Surface proteins of pathogenic streptococci
Författare
Summary, in Swedish
Popular Abstract in Swedish
Grupp B streptokocker (GBS; Streptococcus agalactiae) är den vanligaste orsaken till livs-hotande infektioner hos nyfödda barn. Enbart i USA orsakar GBS ~10 000 fall av meningit (hjärnhinneinflammation), pneumoni (lunginflammation) och sepsis (blodförgiftning) varje år. Infektionerna har hög dödlighet och en stor del av de barn som överlever infektionerna får bestående neurologiska skador, som kan yttra sig i form av hörselskador och försämrad inlärningsförmåga. GBS finns normalt i den vaginala bakteriefloran hos ~20% av alla vuxna kvinnor och många barn exponeras därför för GBS i samband med födseln, vilket delvis kan förklara varför nyfödda barn drabbas av GBS infektion. GBS är en kapslad bakterie och det har visats att kapseln, som är uppbyggd av polysackarider, är en viktig virulensfaktor och ger upphov till skyddande immunitet. På basen av strukturella skillnader i kapseln delas GBS in i ett antal serotyper och hittills har nio olika serotyper beskrivits. Serotyp III stammar orsakar de flesta allvarliga GBS infektioner, men på senare år har även serotyp V stammar blivit vanliga. I USA pågår försök att framställa ett vaccin mot GBS baserat på de kapsulära polysackariderna, men på grund av möjliga problem med ett polysackaridvaccin vore ett GBS vaccin baserat på ytproteiner att föredra. Nästan alla kliniska GBS isolat uttrycker på sin yta proteiner som ger upphov till skyddande immunitet och därför är intressanta för vaccinutveckling och för studier av virulensmekanismer. Två av dessa protektiva ytproteiner, Rib och alfa, uttrycks hos de flesta kliniska GBS isolat och är därför lovande som vaccinkandidater. Rib och alfa tillhör samma proteinfamilj och har en extremt repeterad struktur.
Streptococcus pyogenes (grupp A streptokocker; GAS) är en av de viktigaste bakterierna som ger upphov till sjukdom hos människa. Denna bakterie orsakar en mängd olika sjukdomar, såsom tonsillit (halsfluss), impetigo (svinkoppor) och scarlatina (scharlakansfeber). S. pyogenes kan även ge upphov till ett toxiskt chock syndrom med hög dödlighet, en egenskap som på senare år gjort S. pyogenes känd som ”mördarbakterien”. De välkända epidemierna av barnsängsfeber, vilka orsakade många kvinnors död under tidigare sekler, orsakades också av S. pyogenes. Även S. pyogenes uttrycker ytproteiner som är intressanta för vaccinutveckling och virulensstudier. De mest kända ytproteinerna hos S. pyogenes tillhör M protein familjen, vars medlemmar har antifagocytära egenskaper och alltså hjälper bakterien att undkomma eliminering av fagocyter.
I denna avhandling presenteras ett antal arbeten där ytproteiner från GBS och S. pyogenes huvudsakligen har studerats med avseende på: 1) Struktur och biokemiska/immunologiska egenskaper, 2) Förmåga att ge upphov till skyddande immunitet och 3) Biologisk funktion, med speciellt fokus på interaktioner med humana plasmaproteiner.
I delarbete I analyserar vi ett ytprotein, kallat R28, som uttrycks av vissa S. pyogenes stammar. Våra studier av R28 sporrades av ett antal observationer som visar att S. pyogenes stammar som uttrycker R28 är överrepresenterade i fall av barnsängsfeber, en av historiens mest kända infektionssjukdomar. Korrelationen mellan uttryck av R28 och förmågan hos S. pyogenes att orsaka barnsängsfeber implicerar att R28 har en viktig roll vid uppkomsten av barnsängfeber. Vi valde därför att studera R28 i mer detalj. Vi renade R28 från ett bakterieextrakt och visar att det renade R28 är immunologiskt och biokemiskt besläktat med det ovan nämnda protein Rib från GBS. Sekvensanalys visar att R28 tillhör samma proteinfamilj som Rib och alfa från GBS. I en musmodell visar vi att antikroppar riktade mot R28 ger mössen skyddande immunitet mot letal infektion med R28-uttryckande S. pyogenes stammar. Vi visar också att R28 medierar adhesion av S. pyogenes till humana epitelceller från livmoderhalsen (cervix). Våra resultat visar att R28 sannolikt fungerar som virulensfaktor i vissa infektioner orsakade av S. pyogenes. Förmågan att mediera adhesion av S. pyogenes till humana cervix-celler stöder hypotesen att R28 kan bidra till bakteriens förmåga att orsaka barnsängsfeber.
Som nämnts ovan visar vi i delarbete I att protein R28 från S. pyogenes och protein Rib från GBS är immunologiskt besläktade. I delarbete II analyserar vi denna immunologiska släktskap i detalj och visar att släktskapen mellan R28 och Rib är begränsad. Trots att den immunologiska släktskapen mellan R28 och Rib är begränsad, är den tillräcklig för att ge upphov till korsprotektion mellan R28-uttryckande S. pyogenes stammar och Rib-uttryckande GBS stammar. Infektion med en art av bakterie skulle alltså kunna skydda mot infektion med en annan art.
Som ovan nämnts börjar serotyp V stammar bli en allt vanligare orsak till livshotande GBS infektioner hos nyfödda barn. I delarbete III analyserar vi serotyp V stammar och isolerar två nya ytproteiner, samt karakteriserar dem immunologiskt och proteinkemiskt. Analys av kliniska GBS serotyp V isolat visade att dessa proteiner uttrycks av 31% - 59% av stammarna. Vi visar att antikroppar riktade mot de nya proteinerna ger upphov till skyddande immunitet i en musmodell, vilket gör dem intressanta för vaccinutveckling mot GBS.
Både S. pyogenes och GBS uttrycker ytproteiner som binder till den s.k. Fc delen på immunoglobulin A (IgA), en antikropp som utgör en viktig del av immunförsvaret bl.a. på våra slemhinnor men även i blodet. De IgA-bindande ytproteinerna från S. pyogenes tillhör M protein familjen och är obeläktade med det IgA-bindande ytproteinet beta från GBS. Förmågan att binda IgA kan vara en virulensmekanism hos dessa två bakterier och därför valde vi att studera denna interaktion i detalj (delarbete IV). Vi kunde visa att de obesläktade IgA-bindande ytproteinerna från S. pyogenes och GBS binder till samma yta i IgA, närmare bestämt regionen mellan Calfa2 och Calfa3. Till denna region i IgA binder även den humana IgA-receptorn CD89, som uttrycks av fagocyter. En interaktion mellan IgA-Fc och CD89 inducerar flera viktiga elimineringsmekanismer, inklusive fagocytos och produktion av cytokiner, varför CD89 förmodligen har en viktig roll vid eliminering av invasiva mikroorganismer. Vi visar att de IgA-bindande bakteriella ytproteinerna hämmar interaktionen mellan IgA och CD89, en egenskap som kan interferera med IgA-molekylens effektorfunktioner och därmed vara viktig för bakteriens förmåga att undkomma eliminering av fagocyter. Vi har således identifierat en möjlig verkningsmekanism hos de IgA-bindande bakterie proteinerna, vars funktion länge varit okänd.
En annan viktig del av vårt immunförsvar är det så kallade komplementsystemet, som består av ett 30-tal proteiner vilka kan angripa oönskade mikroorganismer och bidra till elimineringen av dessa. För att komplementsystemet inte ska skada vår egen vävnad nedregleras komplementaktiveringen av ett antal kontrollproteiner. I delarbete V visar vi att GBS proteinet beta, vilket binder IgA, även binder faktor H (FH), ett blodprotein som nedreglerar komplementaktivering. FH bundet till ytan av GBS har kvar sin aktivitet som komplementregulator, vilket tyder på att beta-uttryckande GBS-stammar använder sig av FH för att undkomma eliminering via komplementsystemet.
Sammanfattningsvis beskriver avhandlingen en rad nya fynd rörande ytproteiner hos sjukdomsframkallande streptokocker, speciellt proteinernas interaktioner med olika komponenter i människans immunsystem samt deras roll för uppkomst av skyddande immunitet.
Grupp B streptokocker (GBS; Streptococcus agalactiae) är den vanligaste orsaken till livs-hotande infektioner hos nyfödda barn. Enbart i USA orsakar GBS ~10 000 fall av meningit (hjärnhinneinflammation), pneumoni (lunginflammation) och sepsis (blodförgiftning) varje år. Infektionerna har hög dödlighet och en stor del av de barn som överlever infektionerna får bestående neurologiska skador, som kan yttra sig i form av hörselskador och försämrad inlärningsförmåga. GBS finns normalt i den vaginala bakteriefloran hos ~20% av alla vuxna kvinnor och många barn exponeras därför för GBS i samband med födseln, vilket delvis kan förklara varför nyfödda barn drabbas av GBS infektion. GBS är en kapslad bakterie och det har visats att kapseln, som är uppbyggd av polysackarider, är en viktig virulensfaktor och ger upphov till skyddande immunitet. På basen av strukturella skillnader i kapseln delas GBS in i ett antal serotyper och hittills har nio olika serotyper beskrivits. Serotyp III stammar orsakar de flesta allvarliga GBS infektioner, men på senare år har även serotyp V stammar blivit vanliga. I USA pågår försök att framställa ett vaccin mot GBS baserat på de kapsulära polysackariderna, men på grund av möjliga problem med ett polysackaridvaccin vore ett GBS vaccin baserat på ytproteiner att föredra. Nästan alla kliniska GBS isolat uttrycker på sin yta proteiner som ger upphov till skyddande immunitet och därför är intressanta för vaccinutveckling och för studier av virulensmekanismer. Två av dessa protektiva ytproteiner, Rib och alfa, uttrycks hos de flesta kliniska GBS isolat och är därför lovande som vaccinkandidater. Rib och alfa tillhör samma proteinfamilj och har en extremt repeterad struktur.
Streptococcus pyogenes (grupp A streptokocker; GAS) är en av de viktigaste bakterierna som ger upphov till sjukdom hos människa. Denna bakterie orsakar en mängd olika sjukdomar, såsom tonsillit (halsfluss), impetigo (svinkoppor) och scarlatina (scharlakansfeber). S. pyogenes kan även ge upphov till ett toxiskt chock syndrom med hög dödlighet, en egenskap som på senare år gjort S. pyogenes känd som ”mördarbakterien”. De välkända epidemierna av barnsängsfeber, vilka orsakade många kvinnors död under tidigare sekler, orsakades också av S. pyogenes. Även S. pyogenes uttrycker ytproteiner som är intressanta för vaccinutveckling och virulensstudier. De mest kända ytproteinerna hos S. pyogenes tillhör M protein familjen, vars medlemmar har antifagocytära egenskaper och alltså hjälper bakterien att undkomma eliminering av fagocyter.
I denna avhandling presenteras ett antal arbeten där ytproteiner från GBS och S. pyogenes huvudsakligen har studerats med avseende på: 1) Struktur och biokemiska/immunologiska egenskaper, 2) Förmåga att ge upphov till skyddande immunitet och 3) Biologisk funktion, med speciellt fokus på interaktioner med humana plasmaproteiner.
I delarbete I analyserar vi ett ytprotein, kallat R28, som uttrycks av vissa S. pyogenes stammar. Våra studier av R28 sporrades av ett antal observationer som visar att S. pyogenes stammar som uttrycker R28 är överrepresenterade i fall av barnsängsfeber, en av historiens mest kända infektionssjukdomar. Korrelationen mellan uttryck av R28 och förmågan hos S. pyogenes att orsaka barnsängsfeber implicerar att R28 har en viktig roll vid uppkomsten av barnsängfeber. Vi valde därför att studera R28 i mer detalj. Vi renade R28 från ett bakterieextrakt och visar att det renade R28 är immunologiskt och biokemiskt besläktat med det ovan nämnda protein Rib från GBS. Sekvensanalys visar att R28 tillhör samma proteinfamilj som Rib och alfa från GBS. I en musmodell visar vi att antikroppar riktade mot R28 ger mössen skyddande immunitet mot letal infektion med R28-uttryckande S. pyogenes stammar. Vi visar också att R28 medierar adhesion av S. pyogenes till humana epitelceller från livmoderhalsen (cervix). Våra resultat visar att R28 sannolikt fungerar som virulensfaktor i vissa infektioner orsakade av S. pyogenes. Förmågan att mediera adhesion av S. pyogenes till humana cervix-celler stöder hypotesen att R28 kan bidra till bakteriens förmåga att orsaka barnsängsfeber.
Som nämnts ovan visar vi i delarbete I att protein R28 från S. pyogenes och protein Rib från GBS är immunologiskt besläktade. I delarbete II analyserar vi denna immunologiska släktskap i detalj och visar att släktskapen mellan R28 och Rib är begränsad. Trots att den immunologiska släktskapen mellan R28 och Rib är begränsad, är den tillräcklig för att ge upphov till korsprotektion mellan R28-uttryckande S. pyogenes stammar och Rib-uttryckande GBS stammar. Infektion med en art av bakterie skulle alltså kunna skydda mot infektion med en annan art.
Som ovan nämnts börjar serotyp V stammar bli en allt vanligare orsak till livshotande GBS infektioner hos nyfödda barn. I delarbete III analyserar vi serotyp V stammar och isolerar två nya ytproteiner, samt karakteriserar dem immunologiskt och proteinkemiskt. Analys av kliniska GBS serotyp V isolat visade att dessa proteiner uttrycks av 31% - 59% av stammarna. Vi visar att antikroppar riktade mot de nya proteinerna ger upphov till skyddande immunitet i en musmodell, vilket gör dem intressanta för vaccinutveckling mot GBS.
Både S. pyogenes och GBS uttrycker ytproteiner som binder till den s.k. Fc delen på immunoglobulin A (IgA), en antikropp som utgör en viktig del av immunförsvaret bl.a. på våra slemhinnor men även i blodet. De IgA-bindande ytproteinerna från S. pyogenes tillhör M protein familjen och är obeläktade med det IgA-bindande ytproteinet beta från GBS. Förmågan att binda IgA kan vara en virulensmekanism hos dessa två bakterier och därför valde vi att studera denna interaktion i detalj (delarbete IV). Vi kunde visa att de obesläktade IgA-bindande ytproteinerna från S. pyogenes och GBS binder till samma yta i IgA, närmare bestämt regionen mellan Calfa2 och Calfa3. Till denna region i IgA binder även den humana IgA-receptorn CD89, som uttrycks av fagocyter. En interaktion mellan IgA-Fc och CD89 inducerar flera viktiga elimineringsmekanismer, inklusive fagocytos och produktion av cytokiner, varför CD89 förmodligen har en viktig roll vid eliminering av invasiva mikroorganismer. Vi visar att de IgA-bindande bakteriella ytproteinerna hämmar interaktionen mellan IgA och CD89, en egenskap som kan interferera med IgA-molekylens effektorfunktioner och därmed vara viktig för bakteriens förmåga att undkomma eliminering av fagocyter. Vi har således identifierat en möjlig verkningsmekanism hos de IgA-bindande bakterie proteinerna, vars funktion länge varit okänd.
En annan viktig del av vårt immunförsvar är det så kallade komplementsystemet, som består av ett 30-tal proteiner vilka kan angripa oönskade mikroorganismer och bidra till elimineringen av dessa. För att komplementsystemet inte ska skada vår egen vävnad nedregleras komplementaktiveringen av ett antal kontrollproteiner. I delarbete V visar vi att GBS proteinet beta, vilket binder IgA, även binder faktor H (FH), ett blodprotein som nedreglerar komplementaktivering. FH bundet till ytan av GBS har kvar sin aktivitet som komplementregulator, vilket tyder på att beta-uttryckande GBS-stammar använder sig av FH för att undkomma eliminering via komplementsystemet.
Sammanfattningsvis beskriver avhandlingen en rad nya fynd rörande ytproteiner hos sjukdomsframkallande streptokocker, speciellt proteinernas interaktioner med olika komponenter i människans immunsystem samt deras roll för uppkomst av skyddande immunitet.
Avdelning/ar
Publiceringsår
2002
Språk
Engelska
Dokumenttyp
Doktorsavhandling
Förlag
Divison of Medical Microbiology
Ämne
- Microbiology in the medical area
Nyckelord
- bacteriology
- virology
- mycology
- Mikrobiologi
- bakteriologi
- virologi
- mykologi
- Microbiology
- factor H
- complement regulator
- CD89
- human IgA
- protective immunity
- surface protein
- Streptococcus pyogenes
- group B streptococcus
Status
Published
Handledare
- [unknown] [unknown]
ISBN/ISSN/Övrigt
- ISBN: 91-628-5366-X
Försvarsdatum
23 november 2002
Försvarstid
10:00
Försvarsplats
Segerfalksalen, Wallenberg Neurocenter, Sölvegatan 17, Lund
Opponent
- Susan K. Hollingshead (Prof)