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Borrelia (B.) miyamotoi, an emerging tick-borne relapsing fever spirochete, resists complement-mediated killing. To decipher the molecular principles of immune evasion, we sought to identify determinants contributing to complement resistance. Employing bioinformatics, we identified a gene encoding for a putative Factor H-binding protein, termed CbiA (complement binding and inhibitory protein A). Functional analyses revealed that CbiA interacted with complement regulator Factor H (FH), C3, C3b, C4b, C5, and C9. Upon binding to CbiA, FH retained its cofactor activity for Factor I-mediated inactivation of C3b. The Factor H-binding site within CbiA was mapped to domain 20 whereby the C-terminus of CbiA was involved in FH binding. Additionally, CbiA directly inhibited the activation of the classical pathway and the assembly of the terminal complement complex. Of importance, CbiA displayed inhibitory activity when ectopically produced in serum-sensitive B. garinii G1, rendering this surrogate strain resistant to human serum. In addition, long-term in vitro cultivation lead to an incremental loss of the cbiA gene accompanied by an increase in serum susceptibility. In conclusion, our data revealed a dual strategy of B. miyamotoi to efficiently evade complement via CbiA, which possesses complement binding and inhibitory activities.
The emerging relapsing fever spirochete Borrelia (B.) miyamotoi is transmitted by ixodid ticks and causes the so-called hard tick-borne relapsing fever or B. miyamotoi disease (BMD). More recently, we identified a surface-exposed molecule, CbiA exhibiting complement binding and inhibitory capacity and rendering spirochetes resistant to complement-mediated lysis. To gain deeper insight into the molecular principles of B. miyamotoi-host interaction, we examined CbiA as a plasmin(ogen) receptor that enables B. miyamotoi to interact with the serine protease plasmin(ogen). Recombinant CbiA was able to bind plasminogen in a dose-dependent fashion. Moreover, lysine residues appear to play a crucial role in the protein-protein interaction as binding of plasminogen was inhibited by the lysine analog tranexamic acid as well as increasing ionic strength. Of relevance, plasminogen bound to CbiA can be converted by urokinase-type plasminogen activator (uPa) to active plasmin which cleaved both, the chromogenic substrate S-2251 and its physiologic substrate fibrinogen. Concerning the involvement of specific amino acids in the interaction with plasminogen, lysine residues located at the C-terminus are frequently involved in the binding as reported for various other plasminogen-interacting proteins of Lyme disease spirochetes. Lysine residues located within the C-terminal domain were substituted with alanine to generate single, double, triple, and quadruple point mutants. However, binding of plasminogen to the mutated CbiA proteins was not affected, suggesting that lysine residues distant from the C-terminus might be involved in the interaction.
Elucidating the immune evasion mechanisms of borrelia mayonii, the causative agent of lyme disease
(2019)
Borrelia (B.) mayonii sp. nov. has recently been reported as a novel human pathogenic spirochete causing Lyme disease (LD) in North America. Previous data reveal a higher spirochaetemia in the blood compared to patients infected by LD spirochetes belonging to the B. burgdorferi sensu lato complex, suggesting that this novel genospecies must exploit strategies to overcome innate immunity, in particular complement. To elucidate the molecular mechanisms of immune evasion, we utilized various methodologies to phenotypically characterize B. mayonii and to identify determinants involved in the interaction with complement. Employing serum bactericidal assays, we demonstrated that B. mayonii resists complement-mediated killing. To further elucidate the role of the key regulators of the alternative pathway (AP), factor H (FH), and FH-like protein 1 (FHL-1) in immune evasion of B. mayonii, serum adsorption experiments were conducted. The data revealed that viable spirochetes recruit both regulators from human serum and FH retained its factor I-mediated C3b-inactivating activity when bound to the bacterial cells. In addition, two prominent FH-binding proteins of approximately 30 and 18 kDa were detected in B. mayonii strain MN14-1420. Bioinformatics identified a gene, exhibiting 60% identity at the DNA level to the cspA encoding gene of B. burgdorferi. Following PCR amplification, the gene product was produced as a His-tagged protein. The CspA-orthologous protein of B. mayonii interacted with FH and FHL-1, and both bound regulators promoted inactivation of C3b in the presence of factor I. Additionally, the CspA ortholog counteracted complement activation by inhibiting the alternative and terminal but not the classical and Lectin pathways, respectively. Increasing concentrations of CspA of B. mayonii also strongly affected C9 polymerization, terminating the formation of the membrane attack complex. To assess the role of CspA of B. mayonii in facilitating serum resistance, a gain-of-function strain was generated, harboring a shuttle vector allowing expression of the CspA encoding gene under its native promotor. Spirochetes producing the native protein on the cell surface overcame complement-mediated killing, indicating that CspA facilitates serum resistance of B. mayonii. In conclusion, here we describe the molecular mechanism utilized by B. mayonii to resists complement-mediated killing by capturing human immune regulators.
Relapsing fever (RF) is claimed a neglected arthropod-borne disease caused by a number of diverse human pathogenic Borrelia (B.) species. These RF borreliae are separated into the groups of tick-transmitted species including B. duttonii, B. hermsii, B. parkeri, B. turicatae, B. hispanica, B. persica, B. caucasica, and B. myiamotoi, and the louse-borne Borrelia species B. recurrentis. As typical blood-borne pathogens achieving high cell concentrations in human blood, RF borreliae (RFB) must outwit innate immunity, in particular complement as the first line of defense. One prominent strategy developed by RFB to evade innate immunity involves inactivation of complement by recruiting distinct complement regulatory proteins, e.g., C1 esterase inhibitor (C1-INH), C4b-binding protein (C4BP), factor H (FH), FH-like protein-1 (FHL-1), and factor H-related proteins FHR-1 and FHR-2, or binding of individual complement components and plasminogen, respectively. A number of multi-functional, complement and plasminogen-binding molecules from distinct Borrelia species have previously been identified and characterized, exhibiting considerable heterogeneity in their sequences, structures, gene localization, and their capacity to bind host-derived proteins. In addition, RFB possess a unique system of antigenic variation, allowing them to change the composition of surface-exposed variable major proteins, thus evading the acquired immune response of the human host. This review focuses on the current knowledge of the immune evasion strategies by RFB and highlights the role of complement-interfering and infection-associated molecules for the pathogenesis of RFB.
Der erste Teil der vorliegenden Arbeit beinhaltet die funktionelle Analyse von fünf Oberflächenproteinen von B. recurrentis die die Fähigkeit besitzen, die Aktivierung von humanen Komplement zu inhibieren und Borrelien vor Bakteriolyse zu schützen. Im zweiten Teil der Arbeit wurden zwei immunologische Testverfahren mit hoher Sensitivität sowie Spezifität entwickelt und mit zahlreichen Patientenseren evaluiert. Die entwickelten Tests könnten in Zukunft als zuverlässige Instrumente für eine gesicherte Diagnose von LRF eingesetzt werden.
Eine Sequenzanalyse führte zur Identifizierung eines neuen Proteinclusters, welches die fünf untersuchten Komplement-inhibierenden Proteine als „Cluster of Complement-targeting and Host-interacting Proteins“ oder „Chi-Gencluster“, zusammenfasst. Diese Oberflächenproteine wurden als ChiA, ChiB, ChiC, ChiD und ChiE bezeichnet. Weiterführende Sequenzanalysen ergaben, dass das Chi-Gencluster extrem hoch konserviert ist und sowohl in den ersten B. recurrentis-Isolaten aus den 1990er Jahren als auch in B. recurrentis-Stämmen nachgewiesen werden konnte, die 2015 aus Patienten isoliert wurden.
Durch funktionelle Analysen konnte gezeigt werden, dass alle fünf Chi-Proteine in der Lage sind den alternativen und terminalen Komplementweg zu inhibieren. Ebenfalls konnte für die Proteine ChiB, ChiD sowie ChiE nachgewiesen werden, dass die Interaktion mit der Komplementkomponente C5 dosisabhängig verläuft.
Die strukturelle Aufklärung des Proteins ChiB ermöglichte es Aminosäuren zu identifizieren, von denen angenommen wurde, dass sie für die Interaktion mit Komplement eine Rolle spielen könnten. Durch in vitro Mutagenese konnten insgesamt fünf verschiedene Varianten von ChiB generiert werden, die jedoch keine Veränderungen in ihrem Komplement-inhibierenden Potential gegenüber dem unveränderten ChiB-Protein aufwiesen. Weder in der Inhibition des alternativen oder des terminalen Komplementweges, noch in der Interaktion mit den untersuchten Komplementkomponenten C3b, C5 und C9.
Weiter konnte gezeigt werden, dass die lytische Aktivität von Humanserum durch Vorinkubation mit ChiB, ChiC, ChiD und ChiE drastisch reduziert werden konnte, sodass Serum-sensible Borrelienzellen in Gegenwart von Komplement überlebten. „Gain-of-function“ B. garinii-Transformanten, welche mit dem entsprechendem Chi-kodierenden Gen transformiert wurden, bestätigten die mit den gereinigten Proteinen erhobenen Ergebnisse.So konnte nachgewiesen werden, dass ChiB-, ChiC- oder ChiD-produzierende „Gain-of-function“ B. garinii Transformanten, nicht jedoch ChiE- produzierende Zellen, in der Lage waren einen Serum-resistenten Phänotypen auszubilden. Für Transformanten, die zwei-, drei- oder vier Chi-Proteine in verschiedenen Kombinationen gleichzeitig produzierten, konnte allerdings die Fähigkeit in Gegenwart von Humanserum zu überleben nicht bestätigt werden.
Molekulare Analysen mit verschiedenen RF-Borrelienstämmen führten zum Nachweis, dass die fünf Chi-kodierenden Gene bei allen Isolaten vorhanden sind und unter in vitro Bedingungen exprimiert werden. Im Gegensatz zu B. recurrentis PAbJ, ließ sich das HcpA kodierende Gen in B. duttonii LAI nicht nachweisen, jedoch alle dem Chi-Cluster zugehörigen Gene. Bei B. duttoni V fehlte das gesamte Chi-Cluster sowie die für CihC- und HcpA-kodierenden Gene. Durch eine Western Blot-Analyse konnte mit spezifischen Antikörpern bestätigt werden, dass die Proteine CihC, HcpA und ChiB in B. recurrentis A17 unter in vitro Bedingungen produziert wurden.
Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wurden durch die Analyse der IgM- und IgG-Immunreaktivitäten der LRF-Patientenseren zwei Proteine identifiziert, CihC und GlpQ, die als potenzielle Antigene für die Serodiagnostik des LRF evaluiert wurden. Eine initiale Evaluierung des IgM Lineblot-Immmunoassays zeigte jedoch nur eine geringe Sensitivität für die beiden Antigene, während der IgG Lineblot-Immunoassay eine sehr hohe Sensitivität aufwies. Der ELISA hingegen zeigte bei einer Kombination beider Antigene sehr gute Sensitivitäten und Spezifitäten. Um die starke Hintergrundfärbung bei den Lineblot-Immunoassays, welche eine korrekte Bewertung der Reaktivitäten gegenüber CihC erheblich erschwerten, zu minimieren, wurde ein „Epitop-Mapping“ durchgeführt, um immunogene Regionen innerhalb des CihC-Proteins zu lokalisieren. Eine zweite Evaluierung mit dem immunreaktiven N-terminalen CihC-Fragment CihC-N führte zu einer deutlichen Verbesserung der IgG Lineblot-Immunoassays mit einer Sensitivität von 100 % und einer starken Reduktion der Hintergrundfärbung. Zusätzlich konnte die Sensitivität der IgM-ELISA deutlich verbessert werden. Die Verwendung von CihC-N führte beim IgG-ELISA zur Herabsetzung des Cut-off-Wertes und zu einer besseren Unterscheidung zwischen den positiven LRF-Seren und den verwendeten Kontrollseren. Im Rahmen dieser Arbeit konnten somit zwei serologische in vitro Diagnostika entwickelt werden, die als zuverlässige Point-of-Care-Diagnostik in klinischen Studien eingesetzt werden könnten. Zur Steigerung der Sensitivität des IgM-Lineblot-Immunoassays sollten allerdings weiterführende Untersuchungen mit weiteren immunreaktiven Antigenen, wie z.B. den Vmp-Proteinen von B. recurrentis, angestrebt werden.