Evolutionary and functional studies of protein H: a surface molecule of Streptococcus pyogenes

Abstract

Several bacterial species express surface proteins with affinity for the Fc part of human IgG. This thesis describes evolutionary and functional studies of protein H, an IgGFc-binding surface protein of the human pathogen Streptococcus pyogenes. By using peptide mapping and NMR analysis the IgGFc-binding region of protein G, a surface protein of group C and G streptococci, was identified. Various fragments of protein H localized the IgGFc-binding region to the N-terminal part of this molecule. It was also demonstrated that protein A, an IgGFc-binding protein of Staphylococcus aureus, protein G and protein H bind to the same site on IgGFc, although there is no sequence homology between the IgGFc-binding regions of these proteins. The finding that unrelated bacterial proteins have evolved regions with similar function, represents an example of convergent evolution. Protein H also absorbs albumin from human plasma and by using fragments of protein H, the albumin-binding region was mapped to the C-terminal part of the molecule. Protein G also binds albumin, and the albumin-binding regions of protein H and G show no sequence similarity, demonstrating that these regions also have evolved convergently. Protein H was found to interact with fibronectin type III (FNIII) domains, present in many eukaryotic proteins. The binding site was localized to the N-terminal part of protein H but did not overlap the binding site for IgG. Although the FNIII domain and the Ig-like domain have similar three-dimensional structure, protein H has evolved separate binding sites for these widespread domains. Many S. pyogenes strains aggregate when grown in vitro. Molecular analysis of this property in a strain expressing protein H, shows that protein H contributes to the aggregation. A 19 amino acids sequence was identified in the N-terminal part of protein H as responsible for the aggregation. Aggregating strains adhered to epithelial cells while isogenic mutants devoid of proteins containing the 19 a.a. sequence, did not. Soluble protein H binds to lymphocytes. It was shown that protein H is taken up by the lymphocytes and transported in to the nucleus via a previously unknown route. In the cytosol, protein H interacts with actin and nucleophosmin/B23, a shuttle protein between the cytoplasm and the nucleus. Within the nucleus protein H bind the nuclear proteins SET and hnRNP A2/B1, resulting in a cytostatic effect.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Protein H - ett bakteriellt ytprotein med förmåga att binda till olika proteiner hos människa



Bakgrund



I vårt dagliga liv omges vi av bakterier av många olika slag. Flertalet av dessa är normalt ofarliga och många utgör den så kallade normalfloran hos människa. En del bakterier kan under vissa förhållanden ge upphov till infektion och sjukdom, men för att åstadkomma detta krävs särskilda egenskaper hos bakterien. Förutom att fästa vid hud eller slemhinnor måste en bakterie kunna passera igenom dessa barriärer, föröka och sprida sig, samt undvika människans immunförsvar. Immunförsvaret har till uppgift att skydda mot infektioner och oskadliggöra främmande ämnen, till exempel bakterier. En viktig del i detta försvar utgörs av antikroppar, som cirkulerar i blodplasma och olika typer av vita blodkroppar. Den vanligaste typen av antikropp är immunoglobulin G (IgG). IgG består av en variabel del, som kan binda till främmande ämnen och en konstant del (Fc) som skickar signaler till de vita blodkroppar vars uppgift är att förstöra främmande ämnen. Många bakterier har på sin yta proteiner (äggviteämnen) som kan binda till Fc delen av IgG molekylen och härigenom skulle bakterien kunna undgå att bli igenkänd och eliminerad av immunsystemet. Vissa bakteriella ytproteiner har även utvecklat en förmåga att binda till andra komponenter i blodplasma eller till ytstrukturer hos olika kroppsegna celler. En viktig sjukdomsframkallande bakterie är grupp A streptokocken, som på latin heter Streptococcus pyogenes. Denna bakterie kan ge upphov till olika sjukdomar varav den vanligaste är halsfluss. Allvarligare, livshotande infektioner med nedbrytning av kroppens vävnader kan också orsakas av grupp A streptokocker och bakterien har i dagspressen ofta kallats "mördarbakterien" eller "den köttätande bakterien". I denna avhandling har jag studerat ett protein, som kallas protein H. Protein H finns på ytan hos vissa grupp A streptokocker och tidigare studier har visat att detta protein kan binda till Fc delen av IgG. Syftet med denna avhandling har varit att studera om protein H kan binda till andra blodproteiner eller till strukturer på cellytor hos människa. Dessutom har vi kartlagt var på protein H molekylen, IgG och eventuella andra kroppsegna proteiner binder. Ökad kunskap om samspelet mellan olika streptokocker och människa, leder till bättre förståelse för hur bakterien orsakar infektion. På sikt kan denna kunskap leda till utvecklingen av ett verksamt vaccin.



Arbete I-V



Vi har funnit att protein H, förutom att binda till IgG, även kan binda till albumin, ett viktigt transport protein i blodplasma. Dessutom binder protein H till dessa blodproteiner på ett liknande sätt som några andra bakteriella ytproteiner gör. Den exakta betydelsen av IgG- och albumin-bindningen är inte klarlagd. Det faktum att bakteriella proteiner, utan likhet med varandra, har utvecklat samma funktion tyder dock på att bakterien har en fördel av att binda IgG och/eller albumin till sin yta. På så vis skulle bakterien kunna undvika att bli upptäckt av immunförsvaret samt tillgodogöra sig näringsämnen som transporteras av albumin. Många proteiner hos människa är sammansatta av olika moduler, så kallade domäner. Två vanliga domäner är Ig-domänen, som bland annat finns hos IgG, och fibronektin typ III (FNIII) domänen. FNIII-domänen finns hos ett flertal kroppsegna proteiner med olika funktion, till exempel proteiner som bildar stödjande nätverk för celler (matrix), proteiner i cellers membran och proteiner i cellers inre miljö. Vi har funnit att protein H binder till FNIII domäner och genom denna bindning kan bakterier som producerar protein H fästa både till matrix och olika cellytor. Härigenom skulle bakterien lättare kunna kolonisera den infekterade värden. Många grupp A streptokocker bildar stora aggregat av bakterier när de växer i provrör. Vi har studerat denna egenskap hos en bakteriestam som producerar protein H och fann att proteinet bidrar till aggregeringen av bakterierna genom att binda till sig själv. Protein H tillhör en familj av ytproteiner, hos grupp A streptokocker, som kallas M protein familjen. Proteiner i denna familj kan i elektron mikroskop ses som hårlika utskott på bakteriens yta. Den struktur hos protein H som är viktig för aggregeringen lokaliserades och visade sig finnas hos ett flertal andra proteiner i M protein familjen. Dessutom finner vi att streptokocker som aggregerar fäster bättre till celler från svalget jämfört med icke aggregerande bakterier. Då protein H sitter på streptokockens yta leder dess förmåga att binda till olika proteiner hos människa till att bakterien har möjlighet att anpassa sig till olika miljöer hos den infekterade värden. Detta skulle kunna bidra till bakteriens överlevnad. Vidare kan protein H klyvas bort från bakteriens yta med hjälp av ett enzym (protein) som produceras av bakterien själv. Vi har funnit att lösligt protein H fäster till humana T-lymfocyter, vita blodkroppar, som är viktiga i immunförsvaret. T-lymfocyterna tar upp protein H och via en tidigare okänd mekanism transporteras protein H till T-lymfocytens cellkärna. Inne i cellen binder protein H till nucleophosmin, ett transport protein mellan cellens inre miljö och cellkärnan. I cellkärnan lossnar protein H från nucleophosmin och binder istället till två kärnproteiner. Resultatet blir en cytostatisk effekt, det vill säga lymfocyterna växer inte till, vilket skulle kunna hjälpa bakterien att överleva i den infekterade värden.

• author: Frick, Inga-Maria
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Fischetti, Vincent, Department of Bacterial Pathogenesis and Immunology, The Rockefeller University, New York, USA
• organization: Infection Medicine (BMC)
• publishing date: 1998
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Infectious Medicine
• keywords: intracellular transportation, adhesion, aggregation, FNIII domain, albumin-binding, M-like protein, convergent evolution, protein G, Streptococcus pyogenes, IgG-binding, Microbiology, bacteriology, virology, mycology, Mikrobiologi, bakteriologi, virologi, mykologi
• pages: 148 pages
• defense location: Lund
• defense date: 1998-05-08 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW/MECM--98/1014--SE
• ISBN: 91-628-2907-6
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 4c19e931-9bbd-4b30-a22f-1c1c93a81582 (old id 38545)
• date added to LUP: 2016-04-04 12:23:18
• date last changed: 2018-11-21 21:10:40