Studies on cell wall-attached proteins of Streptococcus pyogenes

• Cell wall-attached proteins (CWPs) are important for the virulence of Gram-positive bacteria, but are also targets for the host immune system. CWPs have a conserved COOH-terminal region, responsible for cell wall-sorting. A pattern based on this conserved region was developed. The pattern identifies genes encoding CWPs, with high sensitivity and specificity, in whole genomes of Gram-positive bacteria. In genomes of five Gram-positive bacterial species, 19 previously unknown putative CWPs were identified. Three novel CWPs were identified and characterised in Streptococcus pyogenes, an important Gram-positive human pathogen. One CWP, GRAB, binds the human proteinase inhibitor alpha2-macroglobulin to the S. pyogenes surface, thus protecting other CWPs from proteolysis. Moreover, two novel CWPs (SclA and SclB) with regions similar to collagen were studied. These CWPs have a hypervariable NH2-terminal region and a more conserved COOH-terminal collagen-like region. The genes encoding GRAB and the Scl proteins are present in almost all S. pyogenes strains, indicating that these CWPs have important functions. The sclA gene is regulated by Mga, a transcriptional activator of many S. pyogenes genes related to virulence. In contrast, expression of SclB is regulated by repeated DNA sequences affecting protein translation. The repeated sequences facilitate genetic variation and mediate phase variation of SclB. In addition, insertion sequences could also contribute to genetic variation. One insertion sequence, IS1562, was identified in a region of the S. pyogenes chromosome encoding virulence factors.

• Popular Abstract in Swedish Grupp A streptokocker (Streptococcus pyogenes) är bakterier som orsakar många vanliga infektioner som halsfluss och svinkoppor (impetigo). De kan också orsaka allvarliga infektioner som under 1900-talet blev alltmer ovanliga. I slutet av 1980-talet började dock allvarliga streptokockinfektioner bli vanligare igen. Det är oklart varför det har skett en ökning av allvarliga mjukdelsinfektioner och blodförgiftningar orsakade av grupp A streptokocker. Det är dock tydligt att en undergrupp av streptokockerna (serotyp M1) är den vanligaste orsaken till sådana infektioner. Vi har i våra studier fokuserat på just denna undergrupp. Under en infektion pågår en kamp mellan streptokockerna och kroppens immunförsvar. Streptokockerna försöker överleva och dela sig så att chansen att sprida sig till en ny värd ökar. Samtidigt försöker immunförsvaret avdöda bakterierna. Streptokockens yta, samt de proteiner och sockerarter som finns på den, är av avgörande betydelse för utgången av kampen. Kroppens immunförsvar känner igen proteiner på streptokockytan och använder dessa som kännetecken för att bakterien är kroppsfrämmande och skall oskadliggöras. Därför är det fördelaktigt för streptokocken att variera de proteiner som finns på dess yta så att immunförsvaret inte kan känna igen alla streptokocker bara för att det har lärt sig att känna igen en streptokockstam. Vidare har streptokockerna proteiner på sin yta, som på olika sätt manipulerar kroppens försvarssystem och gör det möjligt för bakterien att överleva angrepp från t. ex. vita blodkroppar. Under de senaste åren har grupp A streptokockens, liksom många andra bakteriers, kromosom sekvensbestämts. Detta har öppnat nya möjligheter att identifiera gener vars funktion sedan kan studeras. Vi var intresserade av att hitta alla gener som styr tillverkningen av (kodar för) proteiner förankrade till streptokockens cellvägg. Delarbete I beskriver hur vi utvecklade ett datorverktyg som kan användas för att hitta gener som kodar för cellväggsförankrade proteiner. Detta verktyg kan enkelt användas på hela den genetiska informationen från bakterier med tjock cellvägg (Grampositiva bakterier). Hos grupp A streptokocker hittade vi 14 gener kodande för cellväggsförankrade proteiner, varav sju var tidigare okända. Vårt datorverktyg visade sig ha både hög precision och känslighet och vi tror att det kan bli mycket användbart för att hitta nya gener kodande för cellväggsförankrade proteiner. Sådana ytproteiner skulle kunna användas som vaccin mot streptokocker och andra Grampositiva bakterier såsom staphylokocker och pneumokocker. Vidare har vi studerat tre tidigare okända cellväggsförankrade proteiner hos grupp A streptokocker. Ett av dessa (protein GRAB) binder ett protein, som normalt finns i människans blod, till streptokockens yta (delarbete II). Blodproteinet, alpha2-makroglubulin, oskadliggör vissa enzymer (proteaser) som kan bryta ned proteiner. Genom att alpha2-makroglobulin binds till streptokockens yta skyddas andra cellväggsförankrade proteiner från nedbrytning av proteaser. De proteaser som släpps ut från vita blodkroppar under en infektion kan då inte skada streptokockens cellväggsförankrade proteiner, vilka alltså kan fortsätta skydda streptokocken mot angrepp från immunförsvaret. Intressant nog kan nästan alla grupp A streptokockstammar bilda protein GRAB och våra resultat talar för att protein GRAB är viktigt för bakteriens sjukdomsalstrande förmåga. De två andra cellväggsförankrade proteinerna som har studerats (SclA och SclB) liknar bindvävsproteinet kollagen (delarbete III och IV). Generna som kodar för dessa proteiner finns hos alla streptokockstammar. SclA och SclB är de första beskrivna bakterieproteinerna som har en stor kollagenlik del. Kollagen är ett långsmalt protein som finns hos alla flercelliga organismer och som ger stadga åt bindväv och ben. Vi tror att också streptokockens kollagenlika proteiner är långsträckta och vi vet att de på sin spets har en mycket variabel del. Genom att proteinernas spetsar är variabla försämras troligen immunförsvarets förmåga att känna igen streptokockerna. Det är fortfarande oklart vad de kollagenlika proteinerna har för funktion, men det finns indikationer på att de är viktiga för bakteriens förmåga att häfta fast vid mänskliga celler. Grupp A streptokocken reglerar hur mycket SclA som produceras genom att variera uttrycket (transkriptionen) av SclA-genen. När det finns mycket koldioxid i bakteriens omgivning ökar produktionen av SclA och andra viktiga cellväggsförankrade proteiner. Produktionen av SclB regleras genom en helt annan mekanism. I en streptokock som producerar SclB, kan produktionen plötsligt stängas av helt. Detta kallas fasvariation och leder till att det i en infektionshärd alltid finns bakterier som har SclB på sin yta och sådana som inte har det. Fasvariationen av SclB studerades i delarbete IV och visade sig bero på att block om fem DNA-byggstenar (nukleotider) lades till eller försvann från SclB-genen. Dessa händelser leder i sin tur till att det budbärar-RNA som produceras från SclB-genen omväxlande kan, eller inte kan, läsas av och bilda protein. Det är första gången någon visar att ett protein kan fasvariera genom den här mekanismen i en Grampositiv bakterie. Vi har också funnit att det finns en insertionssekvens i en region av streptokockens kromosom som innehåller gener kodande för viktiga cellväggsförankrade proteiner. En insertionssekvens är en "hoppande gen" som egentligen inte hör till bakteriens egen arvsmassa. En bakterie kan ändå ha nytta av insertionssekvenser eftersom dessa gör att bakterien lättare kan variera sin arvsmassa. Förmodligen kan insertionssekvensen som vi identifierat ha flyttat med sig en gen från en annan bakterie in i streptokockens kromosom. Det är viktigt att kartlägga vilka proteiner som finns på grupp A streptokockens yta, eftersom kunskap om hur dessa ser ut och fungerar kan möjliggöra utveckling av vacciner och läkemedel mot streptokockinfektioner. Kunskaperna ger också bättre insikt i hur och varför streptokocker orsakar infektioner av så varierande typ och svårighetsgrad.

Ämnesord

MEDICIN OCH HÄLSOVETENSKAP  -- Klinisk medicin -- Infektionsmedicin (hsv//swe)

MEDICAL AND HEALTH SCIENCES  -- Clinical Medicine -- Infectious Medicine (hsv//eng)

Nyckelord

insertion sequence

phase variation

collagen-like

alpha2-macroglobulin

pattern

virulence

surface protein

Stretococcus pyogenes

cell wall-attached protein

Clinical biology

Klinisk biologi

Publikations- och innehållstyp

dok (ämneskategori)

vet (ämneskategori)