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Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-002654-7

Sekretierte Proteine aus Staphylococcus aureus – Immunogenität und spezifische Interaktionen mit dem humanen Immunsystem

  • Staphylococcus (S.) aureus ist vor allem bekannt als einer der Haupterreger nosokomialer Infektionen weltweit. Die Mechanismen, mit denen S. aureus und das Immunsystem des Wirtes miteinander interagieren sind komplex und bis heute nicht vollständig verstanden. Ziel der vorliegenden Dissertation war es daher, bekannte Virulenzfaktoren von S. aureus und Proteine, deren Funktion für das Bakterium bisher unbekannt ist, hinsichtlich ihrer Immunogenität und ihrer Fähigkeit, Interaktionen mit Zellen und Plasmafaktoren des humanen Blutes einzugehen, zu charakterisieren. Die Entwicklung und Anwendung eines für den Organismus S. aureus spezifischen Proteinmikroarray war eines der Hauptziele dieser Arbeit, welches unter der Bezeichnung Staph-Toxin-Ag verwirklicht wurde. Der Array trug bis zu 62 S. aureus-Antigene und zeigte sich als geeignet zur Charakterisierung und Quantifizierung von Antikörperantworten in verschiedenen humanen und murinen Wirtsproben, wie Blutplasma und -serum sowie anderen extrazellulären Flüssigkeiten wie Nasensekret und Bauchwasser von gesunden und infizierten Probanden. Im ‚Protein-Interaktionsassay‘ wurde der Staph-Toxin-Ag dazu verwendet, Interaktionen von S. aureus-Proteinen zu humanen Blutplasmaproteinen zu identifizieren – Faktor H, Fibronektin, Fibrinogen, Plasminogen und Vitronektin. Der Staph-Toxin-Ag wurde in zwei unabhängigen globalen Studien angewendet, welche die S. aureus spezifischen Antikörperantworten von gesunden humanen Probanden untersuchten, darunter Träger und Nicht-Träger von S. aureus. In der ersten Studie wurden die IgG-Antworten in den Blutplasmen, in der zweiten Studie die Antikörperantworten der Klassen IgG und IgA, hier in den Nasensekreten der Probenaden charakterisiert. In beiden Studien wurde wie erwartet eine enorme Heterogenität der detektierten Antikörperantworten innerhalb der Kohorten beobachtet, die unabhängig vom Trägerstatus bestand. Vergleichende Analysen der IgA- mit den IgG-Antworten in den Nasensekreten konnten den Grad der Heterogenität noch einmal deutlich erhöhen. Für keinen der untersuchten Probanden stimmten die S. aureus-Antigen-Muster beider Antikörperklassen vollständig überein. Für die untersuchten S. aureus-Träger wurden im Durchschnitt höhere Antikörperlevel nachgewiesen als für die Nicht-Träger. Statistische Analysen (Mann-Whitney U-Test) der gemessenen IgG- bzw. IgA-Level identifizierten insgesamt zehn Antigene, gegen die die Testgruppe der Träger im Vergleich signifikant höhere Antworten zeigte. Für das virulenzassoziierte Protein IsaA (Immunodominant staphylococcal Antigen A) wurden die beschriebenen Unterschiede in beiden globalen Studien und für beide untersuchten Antikörperklassen identifiziert. Die stärksten und häufigsten Antikörperantworten konnten gegen Proteine aus zwei funktionellen Gruppen – die nicht-egc-Superantigene (SEB, SEC, TSST-1) und die Komplement- und Koagulationsinhibitoren (SCIN, Efb, Sbi, SSL-7, SACOL1169) – detektiert werden. Mindestens 60 % der untersuchten Probanden zeigten spezifische IgG- und/oder IgA-Antworten gegen Komplementinhibitoren. Hingegen konnten für Superantigene vor allem Antikörperspezifitäten der Klasse IgG detektiert werden. Für den Komplementinhibitor Sbi (S. aureus Binder of IgG) wurde eine Lücke in den IgG-Antworten beobachtet. Beide funktionelle Gruppen werden folglich bei der Invasion des Wirtes von S. aureus in vivo exprimiert. Komplementinhibitoren sind darüber hinaus offensichtlich für S. aureus von besonderer Relevanz bei der Kolonisierung der Naseschleimhaut. Zahlreiche neue Erkenntnisse konnten gewonnen werden zu Proteinen, die von S. aureus sekretiert werden, deren Funktion für das Bakterium jedoch bisher unbekannt ist. Gegen zehn dieser Proteine wurden mithilfe des Staph-Toxin-Ag spezifische IgG- und/oder IgA-Antworten nachgewiesen, besonders häufig gegen die Antigene SACOL0479, SACOL0480, SACOL0985 und SaurJH1_2034. Dies zeigte, dass diese Proteine durch S. aureus in vivo synthetisiert werden und dass sie immunogen wirken. Im ‚Protein-Interaktionsassay‘ konnten für 20 der sekretierten Proteine mit unbekannter Funktion Interaktionen mit humanen Blutplasmafaktoren nachgewiesen werden. In durchflusszytometrischen Analysen mit humanem Vollblut wurden für sieben Proteine – SACOL0021, SACOL0742, SACOL0908, SACOL0985, SACOL1788, SACOL1802 und SACOL2197 – spezifische Bindungen an PMNs (Polymorphonuclear Leukocytes) und/oder Monozyten gezeigt. In der vorliegenden Dissertation wurden mithilfe immunologischer und durchflusszytometrischer Methoden potentielle neue Virulenzfaktoren, Vakzinkandiaten sowie diagnostische Biomarker identifiziert. Neben der wissenschaftlichen Anwendung ist der Proteinarray Staph-Toxin-Ag durch seine Eigenschaften prädestiniert für einen Einsatz als Screening-Methode in der diagnostischen Medizin.
  • Staphylococcus (S.) aureus is one of the main bacteria causing nosocomial infections worldwide. The mechanisms by which S. aureus and the host immune system interact is complex and not fully understood. The main aims of this dissertation were to characterize known virulence factors of S. aureus and so far uncharacterized proteins with regard to their immunogenicity and their ability to interact with cells and plasma factors in human blood. The development and application of an S. aureus specific protein microarray was one of the main goals of this work, which was fulfilled under the designation of Staph-Toxin-Ag. The array carried up to 62 S. aureus antigens and was proved to be suitable for characterization and quantification of antibody responses in different host samples – human and murine blood plasma and serum as well as other extracellular fluids like nasal secretions and ascites of healthy and infected subjects. In the "protein interaction Assay" the Staph-Toxin-Ag was used to identify interactions of S. aureus proteins with human blood plasma proteins – factor H, fibronectin, fibrinogen, plasminogen, and vitronectin. The Staph-Toxin-Ag was applied in two independent global studies which focused on the S. aureus specific antibody responses of healthy human subjects, among them S. aureus carriers and non-carriers. In the first study the IgG responses in blood plasma were characterized, in the second study it was the antibody responses of the classes IgG and IgA in nasal secretions that were probed. As expected an enormous heterogeneity of the detected antibody responses within the cohorts was observed in both studies, which was independent from the carrier state. Comparative analyses of the IgA and IgG responses detected in nasal secretions once again increased the grade of heterogeneity. None of the examined subjects showed completely coincided S. aureus antigen patterns from both antibody classes. On average S. aureus carriers showed higher antibody levels than non-carriers. Statistical analyses (Mann-Whitney U-test) of the measured IgG respectively IgA levels identified ten antigens, against whom the test group of carriers had significantly higher responses compared to the non-carriers. For the virulence associated protein IsaA (Immunodominant staphylococcal antigen A) the described differences were identified in both global studies and for both examined antibody classes. The strongest and most frequent antibody responses were detected against proteins from two functional groups – the non-egc superantigens (SEB, SEC, TSST-1) and the complement- and coagulation inhibitory proteins (SCIN, Efb, Sbi, SSL-7, SACOL1169). At least 60% of the examined subjects showed specific IgG and/or IgA responses against complement inhibitors. However against superantigens specificities were detected mainly for the antibody class of IgG. For the complement inhibitory protein Sbi (S. aureus binder of IgG) a lack of IgG responses were observed. Accordingly both functional groups were expressed by S. aureus in vivo while invading the host. Furthermore complement inhibitors evidently are of particular relevance to S. aureus during nasal colonization. Numerous new insights were gained from proteins that are secreted by S. aureus and whose function for the bacterium however is still so far unknown. Against ten of these proteins specific IgG and/or IgA responses were proved by using the Staph-Toxin-Ag, most frequently against the antigens SACOL0479, SACOL0480, SACOL0985, and SaurJH1_2034. This shows that these proteins were synthesized by S. aureus in vivo and that they act immunogenic. In the "protein interaction Assay" 20 secreted proteins with unknown functions were identified to interact with human blood plasma proteins. Using flow cytometry with whole human blood seven proteins – SACOL0021, SACOL0742, SACOL0908, SACOL0985, SACOL1788, SACOL1802, and SACOL2197 – showed specific binding to PMNs (Polymorphonuclear leukocytes) and/or monocytes. Within this dissertation potentially new virulence factors, vaccine candidates as well as biomarkers were identified by using immunological and flow cytometry based methods. Along with the scientific application the protein array Staph-Toxin-Ag with its properties is suited exceptionally well for use in diagnostic medicine.

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Metadaten
Author: Peggy Kloppot
URN:urn:nbn:de:gbv:9-002654-7
Title Additional (English):Secreted proteins of Staphylococcus aureus – Immunogenicity and specific interactions with the human immune system
Advisor:Prof. Dr. Susanne Engelmann, Prof. Dr. Michael Hecker
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2016/11/08
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2016/10/07
Release Date:2016/11/08
Tag:Antikörperantwort, Blutimmunzelle, Blutplasmafaktor, Protein-Microarray, Protein-Protein-Interaktion
GND Keyword:Blut, Humorale Immunität, Microarray, Staphylococcus aureus, Vakzin, Virulenzfaktor
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Abteilung für Mikrobiologie und Molekularbiologie
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 570 Biowissenschaften; Biologie