Molecular analysis of Streptococcus pyogenes and its interactions with the human host

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish De flesta bakterier lever i harmoni med människan, på huden och på olika slemhinnor framför allt i mag-tarmkanalen. Cellerna på dessa ytorna utgör ett effektivt skydd mot sjukdomsalstrande bakterier. Ibland bryts emellertid försvarsbarriären och bakterierna kan få tillgång till delar av kroppen som normalt är sterila. De är försvarade av fagocyter, ätarceller, som omsluter och bryter ner bakterierna. Men som Sir Colenso Ridgeon säger i George Bernard Shaws "Doktorns dilemma" från 1906 "måste bakterierna bredas med smör för att med glädje inmundigas av fagocyterna". Smöret tillhandahåller patienten själv och det kallas att bakterierna opsoniseras, av grekiskans "opsono", "att förbereda mat för" fagocyterna. Numera vet vi att smöret utgörs av antikroppar (immunglobuliner, Ig) och ett fragment (C3b) av att protein ingående i komplementsystemet (C3). Komplementsystemets uppgift förutom att opsonisera är att direkt kunna göra hål i främmande cellers membran och därigenom döda dem: cytolys med hjälp av membranattackkomplexet (MAC). En tredje uppgift är att skicka ut peptider (C3a och C5a) som signalerar var en infektion har startat och som leder fagocyterna till infektionshärden (kemotaxi). Immunglobuliner kan vara av olika klasser men den vanligaste i blodet är IgG. IgG består av två delar: en variabel som binder till främmande molekyler och en icke-variabel (IgGFc) som känns igen av C1q, det första proteinet i komplementsystemet, och av receptorer på fagocyternas yta. Koagulationen eller blodets levring är normalt till för att stoppa blodförluster vid skada men äger också rum kring en infektion och därigenom begränsas bakteriespridningen i kroppen. Huvudbeståndsdelen i ett koagel utgörs av fibrin, en polymeriserad och förändrad form av ett blodprotein som heter fibrinogen. När blodet levrat sig aktiveras ytterligare ett försvarssystem vars uppgift är att lösa upp levrat blod och medverka till omformningen av skadad vävnad: det fibrinolytiska systemet. Systemets centrala protein kallas plasminogen, som kan aktiveras till plasmin och då bryta ner de flesta av kroppens proteiner varför det är väl reglerat av hämmarproteiner. Immunglobuliner, komplementsystemet och koagulationen är mycket effektiva och för att kunna motstå opsonisering och fagocytos har invaderande bakterier utvecklat motvapen. En av de mest framgångsrika bakterierna i det avseendet är grupp A streptokocken eller Streptococcus pyogenes på latin. Den förorsakar allt från halsfluss, svinkoppor (impetigo) och rosfeber (erysipelas) till hastigt förlöpande sjukdomstillstånd som leder till döden. Den har blivit ökänd som "den köttätande mördarbakterien" under de senaste tio åren då antalet allvarliga akuta streptokockinfektioner har ökat. Förutom akuta sjukdomstillstånd kan streptokocker i efterförloppet ge upphov till en oftast övergående form av njursvikt eller reumatisk feber med ledpåverkan och skador på hjärtmuskel och hjärtklaffar. En av många anledningar till att streptokockerna kan motstå opsonisering är de M-proteiner som finns på deras yta. M-proteinerna har en antifagocytär effekt beroende på att de binder fibrinogen och faktor H, ett protein som finns i blodet och hämmar aktivering av komplementsystemet. Många av M-proteinerna binder också IgG men betydelsen av detta är osäker. I mitt avhandlingsarbete har jag studerat molekylära interaktioner mellan M-proteiner och andra streptokockproteiner å ena sidan och molekyler ingående i de ovan beskrivna försvarsmekanismerna å den andra. I det första arbetet beskrivs ett M-protein som binder plasminogen. Bindningen till M-proteinet äger rum i den delen av plasminogen som normalt binder till fibrin i ett blodkoagel. Det innebär att plasminogen på ytan av streptokocken kan aktiveras antingen av t-PA, dess normala aktivator, eller av streptokinas, som tillverkas av bakterien. På så sätt tillskansar sig bakterien ett aktiverat plasminogen på sin yta för att kunna bryta ner omgivande levrat blod och andra proteiner som hindrar dess spridning. I de två följande arbetena beskrivs huvudsakligen ett IgG-bindande M-protein kallat protein H. Protein H binder till den icke-variabla delen av IgG, IgGFc. När tillräckligt mycket IgG bundit med sin variabla del till streptokocken kan komplementproteinet C1q binda till dess Fc-del och starta en process där ytan opsoniseras av C3b. Protein H tävlar med C1q om att binda till IgGFc och gör det så effektivt att bakterier som har protein H på sin yta inte binder C1q och kan därmed undgår att opsonisering genom att C3b inte bildas. Alternativt kan ett enzym tillverkat av streptokocken, ett så kallat cystein proteinas (SCP), klyva av protein H, som då tillsammans med IgG bildar komplex innehållande 4-8 molekyler av vardera slaget. I motsats till situationen på bakterieytan kan dessa komplexen binda C1q varigenom C3b bildas. Detta sker dock på avstånd från bakteriens yta. Denna komplementaktiveringen kan leda till en förbrukning av komplementproteiner i bakteriens närhet vilket torde vara en fördel för bakterien. Komplexen mellan protein H och IgG kan fastna i njurar och hjärta och där utlösa inflammation och vävnadsskada. Vidare beskrivs hur SCP frigör ett fragment av ett annat cellyteprotein, C5a-peptidaset, som trots att det inte sitter på ytan kan fortsätta att klyva C5a, som då inte kan medverka till kemotaxin. SCP frigör också två fibrinogenbindande fragment av M1-proteinet men deras biologiska funktion är inte ytterligare undersökt. Generna som innehåller informationen nödvändig för att tillverka M-proteinerna och C5a-peptidaset ligger intill varandra på streptokockens kromosom. I den stammen som uttrycker protein H är generna emellertid skilda åt av ett DNA segment som tidigare beskrivits innehålla ytterligare ett protein, protein SIC som inverkar på komplementsystemet genom att hämma membranattackkomplexet (MAC). I det fjärde arbetet beskrivs den återstående delen. Den består av en insertionssekvens, IS1562, som är en så kallad "hoppande gen", varav det tidigare bara beskrivits en i S. pyogenes. Betydelsen av den hoppande genen är oklar, men den skulle kunna påverka uttrycket av intilliggande gener så väl som att stänga av och på olika gener. Identifieringen av en hoppande gen skulle kunna bidra till att förklara den tidigare beskrivna överföringen av gener mellan olika streptokockstammar och M-proteinerna förmåga att utveckla nya bindningsegenskaper till fördel för bakterierna i kampen mot kroppens försvarssystem.