The role of the DNA uptake machinery in the virulence of Aggregatibacter actinomycetemcomitans

Abstract

Biofilm infections pose a significant health threat owing to their increased resistance to antibiotics. The oral inflammatory disease periodontitis is caused by a multispecies biofilm. One species associated with periodontitis is the opportunistic pathogen Aggregatibacter actinomycetemcomitans. It produces various virulence factors that contribute to its pathogenicity and survival in the host. The species has been shown to bind and internalize human cytokines, which affect the biofilm composition. Cytokine uptake has the potential to alter host immune responses and bacterial gene expression. Recently it has been suggested that cytokine and DNA uptake could be linked in a naturally competent A. actinomycetemcomitans strain.

This study aimed to provide new knowledge on cytokine binding and uptake, and their proposed connection with DNA uptake in the naturally competent A. actinomycetemcomitans strain D7S. The focus was on two previously studied cytokine-binding outer membrane proteins, the secretin HofQ and the lipoprotein BilRI, along with a type IV pilin homolog, PilA. The functions of PilA have not been previously studied, apart from the discovery that pilA is an essential competence gene. However, type IV pili have been recognized as important virulence factors. Another aim was to study how cytokines alter bacterial gene expression.

This study shows that hofQ and bilRI are involved in the competence of A. actinomycetemcomitans, and that PilA interacts with human cytokines, similar to HofQ and BilRI. The results support the hypothesis that the uptake of cytokines and DNA may occur via the same mechanism. The gene expression studies did not show differences between cytokine-treated and control cultures. However, removal of pilA or hofQ, which are essential for competence, altered gene expression in the competent strain. The changes suggested decreased biofilm formation and virulence.

In addition to cytokine interactions, PilA interacted with human leukocytes. The virulence properties of PilA make it a potential drug target. Meanwhile, BilRI might be involved in survival outside the host, as the activity of the bilRI promoter was increased at lowered temperatures. However, future studies are required to clarify the full potential of PilA and BilRI as virulence factors and the link between cytokine and DNA uptake.

<b>DNA:n sisäänottokoneiston merkitys Aggregatibacter actinomycetemcomitansin taudinaiheuttamiskyvylle</b>

Biofilmien aiheuttamat infektiot, kuten tulehduksellinen suusairaus parodontiitti, ovat merkittävä terveysuhka, sillä antibiootit eivät toimi niitä vastaan tehokkaasti. Yksi parodontiitin mikrobeista on opportunistinen patogeeni Aggregatibacter actinomycetemcomitans, jonka monet virulenssitekijät edistävät patogeenisyyttä. Laji pystyy sitomaan ja ottamaan sisäänsä sytokiineja, mikä vaikuttaa biofilmin koostumukseen. Sytokiinien sisäänotto voi muokata isännän immuunipuolustuksen toimintaa ja bakteerin geeniekspressiota. Sytokiinien sisäänotto on myös yhdistetty DNA:n sisäänottoon transformaatiokykyisessä A. actinomycetemcomitans kannassa. Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää sytokiinien ja DNA:n sisäänoton yhteyttä.

Tutkimuksen keskiössä oli kaksi sytokiineja sitovaa ulkokalvon proteiinia, kanavaproteiini HofQ ja lipoproteiini BilRI, sekä tyypin IV piluksen kaltainen PilA. Aikaisemmin pilA-geenin on osoitettu olevan välttämätön transformaatiolle, mutta proteiinin funktiota ei ole tutkittu. Tyypin IV pilukset ovat kuitenkin tärkeitä virulenssitekijöitä monilla bakteereilla. Tavoitteena oli myös tutkia sytokiinien vaikutusta bakteerin geeniekspressioon.

Tutkimuksessa osoitettiin, että hofQ ja bilRI vaikuttavat transformaatiokykyyn, ja että PilA sitoo sytokiineja HofQ:n ja BilRI:n tavoin. Tulokset tukevat aikaisempaa hypoteesia siitä, että sytokiinien ja DNA:n sisäänotto voisi tapahtua samalla mekanismilla. Geeniekspressiotutkimuksissa ei havaittu eroa sytokiinikäsiteltyjen ja kontrollikasvatusten välillä, mutta pilA- tai hofQ-geenin poistaminen vaikutti transformaatiokykyisen kannan geeniekspressioon. Muutokset geeniekspressiossa viittasivat heikentyneeseen biofilmin muodostukseen ja taudinaiheuttamiskykyyn.

Sytokiinien lisäksi myös leukosyyttien ja PilA:n välillä havaittiin vuorovaikutuksia. Tutkimuksen tulokset viittaavat siihen, että PilA on mahdollinen virulenssitekijä ja siten uusien mikrobilääkkeiden kohdeproteiini. Sen sijaan BilRI edistää mahdollisesti bakteerin selviämistä isännän ulkopuolella, sillä bilRI-geenin promootterialueen aktiivisuus kasvoi, kun lämpötilaa laskettiin. Lisätutkimuksia kuitenkin vaaditaan selvittämään PilA:n ja BilRI:n virulenssiominaisuuksia ja sytokiinien ja DNA:n sisäänoton yhteyttä