Bacterial modulation of host glycosylation - in infection, biotechnology, and therapy

University dissertation from Division of Infection Medicine

Abstract: Popular Abstract in Swedish Hur gör bakterier för att komma undan immunförsvaret? Vi har studerat hur en vanligt förekommande bakterie, grupp A streptokocker, gör för att undvika kroppens immunförsvar vid infektion. Vi har upptäckt enzymer som bidrar till bakteriens förmåga att undvika immunförsvaret genom att avväpna antikroppar. De bakteriella enzymerna kan användas i bioteknisk industri och eventuellt som framtida läkemedel. Alla kroppens celler innehåller proteiner och många proteiner i kroppen är glykosylerade och kallas glykoproteiner. Det betyder att proteinerna bär kedjor av socker som är viktiga för proteinets struktur och funktion. I immunförsvarets finns interaktioner som helt beror av proteins sockerkedjor. Kroppens försvar är uppdelat i ett medfött och ett specifikt (adaptivt) immunförsvar. Delarna av immunförsvaret kompletterar varandra när kroppen utsätts för en bakterie eller virus. Det medfödda immunförsvaret har inget immunologiskt minne utan attackerar strukturer som är gemensamma för flera mikroorganismer. Det adaptiva immunförsvaret har förmågan att utveckla immunologiskt minne i form av celler som producerar antikroppar specifikt riktade mot något främmande. Antikroppar i blodet är glykoproteiner som kallas immunoglobulin G, IgG. Tidigare forskning har visat att sockerkedjorna på IgG har stor betydelse för antikroppens funktion. Om sockerkedjan saknas kan inte antikroppen binda till immunceller och då förstörs inte den främmande mikroorganismen. Grupp A streptokocker är en vanlig bakterie hos människor. Vi bär den på huden och i svalget men den kan även orsaka halsfluss eller andra mycket allvarliga infektioner. Hos grupp A streptokocker har forskare upptäckt enzymet EndoS. Ett enzym är ett protein som förändrar andra proteiner och just enzymet EndoS klipper bort sockerkedjan på antikroppen IgG. Antikroppen förlorar då sin förmåga att tillkalla immunceller och förstöra bakterien. Streptokocker har flera andra enzymer och proteiner som bidrar till att undkomma det mänskliga försvaret. Vad har egentligen EndoS för betydelse vid infektioner av streptokocker? I artikel 1 förändrade vi generna hos grupp A streptokocker och genererade en EndoS-mutant, en bakterien som saknar EndoS men som har alla andra enzymer och proteiner. Vi jämförde vår EndoS-mutant mot ursprungsbakterien och studerade hur sjuka möss blev i en modell av allvarlig streptokockinfektion. Det visade sig att mössen blev lika sjuka och vi drog slutsatsen att EndoS inte ökar bakteriens förmåga att orsaka sjukdom i möss. Vi genererade även en bakteriestam som utrycker stora mängder av EndoS och vi såg då att mössen blev sjukare och bakterien mer aggressiv. Vi tror att halten av enzymet EndoS i den lokala infektionsmiljön har betydelse för hur allvarligt sjukdomsförloppet. I artikel 2 upptäckte vi ett nytt enzym hos streptokocker som inte har studerats tidigare. Genom att jämföra det okända proteinet med EndoS fann vi att proteinerna vad 37% identiska, vilket är en låg siffra. Vi såg också att genen för det okända enzymet fanns på exakt samma plats som EndoS i bakteriens DNA, och kallade därför enzymet för EndoS2. Vi studerade enzymets aktivitet på IgG och upptäckte att det klippte bort alla typer av sockerkedjor från antikroppen. Till skillnad från EndoS, så klipper EndoS2 även bort socker från ett glykoprotein som är involverat i inflammation. Slutsatsen blev att EndoS2 är ett nytt enzym från streptokocker som klipper bort alla sockerkedjor från IgG. Artikel 3, beskriver en studie där vi studerade en annan bakterie, Enterococcus faecalis, och enzymet EndoE som liknar EndoS, men som klipper bort sockerkedjor från flera glykoproteiner. Vi upptäckte att EndoE klippte bort socker från laktoferrin, ett protein som finns i modersmjölk och som har antibakteriella egenskaper. Laktoferrin utan sockerkedjor var mindre antibakteriellt och bakterierna överlevde bättre i närvaro av laktoferrin. Vi såg också att enterokocker kunde använda det bortklippta sockret som näringskälla. Många nya läkemedel som utvecklas idag är biologiska läkemedel som består av specifika antikroppar, oftast IgG. I artikel 4 jämförde vi den enzymatiska aktiviteten av EndoS och EndoS2 på fyra antikroppar som används som läkemedel. Vi upptäckte att EndoS2 klippte loss alla typer av socker medan EndoS lämnade en typ av socker som kallas hög-mannos. Det finns indikationer på att antikroppar med mannossocker fungerar sämre som läkemedel i kroppen. I artikeln presenterar vi en metod som använder EndoS och EndoS2 för att snabbt och enkelt bestämma halten av mannos på antikroppsläkemedel. Artikel 5 handlar om en annan typ av antikropp, immunoglobulin E (IgE) och EndoS. IgE är en typ av antikropp som har stor betydelse vid allergiska reaktioner. IgE är precis som IgG, ett glykoprotein och bär flera sockerkedjor. Våra experiment visade att EndoS även klipper bort socker från IgE och att antikroppen då fungerar sämre. I en musmodell för allergi kunde vi genom att injicera EndoS, kraftigt minska den immunaktivering som genom IgE leder till en allergireaktion. Våra resultat är preliminära, men kan tyda på att EndoS skulle kunna användas som läkemedel för kraftiga allergier. I denna avhandling visar vi att bakterier använder enzymer som är aktiva på sockerkedjor på antikroppar för att undkomma immunförsvaret. Vi har upptäckt ett nytt enzym hos streptokocker, EndoS2, och studerat betydelsen av EndoS vid allvarlig streptokockinfektion. Vi visar att bakteriella enzymer kan användas i bioteknisk industri för utveckling av antikroppsläkemedel. Slutligen, har vi upptäckt att sockerkedjor på IgE har stor betydelse vid allergi och att EndoS skulle kunna användas som läkemedel vi svåra allergiska reaktioner. Bakteriers smarta sätt att undkomma immunförsvaret kan lära oss mycket om hur immunförsvaret fungerar och hur bakterier orsakar infektion. Upptäckten av nya enzymer kan även leda till applikationer i bioteknisk industri och eventuellt till framtida läkemedel.

  CLICK HERE TO DOWNLOAD THE WHOLE DISSERTATION. (in PDF format)