Outer Membrane Protease/Adhesin PgtE of Salmonella enterica: Role in Salmonella-Host Interaction

Abstract

Salmonella enterica serovar Typhimurium is a common cause of gastroenteritis in humans and, occasionally, also causes systemic infection. During systemic infection an important characteristic of Salmonella is its ability to survive and replicate within macrophages. The outer membrane protease PgtE of S. enterica is a member of the omptin family of outer membrane aspartate proteases, which are beta-barrel proteins with five surface-exposed loops. The main goals of this study were to characterize biological substrates and pathogenesis-associated functions of PgtE and to determine the conditions where PgtE is fully active.

In this study we found that PgtE requires rough lipopolysaccharide (LPS) to be functional but is sterically inhibited by the long O-antigen side chain in smooth LPS. Salmonella isolates normally are smooth with a long oligosaccharide O-antigen, and PgtE remains functionally cryptic in wild-type Salmonella cultivated in vitro. Interestingly, our results showed that due to increased expression of PgtE and to reduced length of the LPS O-antigen chains, the wild-type Salmonella expresses highly functional PgtE when isolated from mouse macrophage-like J774A.1 cells. Salmonella is thought to be continuously released from macrophages to infect new ones, and our results suggest that PgtE is functional during these transient extracellular growth phases.

Six novel host protein substrates were identified for PgtE in this work. PgtE was previously known to activate human plasminogen (Plg) to plasmin, a broad-spectrum serine protease, and in this study PgtE was shown to interfere with the Plg system by inactivating the main inhibitor of plasmin, alpha2-antiplasmin. PgtE also interferes with another important proteolytic system of mammals by activating pro-matrix metalloproteinase-9 to an active gelatinase. PgtE also directly degrades gelatin, a component of extracellular matrices. PgtE also increases bacterial resistance against complement-mediated killing in human serum and enhances survival of Salmonella within murine macrophages as well as in the liver and spleen of intraperitoneally infected mice.

Taken together, the results in this study suggest that PgtE is a virulence factor of Salmonella that has adapted to interfere with host proteolytic systems and to modify extracellular matrix; these features likely assist the migration of Salmonella during systemic salmonellosis.

Salmonella enterica-bakteereita tunnetaan nykyään noin 2500 serotyyppiä. Näistä serotyypeistä noin 100 erilaista aiheuttaa Suomessa tautia vuosittain. Serotyyppi Typhi on vakavaa verenmyrkytystilaa, lavantautia, aiheuttava bakteeri, kun taas serotyyppi Typhimurium aiheuttaa sekä suoleen rajoittuvaa kuumeista ripulia että harvemmissa tapauksissa verenkiertoon leviävää yleisinfektiota. Mielenkiintoinen piirre yleisinfektiossa on Salmonella-bakteerin kyky selviytyä elimistön immuunipuolustukselle tärkeiden syöjäsolujen, makrofagien, sisällä. Salmonella leviää muun muassa maksaan ja pernaan makrofagin sisällä suojassa verenkierron mikrobipuolustusmekanismeilta. Tässä työssä tutkittiin Salmonella-bakteerin pinnalla sijaitsevan PgtE-proteaasin merkitystä bakteerin taudinaiheutuskyvylle, selvitettiin ne olosuhteet, joissa PgtE on toiminnallinen, sekä tunnistettiin PgtE:n kohdemolekyylejä, joilla voi olla merkitystä Salmonella-bakteerin aiheuttamassa infektiossa.

PgtE:n toiminta on merkittävästi riippuvainen Salmonella-bakteerin muista pintarakenteista, varsinkin lipopolysakkaridista (LPS). PgtE vaatii toimiakseen LPS-molekyylin, jolla on lyhyt O-sivuketju, kun taas pitkä O-sivuketju estää steerisesti PgtE:n aktiivisuuden. Eläessään makrofagin sisällä Salmonella tuottaa runsaasti PgtE-proteaasia pinnalleen. Samanaikaisesti bakteeri muuntaa pintarakennettaan siten, että pintaa peittävä LPS:n O-sivuketju lyhenee. Saimmekin osoitettua, että makrofagin sisältä eristetyt Salmonella-bakteerit ilmentävät näiden muutosten seurauksena aktiivista PgtE-pintaproteaasia. Laboratorio-oloissa kasvatettujen Salmonella-bakteerien pinta on pitkän O-sivuketjun peittämä, eikä PgtE-pintaproteaasin funktioita Salmonella-bakteerissa ole ennen tätä tutkimusta pystytty karakterisoimaan. Yksi ajatusmalli Salmonella-bakteerin aikaansaaman yleisinfektion etenemisestä on se, että Salmonella vapautuu toistuvasti tartuttamiensa makrofagien sisältä tunkeutuakseen uusiin isäntäsoluihin. Uskommekin, että PgtE-pintaproteaasi on toiminnallinen näiden hetkien aikana.

Tutkimuksessa osoitimme, että PgtE-pintaproteaasi on tärkeä molekyyli elimistön proteaasisysteemien muokkaamisessa. PgtE myös pilkkoo ja tunnistaa kudosrakenteita sekä lisää Salmonella-bakteerin vastustuskykyä verenkierron mikrobeja tappavaa komplementtisysteemiä vastaan. PgtE-proteaasia pinnallaan ilmentävä Salmonella-kanta lisääntyi infektoiduissa hiirissä lähes kymmenen kertaa paremmin kuin pgtE-negatiivinen mutantti. Tuloksemme osoittavat että, PgtE on tärkeä molekyyli Salmonella-bakteerin taudinaiheutuskyvylle ja uskomme, että PgtE-proteaasin merkitys Salmonella-infektiossa on sen kyky edesauttaa Salmonella-bakteerin tunkeutumista elimistössä kudosesteiden läpi aktivoimalla ja muokkaamalla isännän omia proteaasisysteemejä.