Interactions between streptococcal M proteins and human plasma proteins

Abstract

Streptococcus pyogenes is a common human pathogen, which causes a variety of diseases. A major virulence factor of S. pyogenes is the surface-associated M protein, which mediates resistance to phagocytosis. Several studies indicate that M proteins inhibit complement deposition and thereby phagocytosis. It is often assumed that S. pyogenes lacking M protein activates complement via the alternative pathway and that M protein inhibits complement deposition via this pathway. However, recent evidence indicates that many S. pyogenes strains actually activate the classical pathway, and that the M proteins in these strains inhibit deposition via this pathway. For this purpose, the bacteria recruit the human complement inhibitor C4b-binding protein (C4BP), which specifically inhibits the classical pathway.



The two first papers in this thesis are focused on the biological properties of M proteins that do not bind C4BP. These M proteins bind the human plasma protein fibrinogen (Fg). In the first paper, we studied the role of bound Fg under non-immune conditions, i.e. in the absence of opsonic antibodies, and found that bacteria-bound Fg inhibits complement deposition via the classical pathway, and hence phagocytosis. Thus, the available data indicate that M proteins may recruit either C4BP or Fg to inhibit complement deposition, which occurs via the classical pathway even under non-immune conditions. These findings allow us to propose a unifying mechanism by which M proteins recruit a human plasma protein to interfere with complement deposition and phagocytosis.



The second paper analyzes the role of M protein under immune conditions, i.e. in the presence of anti-M antibodies. It is known that antibodies to the N-terminal hypervariable region (HVR) are opsonic, but the role of antibodies to other regions in M protein have remained unclear. We used the M5 protein to study this problem. In initial studies we showed that only the Fg-binding B-repeat region of this M protein is required for phagocytosis resistance under non-immune conditions. However, only antibodies to the HVR were able to opsonize M5 bacteria. This apparent paradox could be explained by the demonstration that Fg and albumin specifically inhibited binding of antibodies to the B- and C-repeat regions, respectively, in the M5 protein. Thus, non-opsonizing epitopes in M5 correspond to regions that are covered by human plasma proteins, Fg and albumin, that block binding of anti-M antibodies, while opsonic epitopes allow binding of antibodies. These data provide a molecular explanation for the difference between opsonic and non-opsonic epitopes in an M protein.



The third part of this thesis is focused on the study of an M protein-derived peptide, which binds human serum IgA, and the use of this peptide to develop a one-step purification method to isolate IgA from serum.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Streptokocker orsakar flera olika infektioner hos människa såsom halsfluss, svinkoppor och sällsynta livshotande sjukdomstillstånd som blodförgiftning, toxiskt chock syndrom, nekrotiserande fasciit, glomerulonefrit, och reumatisk feber. För att orsaka dessa infektioner måste bakterierna undvika immun-försvaret. Komplementsystemet utgör en viktig del av det medfödda immunförsvaret i försvaret mot bakterier. Aktivering av komplementsystemet leder till deponering av komplementfaktorer (s k opsonisering) på bakterieytan. Dessa komplementfaktorer kan kännas igen av immunceller, s k fagocyter, som kan ta upp och avdöda den komplementmärkta bakterien. Denna process kallas för fagocytos. Många streptokocker har utvecklat mekanismer som tillåter dem att undvika komplementdeponering och fagocytos. Analys av dessa mekansimer är av intresse för att förstå streptokockinfektionernas patogenes och för att hitta nya metoder för prevention och behandling.



Det har varit känt sedan 1920-talet att M-proteiner orsakar fagocytos-resistens under ?icke-immuna? förhållanden, dvs i frånvaro av skyddande antikroppar. M-proteinets förmåga att motstå fagocytos kan förklaras av att det hämmar komplementdeponering och därmed fagocytos. Hur M-proteiner hämmar komplement-deponering, och därigenom fagocytos, har emellertid varit oklart. En tidigare studie av Carlsson et al. (2003) i M22-systemet har visat att S. pyogenes som saknar M protein aktiverar komplement via den klassiska komplementvägen. M22-proteinet binder emellertid det humana plasma-proteinet C4b-binding protein (C4BP), vilket hämmar den klassiska komplementvägen. Detta fynd kan delvis förklara M22-proteinets förmåga att blockera komplementdeponering och fagocytos av en M22 stam. I denna avhandling studeras M5 proteinet, som inte binder C4BP, och dess roll för fagocytosresistensen hos M5 bakterier.



I delarbete I analyseras förmågan hos M5-proteinet att binda fibrinogen. Analys av kromosomala M5-mutanter visade att förmågan att binda fibrinogen krävs för M5-proteinets förmåga att ge upphov till fagocytosresistens. Fibrinogen bundet till M5-proteinet blockerade bildning av den klassiska komplementvägens C3-konvertas och därmed deposition av opsoniserande komplementfaktorer på bakterieytan, vilket kan förklara varför bindning av fibrinogen skyddar mot fagocytos. Resultat från denna studie visar att fibrinogen bundet till B-repeat regionen i M5 proteinet hämmar komplementdeponering via den klassiska komplementvägen och därmed fagocytos.



I delarbete II studeras hur antikroppar mot M-proteinet skyddar mot infektion. Antikroppar riktade mot en patogen mikrob kan känna igen antingen protektiva eller icke-protektiva epitoper. Eftersom antikroppar som uppkommer vid vaccinering måste vara riktade mot protektiva epitoper är det viktigt att förstå de molekylära egenskaper som särskiljer dessa två typer av epitop. I delarbete II analyseras den opsoniserande kapaciteten av antikroppar mot M5-proteinet, ett mått på deras förmåga att ge protektion in vivo. Huvudsyftet var att få en förklaring till varför vissa epitoper i M5-proteinet är opsoniserande, medan andra är icke-opsoniserande.



Våra studier visar att plasmaproteiner som fibrinogen och albumin binder till M5-proteinet och maskerar regioner och därmed epitoper i proteinet som leder till att antikroppar riktade mot dessa regioner/epitoper inte kommer åt att binda. Dessa antikroppar kan därmed inte heller opsonisera streptokocken och aktivera komplementsystemet. Endast epitoper i den N-terminala delen av M5-proteinet är tillgängliga för bindning av antikroppar och kan mediera opsonisering och avdödning av bakterien. Detta arbete presenterar en förklaring till varför vissa epitoper är protektiva och andra inte, ett viktigt problem inom vaccinforskningen.



I delarbete III analyseras möjligheten att använda en IgA-bindande peptid för affinitetsrening i ett steg av IgA från humant serum. En enkel metod för att rena IgG antikroppar har varit tillgänglig i decennier genom använding av bakteriella IgG-bindande proteiner som protein G och protein A, medan ett liknande reagens för upprening av IgA har saknats. Vi visar att den IgA-bindande peptiden binder IgA med hög specificitet och affinitet och att det är möjligt att med en en-stegsmetod isolera humant IgA från serum. IgA finns i två subklasser, IgA1 och IgA2, och det var möjligt att rena både IgA1 och IgA2 med peptiden. Dessutom kunde peptiden användas för rening av sekretoriskt IgA (S-IgA) som finns i saliv och på slemhinnor som skydd mot infektioner.

• author: Sandin, Charlotta
• supervisor: Gunnar Lindahl
• opponent: Professor Kilian, Mogens, Institute of Medical Microbiology and Immunology
• organization: Division of Medical Microbiology
• publishing date: 2005
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Clinical Medicine
• keywords: Infektioner, Infections, innate immunity, Streptococcus pyogenes, phagocytosis resistance
• pages: 94 pages
• defense location: Rune Grubb-salen, Biomedicinskt centrum Sölvegatan 19, Lund
• defense date: 2005-12-10 09:30:00
• ISBN: 91-85481-26-2
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: F Carlsson, C Sandin and G Lindahl. 2005. Human fibrinogen bound to Streptococcus pyogenes M protein inhibits complement deposition via the classical pathway. Mol Microbiol, vol 56 pp 28-39.; C Sandin, F Carlsson and G Lindahl. 2005. Binding of human plasma proteins to Streptococcus pyogenes M protein determines the location of opsonic and non-opsonic epitopes. Mol Microbiol, (inpress); C Sandin, S Linse, T Areschoug, JM Woof, J Reinholdt and G Lindahl. 2002. Isolation and detection of human IgA using a streptococcal IgA-binding peptide. J Immunol, vol 169 pp 1357-1364.
• id: dd4f168e-3ff8-46a0-ba25-2b8a800c0da4 (old id 545798)
• date added to LUP: 2016-04-01 16:51:17
• date last changed: 2018-11-21 20:44:43