Global proteome and interactome differences in oral health-related Streptococcus spp. between sessile and planktonic life stages in in vitro conditions mimicking oral homeostasis and inflammation

Abstract

Oral streptococci colonize the oral cavity already during early childhood and establish the foundation for colonization by a multispecies oral microbiota. In the oral cavity, Streptococcus spp. contribute to both health and disease, and can also spread to the blood stream causing bacteremia and systemic diseases such as infectious endocarditis (IE) in certain risk groups. Molecular changes in oral streptococci in both early colonization and in disease are poorly understood, therefore we have conducted a study showing the global proteome and interactome with serum and saliva of clinically relevant oral streptococcal strains. To better understand the oral streptococci, we have provided a method for growth of biofilms on human oral keratinocytes and in presence of serum and saliva. We have demonstrated the method to be feasible for growth of the tested oral streptococci and compatible with mass-spectrometry (MS) based proteomics analyses of expression and interactome. In the study we provide valuable insights on proteins expressed during biofilm formation for S. gordonii DL1 on keratinocytes and in the presence of serum and saliva, mimicking oral homeostasis or inflammation respectively. In the study we demonstrate that human (host) proteins interacted with all tested oral streptococci in both serum and saliva, important for future studies on bacterial colonization in the healthy oral cavity, during inflammation, and in spread to the blood stream. Furthermore, we have characterized the development of oral streptococcal biofilms over time in the presence of serum and saliva using complementary methods: viable cell load, biomass using crystal violet (CV) staining, and global proteomic responses. From the study, we conclude that the species tested differ in their interaction profile with human proteins in serum as compared to saliva, and protein expression in S. gordonii DL1 is significantly re-organized during different time points of biofilm formation. The provided results are of importance in understanding the oral streptococci in human health and disease.

Popular Abstract (Swedish)

Orala streptokocker – munhålans gynnare och eventuella fiende

Streptokocker är associerade med flera infektionssjukdomar i olika delar av kroppen. En grupp streptokocker (orala streptokocker) återfinns främst i människans munhåla i både friska och sjuka individer. Tidigare studier har visat att orala streptokocker etableras i munhålan redan när vi är barn och finns kvar under hela livet. I den friska munhålan hjälper de orala streptokockerna till att bibehålla en fördelaktig miljö som motverkar förekomsten av bakterier som kan orsaka skada så som karies på tänder och inflammation i tandköttet. Trots att det är fastställt att de orala streptokockerna finns med oss hela livet och bidrar till en frisk munhåla, saknas studier om mekanismer bakom etableringen av dem och hur de interagerar med oss människor.

Generellt för forskning av bakterier gäller att försöka etablera metoder för att efterlikna deras naturliga miljö. Människan är värd för många bakterier vilket betyder att vi på ett intrikat vis samspelar med dessa små organismer, både i hälsa och sjukdom. Vad gäller orala streptokocker har vi i denna studie försökt skapa en modell som efterliknar den orala miljön till viss del. För att göra så har vi odlat mänskliga celler som vanligtvis finns i munhålans vävnad och vidare odlat orala streptokocker på dessa. För att efterlikna den orala miljön i såväl hälsa som sjukdom har vi odlat orala streptokocker med tillgång till saliv eller serum (del av blodet). Saliv tillsattes bakterierna under tillväxt för att efterlikna munhålans miljö och serum för att försöka återskapa en miljö som kan jämföras med inflammation vid sjukdom.

I tidigare studier har det visats att de orala streptokockerna bildar stora nätverk, kallade biofilmer eller plack. Med hjälp av vår modell har vi undersökt hur biofilmerna påverkas med fokus på storlek och cellinnehåll i närvaron av saliv och serum. Detta för att bättre förstå hur dessa bakterier växer i munhålan och hur det kan komma sig att de överlever också i blodet. Flera av de orala streptokockerna kan spridas från munhålan och ut i blodet där de skapar allvarliga infektioner, inte minst infektioner i hjärtat. Denna vetskap låg grund för en del av studien, då vi vill belysa hur de orala streptokockerna interagerar med blodet utöver hur de beter sig i munhålan.

Utöver att undersöka biofilmernas storlek har vi också undersökt vilka proteiner i saliv och serum som de orala streptokockerna interagerar med. Detta för att förstå vilka svar människan ger på att bakterierna finns i munhålan eller blodet i normalt tillstånd eller infektion. Interaktionen med mänskliga proteiner är också viktig för att hitta faktorer hos människan som eventuellt kan gynna tillväxten av orala streptokocker i en hälsosam munhåla. Vi har också undersökt vilka specifika proteiner som skiljer sig mellan olika tidpunkter i bildningen av biofilmer. I vår studie kan vi konstatera att biofilmen bildas mellan 24 och 48 timmar på de mänskliga cellerna när saliv eller serum finns i miljön. Vi har också visat att det mest varierande uttrycket av proteiner ses när biofilmen växer i närvaro av saliv. Med vidare studier över de proteiner som har identifierats kan vi bättre förstå hur dessa bakterier binder till munhålans vävnad under tidig etablering och således ger en hälsosam munhåla.

Studien har fokuserat på att få fram en representativ metod för att undersöka orala streptokocker samt att undersöka uttrycket av proteiner i dessa miljöer med hjälp av avancerad proteindetektion (mass-spektrometri). Vi hoppas med studien kunna bidra till den generella förståelsen av orala streptokocker i hälsa och sjukdom för att ge en bredare bild av några av de bakterier som finns med oss hela livet.

Masterexamensprojekt i Molekylärbiologi 45 hp 2025
Biologiska institutionen, Lunds universitet

Handledare: Oonagh Shannon Odontologiska Fakulteten, Malmö Universitet

• author: Larsson, Axel
• supervisor: Oonagh Shannon
• organization: Degree Projects in Molecular Biology
• course: MOBN02 20242
• year: 2025
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Biology and Life Sciences
• language: English
• id: 9188421
• date added to LUP: 2025-05-14 16:13:03
• date last changed: 2025-05-14 16:13:03