Analysis of the molecular interactions of tissue-invasive M1 Streptococcus pyogenes with primary human endothelial cells

Ochel, Anja

doi:10.24355/dbbs.084-201404291153-0

Published

Analysis of the molecular interactions of tissue-invasive M1 Streptococcus pyogenes with primary human endothelial cells

English
German

Serotype M1 Streptococcus pyogenes (GAS) is a major human pathogen that causes severe invasive diseases associated with high morbidity and mortality. The development of an invasive disease implies that the pathogen has to be able to overcome tissue barriers, one of which is the endothelial cell (EC) lining of the vascular system. This study demonstrates for the first time a direct interaction of serotype M1 GAS with human EC. Infection assays using a complex in vitro EC barrier model highlight that M1 GAS efficiently invades into human umbilical cord endothelial cells. The M1 protein expressed by serotype M1 GAS was identified as a strong invasin which mediates internalization into EC. Heterologous expression of M1 as well as the use of a M1 knock out mutant clearly demonstrates that the M1 protein is sufficient to mediate uptake into EC. Activation of phospholipase C, protein kinase C and the release of intracellular calcium are crucial for efficient invasion of M1 GAS, as inhibition of either of those significantly reduced streptococcal uptake. On a cellular level the activation of these signalling molecules leads to the formation of membrane protrusions which tightly engulf the streptococcal chain resulting in uptake of M1 GAS into EC. This process comprises a reorganization of the actin cytoskeleton, activation of Arp2/3 actin nucleation complex and accumulation of F-actin at the entry port. Internalized streptococci traffic along the classical endocytic pathway, accumulate late endosomal/lysosomal markers and finally fuse with lysosomes. However, M1 GAS evades the phagolysosome to reside and persist within the cytoplasm of the host cell. In conclusion, this study provides new major insights in the invasion of serotype M1 GAS into EC and strongly indicates that EC represent target cells for M1 GAS invasion. Invasion into EC represents one potential general mechanism of M1 GAS to efficiently evade innate host immune responses and to persist intracellular.

Serotyp M1 Streptococcus pyogenes (GAS) ist ein wichtiger humanpathogener Erreger, der schwere invasive Erkrankungen auslöst. Diese gehen mit hoher Morbidität und Mortalität einher. Die Entstehung invasiver Erkrankungen setzt voraus, dass der Erreger in der Lage ist, Wirtsbarrieren zu überwinden. Eine dieser Barrieren stellt das Endothel des vaskulären Systems dar. In dieser Arbeit konnte zum ersten Mal eine direkte Interaktion des Serotyps M1 GAS mit humanen Endothelzellen gezeigt werden. Durch den Gebrauch eines komplexen in vitro Endothelzellbarrieremodels konnte nachgewiesen werden, dass M1 GAS in Endothelzellen der menschlichen Nabelschnur invadiert. Das M1 Protein von S. pyogenes wurde als ein starkes Invasin identifiziert, welches den Aufnahmeprozess in Endothelzellen vermittelt. Die Invasion beinhaltet die Aktivierung der Phospholipase C und der Protein Kinase C sowie die Freisetzung von intrazellulärem Calcium. Die Aktivierung dieser Signalwege führt auf zellulärer Ebene zur Bildung von Membranausstülpungen, die die Streptokokken umschließen und diese dann in die Zelle aufgenommen werden. Diesem Prozess liegt eine Umorganisation des Aktin Zytoskeletts, die Aktivierung des Arp2/3 Komplexes und die F-Aktin Akkumulation am Eintrittsort zu Grunde. Intrazelluläre Streptokokken werden in Phagosomen aufgenommen, die den klassischen endozytischen Weg gehen, d.h. späte endosomale/lysosomale Marker aufweisen und schließlich mit Lysosomen verschmelzen. Im weiteren Infektionsverlauf entkommt M1 GAS aus dem Phagolysosom, überlebt und persistiert im Zytoplasma der Wirtszelle. Zusammenfassend gehen aus dieser Arbeit wichtige neue Erkenntnisse über die Invasion des Serotyps M1 S. pyogenes in Endothelzellen hervor, die zeigen, dass Endothelzellen im Allgemeinen Zielzellen für M1 GAS darstellen. Die Internalisierung von M1 GAS ins Endothel stellt einen möglichen Mechanismus dar, um der angeborenen Immunantwort des Wirtes zu entgehen und intrazellulär zu persistieren.