Characterisation of the fibronectin binding domains and genomic variation of the Bartonella adhesin A of Bartonella henselae

  • Adhesion to host cells is the first and most crucial step in infections with pathogenic Gram negative bacteria and is often mediated by trimeric autotransporter adhesins (TAAs). TAA-producing bacteria are the causative agent of many human diseases and TAA targeted anti-adhesive compounds might counteract such bacterial infections. The modularly structured Bartonella adhesin A (BadA) is one of the best characterised TAAs and serves as an attractive adhesin to study the domain-function relationship of TAAs during infection. BadA is a major virulence factor of B. henselae and is essential for the initial attachment to host cells via adhesion to extracellular matrix proteins. B. henselae is the causative agent of cat scratch disease and adheres to fibronectin using its long BadA fibres. The life cycle of this pathogen, with alternating host conditions, drives evolutionary and host-specific adaptations. Human, feline, and laboratory adapted B. henselae isolates display genomic and phenotypic differences. By analysing the genomes of eight B. henselae strains using long-read sequencing, a variable genomic badA island with a diversified and highly repetitive badA gene flanked by badA pseudogenes was identified. Moreover, numerous conserved flanking genes were characterised, however, their influence on the regulation of badA expression and modification remains to be explored. It seems that B. henselae G 5436 is the evolutionary ancestor of the other B. henselae strains analysed in this work. The diversity of the badA island among the B. henselae strains indicates that the downstream badA-like domain region might be used as a ‘toolbox’ for rearrangements in the badA gene. Overall, it is suggested that badA-domain duplications, insertions, and/or deletions are the result of active phase variation via site-specific recombination and contribute to rapid host adaptation in the scope of pathogenicity, immune evasion, and/or enhanced long-term colonisation. The model strain B. henselae Marseille expresses a badA gene that includes 30 repetitive neck/stalk domains, each consisting of several predicted structural motifs. To further elucidate the motif sequences that mediate fibronectin binding, various modified badA constructs were generated. Their ability to bind fibronectin was assessed via whole-cell ELISA and fluorescence microscopy. In conclusion, it is suggested that BadA adheres to fibronectin in a cumulative fashion with quick saturation via unpaired β-strands appearing in structural motifs present in BadA neck/stalk domains 19, 27, and other homologous domains. Furthermore, antibodies targeting a 15-mer amino acid sequence in the DALL motif of BadA neck/stalk domain 27 were able to reduce fibronectin binding of the B. henselae mutant strain S27. Moreover, this DALL motif sequence is conserved in the genome of all analysed B. henselae strains. The identification of common binding motifs between BadA and fibronectin supports the development of new anti-adhesive compounds that might inhibit the initial adherence of B. henselae and other TAA-producing pathogens during infection.
  • Die Adhäsion von Infektionserregern an Wirtszellen ist der erste und wichtigste Schritt bei Infektionen und wird bei Infektionen mit pathogenen gramnegativen Bakterien häufig durch trimere Autotransporter-Adhäsine (TAAs) vermittelt. TAA-exprimierende Bakterien sind die Verursacher vieler menschlicher Krankheiten, wie Katzenkratzkrankheit (hervorgerufen durch Bartonella henselae), Enterokolitis (hervorgerufen durch z.B. Yersinia enterocolitica), Meningitis (hervorgerufen durch z.B. Neisseria meningitis) und Blutstrominfektionen (hervorgerufen durch z.B. multiresistente Acinetobacter baumannii). Dementsprechend könnten auf TAA ausgerichtete Antiadhäsionsstrategien eine universelle Strategie in der Therapie vieler bakterieller Infektionen darstellen. TAAs weisen eine gemeinsame modulare Architektur auf, die eine lange N-terminale passenger Domäne und eine C-terminale Ankerdomäne beinhaltet. Das Yersinia-Adhäsin A (YadA) von Y. enterocolitica gilt als prototypisches TAA, während z.B. der Acinetobacter trimere Autotransporter (Ata) von A. baumannii, das Neisseria-Adhäsin A (NadA) von N. meningitidis und das Salmonella-Adhäsin A (SadA) von S. enterica andere bekannte Beispiele sind. Das modular aufgebaute Bartonella-Adhäsin A (BadA) ist eines der am besten charakterisierten TAAs und ist zur Untersuchung der Domänen-Funktions-Beziehung von TAAs in Infektionen sehr gut geeignet. Die passenger Domäne von BadA besteht aus einer Kopfdomäne und einer langen Hals-/Stielregion. Domänen aus der Hals-/Stielregion teilen sich spezifische Sequenzmotive mit charakteristischen Konformationen, die durch den domain dictionary-Ansatz des daTAA-Servers annotiert wurden, darunter FGG-Motive, coiled-coil-Motive und DALL-Neck-Tandemkonnektoren. BadA vermittelt die Adhäsion von B. henselae an Wirtszellen und extrazelluläre Matrixproteine. B. henselae, der Erreger der Katzenkratzkrankheit, adhäriert mit seinen ca. 150-250 nm langen BadA-Adhäsinen an Fibronektin. Darüber hinaus wurde nachgewiesen, dass ausschließlich die BadA Hals-/Stielregion und nicht die Kopfdomäne für die Adhäsion von B. henselae an Fibronektin verantwortlich ist. Fibronektin ist nachweislich ein wichtiger erster Bindungspartner von B. henselae während der Infektion menschlicher Endothelzellen, und die BadA-Fibronektin-Interaktion erfolgt über die Heparin-bindenden Domänen. Fibronektin ist ein heterodimeres Glykoprotein, das auf der Zelloberfläche von Endothelzellen als fibrilläre Matrix (zelluläres Fibronektin) oder in Blut, Speichel und anderen Flüssigkeiten (Plasma Fibronektin) reichlich vorhanden ist, was es zu einem ausgezeichneten ersten Bindungspartner bei Infektionen von Blutgefäßen, Herzklappen oder im Falle eines Katzenkratzers in der menschlichen Haut macht.

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Metadaten
Author:Arno ThibauGND
URN:urn:nbn:de:hebis:30:3-743528
DOI:https://doi.org/10.21248/gups.74352
Place of publication:Frankfurt am Main
Referee:Volker MüllerORCiD, Volkhard A. J. KempfORCiDGND
Advisor:Lisa M. Schulte, Michaela Müller-McNicoll
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2023/06/20
Year of first Publication:2022
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2023/06/07
Release Date:2023/07/24
Page Number:126
HeBIS-PPN:509892892
Institutes:Biowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
Sammlungen:Universitätspublikationen
Sammlung Biologie / Biologische Hochschulschriften (Goethe-Universität)
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht