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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:9-000866-1

Funktionelle Charakterisierung neuer Virulenzfaktoren von Staphylococcus aureus

  • Staphylococcus (S.) aureus is the most common cause of nosocomial infections and the species is becoming increasingly resistant to antibiotics. In contrast, about 35% of the healthy population are colonized with S. aureus in the anterior nares. The genetic make-up of this species is highly diverse. Mobile genetic elements comprise about 15% of the S. aureus genome. They encode many virulence factors like the 21 different known staphylococcal superantigens (SAgs), highly potent activators of T lymphocytes. Besides their well known causative role in food poisoning and toxic shock syndrome, information about SAg involvement in pathogenesis is limited. On the other hand, the human host and its immune response are also highly diverse. This study focuses on SAgs, because they are potent virulence factors that are highly diverse and therefore mirror of the variability of the species S. aureus. The goals of this work were (i) to identify virulence determinants by comparing the prevalence of SAg genes and phages among colonizing and invasive S. aureus isolates and to correlate it with the clonal background, (ii) to determine the prevalence and the development of anti-SAg antibodies in healthy S. aureus carriers and noncarriers as well as in bacteremia patients, and (iii) to elucidate the reasons for the selective lack of neutralizing serum antibodies specific for a subgroup of SAgs, the egc SAgs. In search for a molecular-epidemiological associations between SAgs and different diseases caused by S. aureus we investigated the distribution of SAg genes and/ or bacteriophages and correlated this with the clonal background, determined by spa genotyping. The analysis of more than 700 S. aureus isolates from nasal colonization, bacteremia or furunculosis revealed that SAg-encoding mobile genetic elements and bacteriophages were strongly associated with the clonal background. As a consequence, each clonal lineage was characterized by a typical SAg gene and phage repertoire. Therefore, we suggest that the simultaneous assessment of virulence gene profiles and the genetic background strongly increases the discriminatory power of genetic investigations into the mechanisms of S. aureus pathogenesis. However, we found no association of SAg genes with bacteremia or furunculosis. While functional neutralization assays closely mimic the protective action of anti-SAg antibodies in vivo, they are labor-intensive and time-consuming. A fast and easy method for the simultaneous quantification of antibody binding to multiple staphylococcal antigens is the Luminex® technology. Using serum samples from persistent carriers and noncarriers we showed a strong correlation between antibody binding and neutralizing capacity against the SAg TSST-1. This assay confirmed the astonishing lack of antibodies against egc SAgs in healthy carriers and noncarriers, which was previously described by Holtfreter and coworkers. Since colonization is probably not sufficient to induce a robust antibody response as revealed by experimental colonization with S. aureus, we propose that (minor) infections are required to induce the high titers of non-egc SAg-neutralizing antibodies in healthy adults. To test this, we investigated whether SAgs elicit a neutralizing antibody response during S. aureus bacteremia. At the acute phase of the disease most patients already had neutralizing antibodies against non-egc SAgs, and antibody titers frequently increased during infection. Notably, egc SAgs did not elicit a boost or de novo generation of specific antibodies. The “egc gap” in the antibody response, which has now been shown in healthy adults, as well as following systemic infection with S. aureus, is astonishing. After all, egc SAgs are by far the most prevalent SAgs. In search for an explanation, the intrinsic properties of three recombinant egc (SEI, SElM, SElO) and non-egc SAgs (SEB, SElQ, TSST-1) were compared in depth. Egc and non-egc SAgs were very similar with regard to induced T cell proliferation, cytokine profiles, and gene expression of human immune cells. However, there was a striking difference in the regulation of the two groups of SAgs by S. aureus in bacterial culture. We conclude that the differential regulation of egc and non-egc SAg has an impact on the immune response. But how are SAgs regulated by S. aureus during its interaction with the host? Up until now most research on regulation of virulence factors has been performed in vitro. The immune response can help to shed light on this problem, because it is an exquisitely specific sensor for the exposure to different antigens. The high prevalence of neutralizing serum antibodies against non-egc SAgs indicates that most healthy adults have been exposed to these toxins during their encounters with S. aureus. For egc SAgs this remains an open question. However, initial data indicate that the egc SAg genes are transcribed during nasal colonization.
  • Staphylococcus aureus ist die häufigste Ursache für nosokomiale Infektionen. Gleichzeitig besiedelt S. aureus die Nasenschleimhaut von etwa 35% der gesunden Bevölkerung. Das Genom der Spezies S. aureus ist hoch variabel - etwa 15% besteht aus mobilen genetischen Elementen. Hier werden hauptsächlich Virulenzfaktoren wie die 21 bekannten Superantigene (SAg) kodiert. SAg sind sehr potente T-Zell-Mitogene und können das Toxische-Schocksyndrom auslösen. Sie werden allerdings nicht immer wirksam, neutralisierende Antikörper können vor ihrer toxischen Wirkung schützen. SAg stehen im Mittelpunkt dieser Arbeit, da diese potenten Virulenzfaktoren mit ihrer Diversität die außergewöhnliche Variablität der Spezies S. aureus widerspiegeln. Die Arbeit hatte folgende Ziele: (i) Die Suche nach einem molekular-epidemiologischen Zusammenhang zwischen SAg und verschiedenen durch S. aureus verursachten Krankheiten, (ii) die Bestimmung der Prävalenz und Entwicklung von Antikörpern gegen SAg bei gesunden S. aureus Carriern und Nichtcarriern sowie bei Bakteriämie-Patienten und (iii) die Aufklärung der Ursache für das selektive Fehlen von neutralisierenden Antikörpern gegen eine Untergruppe von SAg, die egc-SAg. Auf der Suche nach einem molekular-epidemiologischen Zusammenhang zwischen SAg und verschiedenen durch S. aureus verursachten Krankheiten wurde die Verteilung von SAg-Genen und/ oder Bakteriophagen bei nasalen, Bakteriämie- und Furunkulose-Isolaten analysiert und mit dem genetischen Hintergrund (spa-Typisierung) der Stämme korreliert. Die SAg-kodierenden mobilen genetischen Elemente und Bakteriophagen waren nicht zufällig verteilt, sondern stark an den genetisch en Hintergrund der Isolate geknüpft. Das bedeutet, dass die parallele Bestimmung der Virulenzgen- und Bakteriophagen-Profile und des genetischen Hintergrunds die Trennschärfe von genetischen Untersuchungen zu S. aureus-Virulenzmechanismen stark erhöht. Diese Analyse zeigte keine Assoziation von SAg-Genen mit Bakteriämie oder Furunkulose.SAg Die klinisch relevante protektive Wirkung von anti-SAg-Antikörpern kann mit funktionellen Neutralisationsassays gemessen werden, allerdings sind diese Assays zeit-und arbeitsintensiv. Eine elegante Alternative ist die Luminex®-Technologie, bei der zeitgleich die Antikörperbindung an verschiedene S. aureus-Antigene quantifiziert wird. Die Analyse von Serumproben von Carriern und Nichtcarriern zeigte eine starke Korrelation der im Luminex-System gemessenen Antikörperbindung mit der neutralisierenden Kapazität gegen das SAg TSST-1. Außerdem bestätigte sich, dass Antikörper gegen egc-SAg bei gesunden Carriern und Nichtcarriern selektiv fehlen, wie bereits von Holtfreter et al. gezeigt wurde. Wir gingen davon aus, dass für die Bildung der hohen Antikörpertiter gegen nicht-egc-SAg, wie sie in gesunden Erwachsenen regelmäßig gefunden werden, Infektionen nötig sind, da experimentelle Besiedlung mit S. aureus nicht ausreichte, um eine robuste Antikörperantwort zu generieren. Um dies zu überprüfen, haben wir die Antikörperentwicklung gegen SAg während S. aureus-Bakteriämie untersucht. Bereits in der akuten Krankheitsphase hatte ein Großteil der Patienten neutralisierende Antikörper gegen nicht-egc-SAg, die häufig im Verlauf der Infektion weiter anstiegen. Interessanterweise induzierte auch eine systemische Infektion keine neutralisierenden Antikörper gegen egc-SAg. Die „egc-Lücke“ in der Antikörperantwort, die jetzt sowohl bei gesunden Erwachsenen als auch nach systemischer S. aureus-Infektion gezeigt wurde, war unerwartet, da egc-SAg bei klinischen S. aureus-Isolaten die häufigsten SAg sind. Auf der Suche nach der Ursache haben wir die intrinsischen Eigenschaften von drei rekombinanten egc- (SEI, SElM und SElO) und drei nicht-egc-SAg (SEB, SElQ und TSST-1) verglichen. Egc- und nicht-egc-SAg verhielten sich in allen untersuchten Aspekten der T-Zellaktivierung sehr ähnlich: Induktion der T-Zell-Proliferation, Zytokinsekretion und Genexpression in humanen Immunzellen. Im Gegensatz dazu wurden egc- und nicht-egc-SAg unter in vitro-Bedienungen unterschiedlich reguliert. Wir folgern daraus, dass die unterschiedliche Regulation die adaptive Immunantwort beeinflusst. Wie werden SAg bei der Wechselwirkung von S. aureus mit seinem Wirt reguliert? Die Forschung der Regulation von S. aureus-Virulenzfaktoren beschränkte sich bisher vor allem auf in vitro-Bedingungen. Die hochspezifische adaptive Immunantwort bietet einen Ausweg. Die hohe Prävalenz von neutralisierenden Antikörpern gegen nicht-egc-SAg ist ein Indiz dafür, dass die meisten gesunden Erwachsenen während ihrer Begegnungen mit S. aureus mit diesen Toxinen in Kontakt gekommen sind. Diese Antikörperantwort wird bei invasiven Episoden verstärkt. Dies zeigt, dass zumindest die nicht-egc-SAg bei einer Bakteriämie gebildet werden. Für egc-SAg lässt sich die Frage bisher nicht beantworten, doch weisen erste Daten darauf hin, dass egc-SAg während der nasalen Besiedlung transkribiert werden.

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Metadaten
Author: Dorothee Grumann
URN:urn:nbn:de:gbv:9-000866-1
Title Additional (English):Functional characterization of new virulence factors of Stapyhlococcus aureus
Title Additional (German):Funktionelle Charakterisierung neuer Virulenzfaktoren von Staphylococcus aureus
Advisor:Prof. Dr. Barbara Bröker
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2010/11/16
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2010/07/09
Release Date:2010/11/16
Tag:Enterotoxin Gene Cluster, Furunkulose
enterotoxin gene cluster, furunculosis
GND Keyword:Antikörper, Bakteriämie, Genotypisierung, Kolonisierung, Staphylococcus aureus, Superantigen
Faculties:Universitätsmedizin / Institut für Immunologie u. Transfusionsmedizin - Abteilung Immunologie
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 570 Biowissenschaften; Biologie