Umeå universitets logga

Borrelia burgdorferi is an elongated and helically shaped bacterium that is the causal agent of the tick-borne illness Lyme disease. The disease manifests with initial flu-like symptoms and, in many cases, the appearance of a skin rash called erythema migrans at the site of the tick bite. If left untreated the disease might cause impairment of various organs such as the skin, heart, joints and the nervous system. The bacteria have a parasitic lifestyle and are always present within a host. Hosts are usually ticks or different animals and birds that serve as reservoirs for infection. B. burgdorferi are unable to synthesize building blocks for many vital cellular processes and are therefore highly dependent on their surroundings to obtain nutrients. Because of this, porins situated in the outer membrane, involved in nutrient uptake, are believed to be very important for B. burgdorferi. Except for a role in nutrient acquisition, porins can also have a function in binding extracellular matrix proteins, such as integrins, and have also been implicated in bacterial adaptation to new environments with variations in osmotic pressure.

P13 and P66 are two integral outer membrane proteins in B. burgdorferi previously shown to have porin activities. In addition to its porin function, P66 also has integrin binding activity. In this thesis, oligomeric structures formed by the P13 and P66 protein complexes were studied using the Black lipid bilayer technique in combination with nonelectrolytes. Initial attempts were also made to study the structure of P13 in Nanodiscs, whereby membrane proteins can insert into artificial lipid bilayers in their native state and the structure can be analyzed by electron microscopy. In addition, the role of P13 and P66 in B. burgdorferi osmotic stress adaptation was examined and also the importance and role of the integrin-binding activity of P66 in B. burgdorferi infections in mice.

Using Black lipid bilayer studies, the pore forming activity of P13 was shown to be much smaller than previously thought, exhibiting activity at 0.6 nS. The complex formed by P13 was approximately 300 kDa and solely composed of P13 monomers. The channel size was calculated to be roughly 1.4 nm. Initial Nanodisc experiments showed a pore size of 1.3 nm, confirming the pore size determined by Black lipid bilayer experiments. P66 form pores with a single channel conductance of 11 nS and a channel size of 1.9 nm. The porin assembles in the outer membrane into a large protein complex of 420 kDa, containing exclusively P66 monomers. The integrin-binding function of P66 was found to be important for efficient bacterial dissemination in the murine host but was not essential for B. burgdorferi infectivity. Neither P13 nor P66 had an active role in osmotic stress adaptation. Instead, two p13 paralogs were up-regulated at the transcript level in B. burgdorferi cultured under glycerol-induced osmotic stress.

Borrelia burgdorferi är en bakterie med många unika egenskaper som orsakar sjukdomen Lyme borrelios. Borrelia kan idag lätt behandlas med antibiotika om sjukdomen upptäcks i ett tidigt stadium. Det är först om sjukdomen tillåts fortgå som symptom som nervsmärta och ansiktsförlamning kan uppstå och dessutom vara svåra att koppla till en Borrelia-infektion. Multiresistenta bakterier har blivit en stor del av vår vardag och även om Borrelia-bakterierna idag inte är resistenta mot flertalet antibiotika är det kanske speciellt viktigt, innan det är för sent, med forskning som kan leda till upptäckter av unika angreppsställen för nya läkemedel.

Målet med denna avhandling var att studera hur två Borrelia proteiner, P13 och P66, ser ut, är uppbyggda och även vilken funktion de har. Dessa proteiner är tänkbara vaccinkandidater eftersom de sitter i yttre membranet hos bakterierna och sticker ut på ytan mot våra värdceller, vilket gör att vi reagerar mot dem vid en infektion. P13 och P66 är också viktiga kanaler för bakterierna vid upptag av näringsämnen och byggstenar från omgivningen. Ämnen som bakterierna inte kan producera själva. Pga. denna funktion är P13 och P66 tänkbara proteiner för blockering med ett läkemedel som skulle förhindra bakterien från att föröka sig i och med att de förlorar möjligheten att tillgodogöra sig näring. Detta i sin tur skulle leda till att vårt eget immunförsvar hinner rensa undan bakterierna innan infektionen blivit för stor och vi blivit sjuka. P66 har förutom porin funktionen även en adhesions funktion när proteinet kan binda integriner som sitter på olika typer av celler i vår kropp, bl. a. immunceller och epitelceller i våra blodkärl och vävnader. Den integrin bindande funktionen är viktig för bakterierna vid en infektion eftersom det gör det möjligt för bakterierna att binda till våra celler. Ett steg som är viktigt för att de senare ska kunna ta sig ut från blodkärlen till våra vävnader.

P13 och P66 visade sig kunna bilda stora proteinkomplex i ytter membranet hos bakterierna med en storlek på 300 kDa respektive 420 kDa. De är inga specifika poriner som bara kan transportera en viss typ av molekyl med t.ex. en viss laddning, utan kan ombesörja upptaget av många olika typer av ämnen. Eliminering av p66 orsakade att ett annat adhesionsprotein, uppreglerades. En omplacering av ett normalt cytoplasmatiskt lokaliserat chaperon-protein till ytter-membranet hos bakterierna kunde också ses i frånvaro av P66. Chaperonet GroEL har i andra bakterier, bl. a. Helicobacter pylori, bakterien som orsakar magsår, beskrivits som ett protein som kan förflytta sig till ytan av bakterierna och där ha en liknande funktion som P66, dvs. att binda extracellulära matrisprotein. Förändringen i uttryck av adhesionsproteinet och förflyttningen av chaperonet till membranet var en följd av p66-eliminering och mest troligt ett sätt för bakterierna att komplettera den förlorade integrinbindande funktionen av P66.

Det har tidigare visats att poriner är involverade i skyddet mot osmotisk stress i andra bakterier. Denna funktion hos P13 och P66 i Borrelia kunde inte ses när bakterier utsattes för osmotisk stress med glycerol, som orsakar en form av membranstress. Däremot kunde vi med hjälp av transkriptomanalys se att Borrelia-bakterier uppreglerade transkriptionen av två paraloger till P13 vid hyper-osmotisk stress. Borrelia bakteriens användning av dessa paraloga proteiner har tidigare trotts ske enbart i frånvaro av ett funktionellt P13 protein. Nu visade det sig att P13-paraloger har en egen funktion även i närvaro av P13, nämligen att vara involverade i regleringen av hyperosmotisk stress och därmed skydda bakterierna i denna stressituation. Andra gener som påverkades av osmotisk stress med glycerol var gener för stressfaktorer och pumpar i inre membranet hos bakterien.