Studies on streptococcal M proteins. Interactions with IgA and human complement regulators

Abstract

The human pathogenic bacterium <i>Streptococcus pyogenes</i> (group A <i>Streptococcus</i>) expresses several different virulence factors. Of these, the M protein is regarded as one of the most important, because it confers resistance to phagocytosis, allowing the bacterium to multiply in blood. A remarkable property of M proteins is their ability to bind different human plasma proteins, in particular components of the immune system. This property is believed to be of importance for the biological functions of M protein. This thesis describes studies of two such interactions: binding of IgA and binding of regulators of complement activation.



Many M proteins bind to the Fc part of IgA, the major immunoglobulin on mucosal surfaces. The biological role of this binding is not yet known, but the IgA-binding proteins are valuable model systems for studies of IgA. Alignment of the amino acid residue sequences of five different IgA-binding M proteins identified a putative IgA-binding region. Further analysis of one M protein demonstrated that a 29-residue region was necessary and sufficient for IgA-binding. Subsequent work showed that the IgA-binding region can be studied in the form of a synthetic peptide. Indeed, a 50-residue peptide including the IgA-binding region binds IgA with high specificity, and the properties of this peptide indicate that it corresponds to an isolated IgA-binding domain.



An important property of M proteins is the presence of an N-terminal hypervariable region, which probably plays a major role in pathogenesis. However, the function of the hypervariable region has remained unknown. We have found that the hypervariable region of many M proteins specifically binds a ligand, the human complement regulator C4BP. Alignment of the amino acid residue sequences of several C4BP-binding regions did not reveal any identities sufficient to explain the binding of C4BP. Thus, hypervariable regions with highly divergent primary sequences all bind the same ligand, C4BP. This ability to bind C4BP may explain the capacity of these M proteins to confer phagocytosis resistance, since bound C4BP may protect the bacterium against complement attack. However, some M proteins do not bind C4BP. Analysis of two such M proteins demonstrated that their hypervariable regions bind another human complement regulator, FHL-1. Thus, the studies with C4BP and FHL-1 made it possible to attribute a specific function to the hypervariable region of many M proteins: the binding of a human complement regulator.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

<i>Streptococcus pyogenes</i> (grupp A streptokocker) är en bakterie som orsakar flera olika infektionssjukdomar hos människan, av vilka de vanligaste är halsfluss och svinkoppor. För att kunna infektera sin värd använder sig en patogen bakterie av virulens-faktorer och <i>S. pyogenes</i> uttrycker flera olika sådana. Den viktigaste av dessa anses vara M proteinet som <i>S. pyogenes</i> uttrycker på sin yta. M proteiner ger där skydd mot värdens immunförsvar genom att förhindra fagocytos vilket gör att bakterien till och med kan tillväxa i blod. Den exakta mekanismen för hur M proteiner ger denna resistens mot fagocytos är dock ej känd.



En viktig egenskap hos M proteiner är deras förmåga att binda olika humana plasma proteiner, särskilt sådana som ingår i immunförsvaret. I denna avhandling har två sådana interaktioner studerats i detalj: interaktioner mellan M proteiner och IgA och interaktioner mellan M proteiner och komplement-reglerande molekyler. Många stammar av <i>S. pyogenes</i> uttrycker M proteiner som har en IgA-bindande förmåga. IgA är den dominerande antikroppen på våra slemhinnor och utgör där en viktig del av immunförsvaret vilket gör det extra intressant att studera denna interaktion närmare. Flera olika IgA-bindande M proteiner har tidigare beskrivits. I ett försök att definiera en möjlig IgA-bindande region bland dessa, gjordes en aminosyra-sekvens jämförelse. Denna analys, tillsammans med experimentella data för ett av M proteinerna, visade att en 29-amino syror lång region är nödvändig och tillräcklig för att ge IgA-bindning. Vidare försök visade att den IgA-bindande regionen kan studeras i form av en syntetisk peptid. En 50 amino-syror lång peptid innehållande den tidigare lokaliserade IgA-bindande regionen, visade sig sålunda binda IgA med hög specificitet. Våra resultat tyder därför på att den syntetiska peptiden utgör en isolerad och stabil IgA-bindande domän. Denna peptid är av intresse för fortsatta studier av IgA-bindningens funktion vid <i>S. pyogenes</i> infektioner och som ett immunkemiskt redskap för studier av IgA.



En viktig egenskap hos M proteiner är att de innehåller en N-terminal hypervariabel region, som anses vara viktig för <i>S. pyogenes</i> förmåga att orsaka sjukdom. Den hypervariabla regionens funktion har dock inte varit känd. Vi har funnit att många M proteiner använder den hypervariabla regionen för att specifikt binda ett humant protein, C4BP. C4BP är en viktig reglerande molekyl i människans komplement-system, vilket i sin tur utgör en viktig del av vårt immunförsvar. Förmågan att binda C4BP kan ge en molekylär förklaring till varför M proteiner ger fagocytos resistens, eftersom bakterie-bundet C4BP kan tänkas ge skydd mot attack från komplement systemet. De C4BP-bindande hypervariabla regionerna uppvisar märkligt nog inte några sekvenslikheter som kan förklara att de alla binder samma protein, C4BP. Denna variabilitet beror sannolikt på ett starkt selektivt tryck från immunsystemet.



Alla M proteiner binder inte C4BP. Vid analyser av två M proteiner som inte binder C4BP har vi funnit att de med sina hypervariablea regioner kan binda en annan komplement-regulator, FHL-1. Våra studier av de komplement-reglerande proteinerna C4BP och FHL-1 gör det därför möjligt att presentera en modell för den hypervariabla regionens funktion hos många M proteiner: bindning av en human komplement regulator.

• author: Johnsson, Eskil
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Prof Kehoe, Michael A, University of Newcastle upon Tyne, UK
• organization: Department of Laboratory Medicine
• publishing date: 1999
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Immunology in the medical area; Microbiology in the medical area
• keywords: Microbiology, antigenic variation, factor H, C4b-binding protein, Fc-receptor, IgA, Streptococcus pyogenes, M protein, mykologi, virologi, bakteriologi, Mikrobiologi, virology, mycology, bacteriology
• pages: 128 pages
• defense location: Patologens föreläsningssal, Sölvegatan 25, Lund
• defense date: 1999-11-05 09:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW/MEMG-1005-SE
• ISBN: 91-628-3767-2
• language: English
• LU publication?: yes
• id: bf9d8ce7-5bf8-48c0-94b9-b352e720a2b5 (old id 39950)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:50:04
• date last changed: 2018-11-21 21:01:02