Virulence and survival mechanisms in Borrelia and Klebsiella infections – a structural bioinformatics perspective
Åstrand, Mia (2021-06-23)
Åbo Akademi University
23.06.2021
Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-12-4076-8
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-12-4076-8
Tiivistelmä
Bacteria use a wide variety of mechanisms to establish an infection in their host and to compete with other microorganisms for space and nutrients. These virulence and survival mechanisms mainly rely on the functions of proteins, which perform a multitude of highly specialized tasks to ensure bacterial colonization and survival in the host, e.g., through adhesion to host tissues, nutrient import, immune evasion mechanisms and toxin delivery.
As the function of a protein is governed by its structure, determining its three dimensional structure makes it possible to gain knowledge also about its function. This thesis is focused on virulence factors in Borrelia and Klebsiella bacteria and I have used structural bioinformatics methods to provide a detailed understanding of how structural features govern the function of a protein.
The BmpA, BmpB, BmpC and BmpD proteins of the Lyme disease-causing bacteria Borrelia burgdorferi are an example of how bacteria can survive and reproduce successfully in a host despite a very limited biosynthetic capacity. By analysing 3D structural models of the Bmp proteins, we showed that they are involved in the purine salvage pathway, which is used by the Borrelia bacteria to obtain vital purine nucleotides even though they lack the enzymes needed to synthesize them. BmpD was shown experimentally to bind to the purines adenosine and inosine. Our structural comparison showed a high similarity between BmpA, BmpB and BmpD, while BmpC differed significantly from the others, indicating a preference for a different ligand. The evolutionary relationships between the Borrelia Bmp proteins were studied in a phylogenetic analysis, which provided an improved classification of the Bmp proteins and revealed significant differences between the Lyme disease-causing and the relapsing fever-causing Borrelia.
To successfully colonize a host, Borrelia bacteria also need to adhere to host tissues, and this is done through specialized surface-located proteins that bind to receptors on host cells or in the extracellular matrix. Based on our mutational studies, the Borrelia garinii DbpA and DbpB proteins are essential for adhesion to cells in the nervous system and mediate adherence by binding to the proteoglycans decorin and biglycan on the surface of HBMECs (human brain microvascular endothelial cells). Negatively charged glycosaminoglycan (GAG) chains on the proteoglycans interact with positively charged lysine residues on the surface of the Dbp proteins and these interactions were inhibited by mutating the lysines. Our structural analysis showed significant changes in surface potential for the mutated proteins, which explained the loss of electrostatic interactions, and highlighted the importance of individual lysine residues for proteoglycan binding.
The highly antibiotic resistant bacterium Klebsiella pneumoniae uses secretion systems to inject toxic effectors into host cells or rival microorganisms. The effectors of the type VI secretion system (T6SS) can suppress the host immune system and VgrG proteins play a key role in the function of this system. Our experimental studies showed that K. pneumoniae VgrG4 causes a ROS-mediated toxic effect in the host and that its C-terminal DUF2345-containing part is sufficient for ROS induction. Structural modelling predicted that this region has a beta-helical fold, which is characteristic for VgrG spikes. The immunity protein Sel1E prevents the toxic effects of VgrG4 from harming the bacteria itself, and by combining a structural analysis with a study of its evolutionary conservation patterns we highlighted residues possibly involved in interactions with VgrG4.
In summary, this work deepens our understanding of the structure and function of bacterial proteins essential for virulence and survival. Insights into the detailed molecular mechanisms of a protein’s function can greatly aid the development of highly targeted novel treatment methods.
----------
Bakterier använder sig av en mängd olika mekanismer för att infektera sin värdorganism och för att konkurrera om utrymme och näringsämnen med andra mikroorganismer. Dessa virulens- och överlevnadsmekanismer baserar sig främst på funktionen hos olika proteiner som utför en mängd mycket specialiserade uppgifter för att säkerställa kolonisering och överlevnad i värdorganismen, t.ex. genom adhesion till värdens vävnader, genom upptag av näringsämnen, undvikande av immunförsvaret och leverans av toxiska substanser.
Eftersom ett proteins funktion avgörs av dess struktur kan man få fram information om proteinets funktion genom att bestämma dess tredimensionella struktur. Den här avhandlingen är fokuserad på virulensfaktorer i Borrelia- och Klebsiella-bakterier och strukturbioinformatikmetoder har använts för att ge en detaljerad förståelse för hur strukturella egenskaper styr ett proteins funktion.
BmpA, BmpB, BmpC och BmpD proteinerna i Borrelia burgdorferi, som orsakar borrelios, är exempel på hur bakterier kan överleva och föröka sig framgångsrikt i en värdorganism trots en mycket begränsad biosyntetisk kapacitet. Genom att analysera 3D-strukturmodeller för Bmp proteinerna visade vi att de är involverade i den så kallade purine salvage-rutten, som bakterierna använder för att få tillgång till livsnödvändiga purin-nukleotider, trots att de saknar de enzym som behövs för att syntetisera dem. Experimentella studier visade att BmpD binder till purinerna adenosin och inosin. Vår strukturella jämförelse visade att det finns en stor likhet mellan BmpA, BmpB och BmpD medan BmpC tydligt skiljer sig från de andra, vilket indikerar att den binder till en annorlunda ligand. De evolutionära förhållandena mellan Borrelias Bmp proteiner studerades genom en fylogenetisk analys, som resulterade i en förbättrad klassificering av Bmp proteinerna och visade på tydliga skillnader mellan de Borrelia-bakterier som orsakar borrelios och de som orsakar återfallsfeber.
För att framgångsrikt kolonisera en värdorganism behöver Borrelia-bakterier också fästa sig vid värdens vävnader, och detta görs genom specialiserade ytproteiner som binder till receptorer på värdcellens yta eller i det extracellulära matrixet. Baserat på våra mutationstudier är DbpA och DbpB proteinerna i Borrelia garinii väsentliga för adhesion till celler i nervsystemet och förmedlar detta genom att binda till proteoglykanerna decorin och biglykan på ytan av mikrovaskulära endotelceller i människans hjärna (human brain microvascular endothelial cells, HBMECs). Negativt laddade glykosaminoglykankedjor (GAG) på proteoglykanerna interagerar med positivt laddade lysiner på ytan av Dbp proteinerna, och dessa interaktioner inhiberas när lysinerna muteras. Vår strukturella analys visade tydliga skillnader i ytpotential för de muterade proteinerna, vilket förklarar förlusten av de elektrostatiska interaktionerna, och betonar vikten av individuella lysiner för proteoglykanbindning.
Den antibiotikaresistenta bakterien Klebsiella pneumoniae använder sig av speciella utsöndringssystem för att överföra toxiska effektormolekyler till värdceller eller konkurrerande mikroorganismer. Effektormolekylerna i utsöndringssystem VI (type six secretion system, T6SS) kan hämma värdorganismens immunförsvar och VgrG proteinerna utgör en viktig del i systemet. Våra experimentella studier visade att VgrG4 från K. pneumoniae orsakar en toxisk effekt i värdcellen och att detta styrs genom inducering av oxidativ stress. Proteinets C-terminala DUF2345-innehållande del visade sig vara tillräcklig för detta och genom strukturell modellering visade vi att denna region har en beta-helikal struktur, vilket är typiskt för spike-delen hos VgrG proteiner. Immunitetsproteinet Sel1E förhindrar den toxiska effekten av VgrG4 att skada bakterien själv, och genom att kombinera strukturella analyser med studier av proteinets evolutionära konservationsmönster kunde vi peka ut aminosyror som potentiellt interagerar med VgrG4.
Detta arbete bidrar till en fördjupad kunskap om strukturen och funktionen hos bakteriella proteiner som är nödvändiga för virulens och överlevnad. Insikter i de detaljerade molekylära mekanismerna för ett proteins funktion kan bidra med viktig information vid utvecklingen av nya och specifikt målinriktade behandlingsmetoder.
As the function of a protein is governed by its structure, determining its three dimensional structure makes it possible to gain knowledge also about its function. This thesis is focused on virulence factors in Borrelia and Klebsiella bacteria and I have used structural bioinformatics methods to provide a detailed understanding of how structural features govern the function of a protein.
The BmpA, BmpB, BmpC and BmpD proteins of the Lyme disease-causing bacteria Borrelia burgdorferi are an example of how bacteria can survive and reproduce successfully in a host despite a very limited biosynthetic capacity. By analysing 3D structural models of the Bmp proteins, we showed that they are involved in the purine salvage pathway, which is used by the Borrelia bacteria to obtain vital purine nucleotides even though they lack the enzymes needed to synthesize them. BmpD was shown experimentally to bind to the purines adenosine and inosine. Our structural comparison showed a high similarity between BmpA, BmpB and BmpD, while BmpC differed significantly from the others, indicating a preference for a different ligand. The evolutionary relationships between the Borrelia Bmp proteins were studied in a phylogenetic analysis, which provided an improved classification of the Bmp proteins and revealed significant differences between the Lyme disease-causing and the relapsing fever-causing Borrelia.
To successfully colonize a host, Borrelia bacteria also need to adhere to host tissues, and this is done through specialized surface-located proteins that bind to receptors on host cells or in the extracellular matrix. Based on our mutational studies, the Borrelia garinii DbpA and DbpB proteins are essential for adhesion to cells in the nervous system and mediate adherence by binding to the proteoglycans decorin and biglycan on the surface of HBMECs (human brain microvascular endothelial cells). Negatively charged glycosaminoglycan (GAG) chains on the proteoglycans interact with positively charged lysine residues on the surface of the Dbp proteins and these interactions were inhibited by mutating the lysines. Our structural analysis showed significant changes in surface potential for the mutated proteins, which explained the loss of electrostatic interactions, and highlighted the importance of individual lysine residues for proteoglycan binding.
The highly antibiotic resistant bacterium Klebsiella pneumoniae uses secretion systems to inject toxic effectors into host cells or rival microorganisms. The effectors of the type VI secretion system (T6SS) can suppress the host immune system and VgrG proteins play a key role in the function of this system. Our experimental studies showed that K. pneumoniae VgrG4 causes a ROS-mediated toxic effect in the host and that its C-terminal DUF2345-containing part is sufficient for ROS induction. Structural modelling predicted that this region has a beta-helical fold, which is characteristic for VgrG spikes. The immunity protein Sel1E prevents the toxic effects of VgrG4 from harming the bacteria itself, and by combining a structural analysis with a study of its evolutionary conservation patterns we highlighted residues possibly involved in interactions with VgrG4.
In summary, this work deepens our understanding of the structure and function of bacterial proteins essential for virulence and survival. Insights into the detailed molecular mechanisms of a protein’s function can greatly aid the development of highly targeted novel treatment methods.
----------
Bakterier använder sig av en mängd olika mekanismer för att infektera sin värdorganism och för att konkurrera om utrymme och näringsämnen med andra mikroorganismer. Dessa virulens- och överlevnadsmekanismer baserar sig främst på funktionen hos olika proteiner som utför en mängd mycket specialiserade uppgifter för att säkerställa kolonisering och överlevnad i värdorganismen, t.ex. genom adhesion till värdens vävnader, genom upptag av näringsämnen, undvikande av immunförsvaret och leverans av toxiska substanser.
Eftersom ett proteins funktion avgörs av dess struktur kan man få fram information om proteinets funktion genom att bestämma dess tredimensionella struktur. Den här avhandlingen är fokuserad på virulensfaktorer i Borrelia- och Klebsiella-bakterier och strukturbioinformatikmetoder har använts för att ge en detaljerad förståelse för hur strukturella egenskaper styr ett proteins funktion.
BmpA, BmpB, BmpC och BmpD proteinerna i Borrelia burgdorferi, som orsakar borrelios, är exempel på hur bakterier kan överleva och föröka sig framgångsrikt i en värdorganism trots en mycket begränsad biosyntetisk kapacitet. Genom att analysera 3D-strukturmodeller för Bmp proteinerna visade vi att de är involverade i den så kallade purine salvage-rutten, som bakterierna använder för att få tillgång till livsnödvändiga purin-nukleotider, trots att de saknar de enzym som behövs för att syntetisera dem. Experimentella studier visade att BmpD binder till purinerna adenosin och inosin. Vår strukturella jämförelse visade att det finns en stor likhet mellan BmpA, BmpB och BmpD medan BmpC tydligt skiljer sig från de andra, vilket indikerar att den binder till en annorlunda ligand. De evolutionära förhållandena mellan Borrelias Bmp proteiner studerades genom en fylogenetisk analys, som resulterade i en förbättrad klassificering av Bmp proteinerna och visade på tydliga skillnader mellan de Borrelia-bakterier som orsakar borrelios och de som orsakar återfallsfeber.
För att framgångsrikt kolonisera en värdorganism behöver Borrelia-bakterier också fästa sig vid värdens vävnader, och detta görs genom specialiserade ytproteiner som binder till receptorer på värdcellens yta eller i det extracellulära matrixet. Baserat på våra mutationstudier är DbpA och DbpB proteinerna i Borrelia garinii väsentliga för adhesion till celler i nervsystemet och förmedlar detta genom att binda till proteoglykanerna decorin och biglykan på ytan av mikrovaskulära endotelceller i människans hjärna (human brain microvascular endothelial cells, HBMECs). Negativt laddade glykosaminoglykankedjor (GAG) på proteoglykanerna interagerar med positivt laddade lysiner på ytan av Dbp proteinerna, och dessa interaktioner inhiberas när lysinerna muteras. Vår strukturella analys visade tydliga skillnader i ytpotential för de muterade proteinerna, vilket förklarar förlusten av de elektrostatiska interaktionerna, och betonar vikten av individuella lysiner för proteoglykanbindning.
Den antibiotikaresistenta bakterien Klebsiella pneumoniae använder sig av speciella utsöndringssystem för att överföra toxiska effektormolekyler till värdceller eller konkurrerande mikroorganismer. Effektormolekylerna i utsöndringssystem VI (type six secretion system, T6SS) kan hämma värdorganismens immunförsvar och VgrG proteinerna utgör en viktig del i systemet. Våra experimentella studier visade att VgrG4 från K. pneumoniae orsakar en toxisk effekt i värdcellen och att detta styrs genom inducering av oxidativ stress. Proteinets C-terminala DUF2345-innehållande del visade sig vara tillräcklig för detta och genom strukturell modellering visade vi att denna region har en beta-helikal struktur, vilket är typiskt för spike-delen hos VgrG proteiner. Immunitetsproteinet Sel1E förhindrar den toxiska effekten av VgrG4 att skada bakterien själv, och genom att kombinera strukturella analyser med studier av proteinets evolutionära konservationsmönster kunde vi peka ut aminosyror som potentiellt interagerar med VgrG4.
Detta arbete bidrar till en fördjupad kunskap om strukturen och funktionen hos bakteriella proteiner som är nödvändiga för virulens och överlevnad. Insikter i de detaljerade molekylära mekanismerna för ett proteins funktion kan bidra med viktig information vid utvecklingen av nya och specifikt målinriktade behandlingsmetoder.