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Exploring bacterial binding to receptors of the CEACAM family as a basis for translational approaches

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Zusammenfassung

Carcinoembryonic antigen-related cell adhesion molecules (CEACAMs), expressed on human epithelia, are engaged by several Gram-negative human-restricted pathogens, including Neisseria gonorrhoeae. In detail,N. gonorrhoeae, the causative agent of gonorrhea, expresses several colony opacity (Opa) proteins that interact with the amino-terminal domain of epithelial CEACAMs (CEACAM1, CEA and CEACAM6). Accordingly, the interaction of gonococcal Opa proteins and CEACAMs enables N. gonorrhoeae to colonize human mucosal surfaces. In contrast to the benefit N. gonorrhoeae gains by binding to epithelial CEACAMs, binding of Opa proteins to the granulocyte receptor CEACAM3, results in bacterial phagocytosis and destruction. In the first part of the study we summarized the CEACAM3-mediated internalization and killing of bacteria and compared the CEACAM3-signaling pathways to the well-studied Fcγ receptors (FcγRs) and Dectin-1.
CEACAM3-mediated elimination of gonococci, might contribute to the fact that most gonococcal infections are local. Though, in rare cases, gonococci enter the bloodstream and cause systemic or disseminating gonococcal infections (DGI). Here we analyzed the CEACAM3-binding capacity of the DGI strain VP1. Accordingly, we identified the whole repertoire of VP1 opa genes and constitutively expressed them in Escherichia coli. Strikingly, several VP1 Opa proteins interacted with epithelial CEACAMs, but not a single VP1 Opa protein bound to the phagocyte receptor CEACAM3. Thus, E. coli expressing VP1 Opa proteins were not phagocytosed and eliminated by human granulocytes. Furthermore, the analysis of Opa variants from four additional clinical DGI isolates again demonstrated a lack of CEACAM3-binding. In conclusion, our results suggest that CEACAM3-avoidance of N. gonorrhoeae could be one factor that contributes to DGI.

A major challenge for the treatment of gonorrhea is the emergence of multi-drug resistant gonococcal strains. In line with this, the investigation of additional treatment options is essential. Here, we tested a novel passive immunization approach which is based on the opsonin-dependent, FcγR-mediated phagocytosis of CEACAM-binding gonococci by human granulocytes. Precisely, we opsonized CEA-binding N. gonorrhoeae strains, including a multi-drug resistant strain, with soluble CEA-Fc fusion proteins. Importantly, we demonstrated that CEA-Fc opsonized gonococci are taken up into FcγR-expressing human cells as well as into human granulocytes. Phagocytosis of CEA-Fc opsonized gonococci by granulocytes resulted in an oxidative burst response and bacterial destruction. Thus, CEA-Fc fusion proteins could be a starting point for the development of novel therapeutics against antibiotic-resistant gonococci.

CEACAM orthologues are also expressed in other mammals, but no bacterial ligands have been identified for non-human CEACAMs. Another aim of this study was to search for CEACAM-binding bacteria in rhesus monkey. For that purpose, we generated a soluble construct of the macaque orthologue of human CEA and developed a cultivation-independent screen to enrich a pool of macaque stool samples for macaque CEA-binding bacteria. By 16S rRNA gene pyrosequencing we identified several bacteria, belonging to the genus Prevotella, to be potential macaque CEA-binding bacteria. Biochemical approaches confirmed the interaction of Prevotella and macaque CEA. Unexpectedly, Prevotella also bound to several human CEACAMs, but not to CEACAMs from more distantly related mammals. Our observations indicate that CEACAM-engagement is species-specific and might contribute to the specific microbiota of different mammalian hosts.

Altogether, the findings obtained in this study allow new insights in gonococcal pathogenicity and provide a basis for novel translational research approaches.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Mehrere Gram-negative humanspezifische Krankheitserreger, wie zum Beispiel Neisseria gonorrhoeae, interagieren mit Rezeptoren der CEACAM-Familie, welche von humanen Epithelien exprimiert werden. N. gonorrhoeae, Verursacher der Gonorrhö, exprimiert mehrere Opa-Proteine, die mit den aminoterminalen Rezeptordomänen von epithelialen CEACAMs interagieren (CEACAM1, CEA und CEACAM6). Demzufolge ermöglicht die Interaktion mit epithelialen CEACAMs N. gonorrhoeae, die menschliche Schleimhaut zu kolonisieren. Im Gegensatz dazu führt die Bindung von Opa-Proteinen an CEACAM3, das ausschließlich auf Granulozyten exprimiert wird, zur Aufnahme und Abtötung der Bakterien. Im ersten Teil dieser Arbeit wird die CEACAM3-vermittelte Aufnahme und Abtötung von Bakterien zusammengefasst und mit anderen Rezeptoren, wie dem Fcγ-Rezeptor und Dectin-1, verglichen.

Die CEACAM3-vermittelte Eliminierung von Bakterien könnte dazu beitragen, dass Gonokokken meist nur lokale Infektionen auslösen. Allerdings können Gonokokken in seltenen Fällen auch in die Blutbahn gelangen und disseminierte Erkrankungen auslösen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde deshalb analysiert, ob der Stamm N. gonorrhoeae VP1, der für disseminierte Krankheitsverläufe verantwortlich ist, an CEACAM3 bindet. Dazu wurden alle Opa-Proteine des Stammes VP1 identifiziert und konstitutiv in Escherichia coli exprimiert. Interessanterweise interagierten mehrere VP1 Opa-Proteine mit epithelialen CEACAMs, aber kein VP1 Opa-Protein mit dem Phagozytoserezeptor CEACAM3. Folglich wurden E. coli, welche VP1 Opa-Proteine exprimierten, auch nicht von Granulozyten aufgenommen und eliminiert. Des Weiteren interagierten Opa-Protein-Varianten vier weiterer Gonokokken-Stämme, die disseminierte Infektionen auslösen, ebenfalls nicht mit CEACAM3. Zusammenfassend unterstützt das Ergebnis dieser Untersuchung die Hypothese, dass Gonokokken, die disseminierte Erkrankungen auslösen, der CEACAM3-basierten Erkennung durch Granulozyten entgehen können.

Eine große Herausforderung bei der Behandlung von Gonorrhö ist das Aufkommen von multiresistenten Stämmen, weshalb die Entwicklung neuer Behandlungsmethoden essentiell ist. In der vorliegenden Arbeit wurde deshalb ein neuer Ansatz für passive Immunisierung getestet, der auf der opsoninabhängigen, Fcγ-vermittelten Aufnahme von CEACAM-bindenden Gonokokken durch Granulozyten basiert. Folglich wurden CEA-bindende Gonokokken-Stämme, darunter auch ein multiresistenter Stamm, mit löslichen CEA-Fc Fusionsproteinen opsoniert. Interessanterweise führte diese Opsonisierung zur Aufnahme der Gonokokken in Fcγ-exprimierende humane Zellen, sowie in humane Granulozyten. Die Aufnahme in humane Granulozyten löste wiederum das Entstehen reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) und letztendlich die Abtötung der Gonokokken aus. Zusammenfassend könnten CEA-Fc Fusionsproteine deshalb einen interessanten Ansatzpunkt für die Entwicklung neuer Behandlungsmethoden gegen antibiotikaresistente Stämme darstellen.

CEACAM-Orthologe werden, neben dem Menschen, auch von anderen Säugetieren exprimiert, allerdings wurden bis jetzt keine Bakterien identifiziert, die mit nicht-menschlichen CEACAMs interagieren. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit bestand deshalb darin, CEACAM-bindende Bakterien im Rhesusaffen zu identifizieren. Dazu wurde ein lösliches CEA-Konstrukt des Rhesusaffen hergestellt und eine kultivierungsunabhängige Methode zur Anreicherung von CEACAM-bindenden Bakterien aus einem Pool von Rhesusaffenstuhlproben, entwickelt. Mittels 16S rRNA Pyrosequenzierung konnten mehrere Bakterien der Gattung Prevotella als CEACAM-bindende Bakterien identifiziert werden. Zusätzlich wurde die Interaktion von verschiedenen Prevotellen und dem Rhesusaffen-CEA durch biochemische Ansätze verifiziert. Überraschenderweise konnten diese Prevotellen auch mit humanen CEACAMs interagieren, jedoch nicht mit CEACAMs entfernt verwandterer Säugetiere. Unsere Beobachtungen weisen deshalb daraufhin, dass die CEACAM-Bindung verschiedener Bakterien speziesspezifisch ist und zur spezifischen Mikrobiota verschiedener Säugetierarten beitragen könnte.

Zusammengefasst, liefern die Befunde in der vorliegenden Arbeit neue Einblicke in die Pathogenität von Gonokokken und eröffnen neue Möglichkeiten für translationale Forschungsansätze.

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570 Biowissenschaften, Biologie

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ISO 690ROTH, Alexandra, 2013. Exploring bacterial binding to receptors of the CEACAM family as a basis for translational approaches [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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August 16, 2013
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