Transformacja
Streptococcus
pneumoniae w XXI wieku.

Karolina Jakołcewicz

Biotechnologia gr. IV

WSTĘP



S. pneumoniae, patogen odkryty ponad 100 lat temu,

jest przyczyną bakteremii, zapalenia zatok, zapalenia

ucha środkowego, bakteryjnego zapalenia opon

mózgowych i zapalenia płuc. Jest to bakteria obecna na

całym świecie i kojarzona jest z groźnymi lub

śmiertelnymi chorobami wywoływanymi u ludzi. Badania

nad biologią S. pneumoniae zaprowadziły do

identyfikacji natury materiału genetycznego,

wykorzystanie szczepionek opartych na polisacharydach

i poznania oporności na leki antybakteryjne. Zanim

odkodowano cały genom w 1997r., wiele na jej temat

odkryto dzięki białkom bakteryjnym zaangażowanym w

choroby pneumokokowe, regulację wirulencji i regulację

asymilacji DNA.



Obraz pneumokokowego zapalenia został zmieniony

przez dwa ważne wydarzenia:



Dostępność szczepionki przeciw pneumokokom



Zwiększoną agresywność pneumokokowego zapalenia płuc

Czynniki wirulencji S.

pneumoniae



KAPSUŁA
Polisacharydowa kapsuła jest najwcześniej poznanym

czynnikiem wirulencji. Kapsułowy polisacharyd składa

się z wielorakich cukrów, co stanowi dla pneumokoków

ochronę przed fagocytozą. Wartość ekspresji kapsuły w

mikroorganizmach zmienia się podczas replikacji w

organizmie gospodarza, zjawisko określane jako zmiany

fazy.



Zredukowana ekspresja kapsuły (jasny wariant) w jamie

nsowo-gardłowej przyczynia się do ujawnienia wagi adhezji

niezbędnej dla kolonizacji



Wzrost ekspresji (wariant niejasny) jest niezbędny do

uniknięcia opsonofagocytozy komplementu pośredniego

podczas inwazyjnej choroby



Kilka czynników takich jak np. elementy BOX, miejsce A

kapsuły (CpsA), CpsB, CpsC, CpsD i spontaniczne

duplikacje przyczyniają się do złożonej regulacji syntezy

kapsuły.

Czynniki wirulencji S.

pneumoniae



BIAŁKA WIĄŻĄCE CHOLINĘ
S. pneumoniae posiada na swojej powierzchni kilka białek

wiążących cholinę. Większość poznanych białek u

pneumokoków to autolizyny, m.in. Pneumokokowe białko

powierzchniowe C (PspC) i pneumokokowe białko

powierzchniowe A (PspA). Autolizyny degradują

peptydoglikan ściany komórkowej pneumokoków i dzielą

komórkę na komórki potomne. Liza pneumokoków za ich

pomocą powoduje rozbicie ściany i uwolnienie

pneumolizyn, które z kolei uruchamiają reakcje zapalne i

powodują uszkodzenia tkanek.



PspA jest antygenem chroniącym i może hamować

czynniki spowalniające i aktywujące, co przyczynia się

do zjadliwości pneumokoków w bakteremii i posocznicy.



PspC spełnia rolę adhezyny i wchodzi w reakcję z

polimerowym receptorem immunoglobuliny na

śluzówkowych komórkach nabłonka by ułatwić adhezję,

a tym samym inwazję.

Czynniki wirulencji S.

pneumoniae



PNEUMOLIZYNY I INNE CZYNNIKI WIRULENCJ
Pneumolizyny należą do rodziny toksyn formujących pory,

które mogą lizować błony komórkowe zawierające

cholesterol. Uruchamiają również system uzupełniania,

indukują produkcję mediatorów prozapalnych, rekrutuje

zapalne komórki i powoduje apoptozę komórek. Inne białka

wliczając w to: LPXTG – białko kotwiczące (hialuronidaza,

neuramidaza, proteaza serynowa), lipoproteina, nadtlenek

wodoru, dysmutaza ponadtlenkowa, oksydaza NADH, jak

również metaloproteaza cynkowa ( proteaza

immunoglobuliny A, ZmpB i ZmpC) również przyczyniają

się do zjadliwości S. pneumoniae.



Pnumokokowa rzęska zwiększa przyleganie i pobudza reakcję

zapalną gospodarza



Neuramidaza A i B mają podstawowe role w zakażeniu dróg

oddechowych i posocznicy



Neuramidaza C może mieć wpływ na zdolność pneumokoków

w wywoływaniu zapalenia opon mózgowych

Typ kapsułowy lub klonalny
określa inwazyjną zdolność S.
pneumoniae



S. pneumonia może dzielić się na 91 typów,

zgodnie z polisacharydami kapsuły, ale jedynie

20-30 ma powiązania z chorobami dotykającymi

ludzi. Stąd związek pomiędzy serotypem a

zdolnością do powodowania choroby. Serotyp 1

jest bardzo inwazyjny. Serotyp 3 może omijać

układ immunologiczny, powodując z łatwością

choroby śmiertelne. Do tej pory dokładne

mechanizmy na temat tego, dlaczego kilka

serotypów może przekroczyć kolonizację i

wywołać chorobę pozostaje niejasny, ale okazuje

się, że kapsuła nie wystarczy do wywołania

potencjału inwazyjnego lub reakcji zapalnej.

Genetyczne tło gospodarza również odgrywa

decydującą rolę w dyktowaniu wirulencji.

Odporność wrodzona –

wybrane mechanizmy:



CRP w sposób szczególny łączy się z częścią

fosfocholiny w ścianie komórki S. pneumoniae,

uruchamiając klasyczną drogę uzupełniającą w

surowicy ludzkiej



Płucny surfaktant białko-D (SP-D) ułatwia wczesne

wykrycie pneumokoków w mysim modelu

odoskrzelowego zapalenia płuc i bakteremii.



TLR2 pełni obronną rolę w infekcji ogólnoustrojowej

i nosowo-gardłowej kolonizacji w mysim modelu



TLR4 w części nosowo-gardłowej rozpoznaje

pneumokokowe pneumolizyny, aby ograniczyć ich

proliferację



TLR4 również wchodzi w reakcję z pneumolizyną w

celu skłonienia komórki do apoptozy.

Pneumokokowa
kolonizacja



Pierwszym krokiem prowadzącym do choroby wywołanej

przez pneumokoki jest kolonizacja jamy nosowo-gardłowej.

Bakteria rozprzestrzenia się drogą kropelkową. Jama nosowo-

gardłowa człowieka jest jedynym znanym naturalnym

zbiornikiem dla S. pneumoniae. Inwazyjna choroba pojawia

się wtedy, gdy pneumokoki przedostają się do głębokich

tkanek ludzkich, co może być ułatwione wcześniejszym

zakażeniem wirusowym, w szczególności wirusem grypy. S.

pneumoniae wnika do ludzkich komórek w procesie

określanym odwrotną endocytozą. Czynniki mające wpływ na

kolonizację i wywołanie choroby to m.in. „przepełnienie”,

palenie tytoniu, tożsamość etniczna i status społeczno-

ekonomiczny. Kolonizacja waha się 3-70% u zdrowych dzieci

w różnych krajach i stopniowo spada wraz z wiekiem. Jednym

ze sposobów zapobiegania chorobom pneumokokowym może

być zapobieganie kolonizacji, jednak może to powodować

wymianę na inne gatunki bakterii w jamie nosowo gardłowej.

Z tej przyczyny szczepionka oparta na białku ma zapobiegać

inwazyjnej chorobie bez zakłócania flory bakteryjnej jamy

nosowo-gardłowej.

Ewolucja S. pneumoniae



S. pneumoniae był pierwszym patogenem reprezentującym

zjawisko transformacji. Dzięki zdolności podlegania poziomemu

transferowi genu, bakteria łatwo przystosowuje się do zmian

środowiskowych, które prowadzą do znaczącej heterogeniczności

genetycznej, jak również genomicznej plastyczności.



Pierwszym przykładem jest występowanie genów mozaikowych

kodujących PBP u szczepów opornych na penicylinę, które

rozwinęły się poprzez nabywanie PBP od innych szczepów

Streptococcus



Drugim przykładem jest rozwój ogromnej zjadliwości

spowodowana rekombinacją. Serotyp 6B powoduje bardziej

inwazyjne choroby niż serotyp 6A



Trzecim przykładem jest zmieniany na szeroką skalę program

szczepień. Obecne szczepionki z powodzeniem zredukowały

choroby i zmniejszyły zasięg bakterii opornych na leki

antybakteryjne. Jednakże serotypy nie zagłuszone przez

szczepionkę mają tendencję wzrostową w kolonizacji i w

chorobach. Dodatkowo mogą następować zmiany serotypów

przez rekombinację u naturalnie zdolnych do transformacji

klonów i nabycie oporności kapsuły na szczepionkę

Transfer genu był potężnym narzędziem w ewolucji S.

pneumoniae.

Modyfikacja choroby:
komplikacje zaplenia płuc



S. pneumoniae jest zwykłym patogenem ropotwórczego

zapalenia płuc u dzieci. Wcześniejsze doświadczenia pokazały, że

płuca powracają do normy po pneumokokowym zapaleniu płuc,

pomimo powagi choroby w jej szczytowym stadium. Od czasu

wykorzystania penicyliny, zakażenie S. pneumonia rzadko

rozwijało się w ropniaka opłucnej lub martwicę płuc. Jednakże

wzrost komplikacji pneumokokowego zapalenia płuc (nekrotyczne

zapalenie płuc, ropień opłucnej, ropniak opłucnej) u dzieci

zauważalny jest do tej pory. Występowanie komplikacji zostało

powiązane z wydłużonym czasem trwania gorączki, większym

wymogiem tlenowym i dłuższymi pobytami w szpitalu. Wzrost

komplikacji nie jest bezpośrednio powiązany ze wzrostem

penicylinooporności. W Wlk. Brytanii serotyp 14 był najbardziej

powszechny w powodowaniu komplikacji zapalenia płuc,

natomiast po zastosowaniu siedmioskładnikowej szczepionki

serotypy 1 i 3 zaczęły powodować istotne komplikacje zapalenia

płuc. Serotyp 1 był szeroko rozpowszechniony w Europie Płn. jaki i

Ameryce Płn., a teraz stał się szeroko rozpowszechniany w

krajach rozwijających się.

Podsumowanie



Zdolność do poziomego transferu genów,
obecne zaawansowanie w terapii
antybakteryjnej i ograniczone serotypowo
szczepionki są niedostateczne do walki z
chorobami pneumokokowymi. W
przyszłości, lepsze zrozumienie
molekularnych oddziaływań na poziomi
komórkowym może odsłonić kurtynę do
stworzenia szczepionki białkowej i nowej
terapii modulacyjnej.