bryter sedan ner proteinerna till mindre peptider och koagulatet löses upp och spermierna släpps fria. Efter utlösningen så hamnar spermierna i en tämligen fientlig miljö i vaginan. En normal vagina är koloniserad av mjölksyraproducerande normalflorabakterier (lactobaciller) och mjölksyran gör att pH i vagina är surt (runt 4). Mjölksyran hjälper till att döda potentiella patogener, men kan också skada spermierna eftersom de inte kan överleva i så lågt pH. Sädesvätskan skyddar spermierna från den sura miljön genom att fungera som en buffert och hålla ett neutralt pH i området runt spermierna så att de kan få en chans att ta sig upp i livmodern, som är steril och har neutralt pH.

Man har länge känt till att det finns flera olika AMP i sädesvätska och att dessa kan döda bakterier och även vissa virus. Det har däremot inte tidigare fastställts om sädesvätska kan döda svamp.

Man kan tänka sig att dessa AMP finns i sädesvätskan för att både skydda spermierna och vaginan från de bakterier som följer med in vid samlag, t.ex. de som finns på huden runt könsorganen, och de bakterier som finns i vaginan och förhindra att de tar sig upp i de övre sterila reproduktionsorganen samt förhindra att de små vävnadsskador som kan uppkomma vid samlag blir infekterade.



Mål med delarbete I

Vi ville ta reda på vilken eller vilka av alla beskrivna AMP i sädesvätska som var viktigast för dess förmåga att döda bakterier.

Sammanfattning av delarbete I

Semenogelin I och II bryts ner till mindre delar (peptider) vid upplösningen av sädesvätskekoagulatet. Eftersom semenogelinerna finns i hög koncentration i sädesvätska blir koncentrationen av dessa peptider också hög. Vi fann att dessa semenogelinpeptider var ansvariga för den största delen av sädesvätskans antibakteriella aktivitet. I sädesvätska finns en hög koncentration av zink och en stor del finns bundet till semenogelinerna. För att semenogelinpeptiderna skulle kunna döda bakterier behövde de ha zink bundet till sig. I takt med att semenogelinpeptiderna bröts helt ner ytterligare så förlorade sädesvätskan sin antibakteriella aktivitet.



Mål med delarbete II

Vi ville fastställa om sädesvätska kan döda svamp, speciellt C. albicans som ofta orsakar underlivsinfektioner, och i så fall identifiera proteinet/proteinerna med den antifungala aktiviteten.

Sammanfattning av delarbete II

När obehandlad sädesvätska testades vid neutralt pH saknade den förmåga att döda C. albicans. Om sädesväskan utsattes för pH 4 (samma låga pH som finns i vagina) så kunde den döda C. albicans även vid neutralt pH. Något hände i lågt pH som gjorde att sädesvätskan fick antifungal aktivitet. Vi fann att beta-microseminoprotein (MSP) var proteinet som hade antifungal aktivitet. MSP är ett protein med tidigare okänd funktion som bildas i prostatan och finns i sädesvätska i en koncentration av 0.5-1 mg/ml. Genom att dela upp MSP i mindre peptider och testa dessa var för sig kunde vi isolera den del av proteinet där den antifungala aktiviteten fanns. Anledningen till att sädesvätska behövde lågt pH för att döda C. albicans var att i neutralt pH band kalcium till MSP och hämmade den antifungala aktiviteten. Vid lågt pH band kalcium inte längre lika bra och MSP fick då antifungal aktivitet.

Mål med delarbete III

Vi ville undersöka om sädesvätskeproteinet CRISP-3 hade någon antibakteriell eller antifungal aktivitet.

Sammanfattning av delarbete III

CRISP-3 är ett protein som bildas i prostatan och bitestiklarna och finns i en koncentration av 11 μg/ml i sädesvätska. CRISP-3 har ännu ingen känd funktion. Våra experiment visade att CRISP-3 inte hade någon antibakteriell aktivitet, men att delar av CRISP-3 hade antifungal aktivitet, speciellt vid pH 4. Detta skulle kunna tyda på att fler protein i sädesvätska är beroende av lågt pH för att ha antimikrobiell aktivitet.



Slutsatser

Att peptider från semenogelinerna var antibakteriella har tidigare beskrivits (Bourgeon 2004, Zhao 2008). I delarbete I drar vi slutsatsen att dessa semenogelinpeptider står för den största delen av den antibakteriella aktiviteten i sädesvätska och att de är beroende av zink för att vara aktiva. I delarbete II rapporterar vi för första gången att sädesvätska har antifungal aktvitet och att denna aktivitet är beroende av MSP samt att kalcium kan hämma aktiviteten vid neutralt pH men inte vid lågt pH. I delarbete III rapporterar vi för första gången att CRISP-3 och peptider från CRISP-3 har antifungal aktivitet, speciellt vid lågt pH.

• author: Edström, Anneli
• supervisor: Ole E Sørensen; Arne Egesten
• opponent: PhD Schröder, Jens Michael, Department of Dermatology, University of Kiel, Germany
• organization: Infection Medicine (BMC)
• publishing date: 2010
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Infectious Medicine
• keywords: semenogelin, antibacterial peptides, antifungal peptides, seminal plasma, antimicrobial peptides, vaginal pH, beta-microseminoprotein, peptides
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2010:100
• pages: 121 pages
• defense location: Belfragesalen, BMC
• defense date: 2010-10-29 09:15:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-86671-16-7
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 26cc7ca3-59be-4794-8f5d-61a64895bbef (old id 1764983)
• date added to LUP: 2016-04-01 14:36:21
• date last changed: 2019-05-21 22:01:25