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Original title:
Characterizing the HopQ-CEACAM interaction of H. pylori infection 
Translated title:
Charakterisierung der Wechselwirkung zwischen HopQ und CEACAMs bei H. pylori-Infektion 
Year:
2020 
Document type:
Dissertation 
Institution:
Fakultät für Medizin 
Advisor:
Gerhard, Markus (Prof. Dr.) 
Referee:
Prazeres da Costa, Clarissa (Prof. Dr.); Singer, Bernhard B. (Priv.-Doz. Dr.) 
Language:
en 
Subject group:
MED Medizin 
Keywords:
bacterial adhesion, CagA delivery, CEACAM1, Helicobacter pylori, HopQ, host-pathogen interactions 
TUM classification:
MED 450d; MED 335d 
Abstract:
Helicobacter pylori infects half of the world’s population with chronic infection leading to peptic ulcer disease and gastric cancer. In fact, H. pylori is considered the leading cause of gastric cancer. The bacterium’s pathogenesis depends on a number of virulence factors, the first of which grant it the necessary acid resistance and motility needed to reach the gastric mucosa. Subsequently H. pylori intimately attaches to gastric epithelial cells and induces certain pathogenic effects. This is mainly mediated by the effector protein CagA that is translocated using a type IV secretion system machinery, with both virulence determinants encoded by the cag pathogenicity island. This thesis is mainly concerned with the attachment step. HopQ is a novel adhesin that has recently been described as essential for CagA translocation and phosphorylation. As such, the attachment of HopQ to its receptor CEACAM proteins constitutes a fundamental step in H. pylori pathogenesis and the development of H. pylori-associated diseases. Investigations into the structures of HopQ and CEACAMs allowed us to confirm the binding site and mechanism of interaction, with HopQ exhibiting an affinity for the same binding face of CEACAM proteins as a number of other pathogens’ adhesins. HopQ binding of CEACAMs is species specific, the structural basis of this was investigated too, with Rhesus macaque CEACAMs constituting a close evolutionary relative that lacked HopQ binding. Only a few key residues differ between human and Rhesus macaque, thus informing us about the key adaptations human CEACAMs and/or pathogens have made in order to develop this binding capacity. HopQ binding of CEACAMs is also polymorphic - two isoforms of HopQ exist, Type I and Type II; the latter isoform is commonly associated with cag negative strains. This isoform here demonstrated a selective lack of binding to CEACAM6, whose binding may be a disadvantage. CEACAMs’ HopQ-binding face is also their dimerization face, and this thesis describes how HopQ binding induced CEACAM1 monomerization as a result. CEACAM1’s oligomerization status dictates its signaling effects, and so HopQ binding would be expected to influence this. We further described HopQ’s reliance on cysteine-clasped loops for this binding, which echoed the structure and binding mechanism of the lectin H. pylori adhesin BabA, however the maintenance of these disulfides was not reliant on the Dsb-like HP0231. Unlike the BabA receptor Lewis b antigen, CEACAMs are not expressed in healthy stomachs, the upregulation of CEACAM1 over the course of disease is described here in a number of models, including the Rhesus macaque and murine animal models. Given the species specificity of HopQ to human CEACAMs, a number of humanized mouse models were tested, with a novel chimeric CEACAM1 mouse model developed. In these models, and in human biopsies, an H. pylori-mediated induction of CEACAM expression was clear; further study is needed to identify the exact signals for this induction. 
Translated abstract:
Die Hälfte der Weltbevölkerung ist mit Helicobacter pylori infiziert, was zu einer chronischen Infektion führen kann, die die Entstehung von Magengeschwüren und Magenkrebs begünstigt. H. pylori wird als eine der Hauptursachen für Magenkrebs betrachtet. Die Pathogenität des Bakteriums hängt von einer Reihe von Virulenzfaktoren ab, von denen der erste ihm die notwendige Säurebeständigkeit und Motilität verleiht, die erforderlich ist, um die Magenschleimhaut zu erreichen. Anschließend bindet H. pylori an die Magenepithelzellen und induziert pathogene Effekte. Dies wird hauptsächlich durch das Effektorprotein CagA vermittelt, das unter Verwendung einer Typ IV-Sekretionssystemmaschinerie transloziert wird, wobei beide Virulenzdeterminanten von der cag-Pathogenitätsinsel codiert werden. Diese Arbeit befasst sich hauptsächlich mit dem Bindungsschritt von H. pylori. HopQ ist ein neuartiges Adhäsin, das kürzlich als essentiell für die CagA-Translokation sowie -Phosphorylierung beschrieben wurde. Die Bindung von HopQ an seine Rezeptor CEACAM Proteine ist ein grundlegender Schritt in der Pathogenese von H. pylori und der Entwicklung von H. pylori-assoziierten Krankheiten. Untersuchungen der Strukturen von HopQ und CEACAMs ermöglichte es uns, die Bindungsstelle und den Mechanismus der Wechselwirkung zu bestätigen, wobei HopQ eine Affinität für dieselbe Bindungsfläche von CEACAM Proteinen zeigte, wie eine Reihe von Adhäsinen anderen Erregern. Die HopQ-CEACAM Bindung ist speziesspezifisch. Die strukturelle Grundlage hierfür wurde ebenfalls untersucht, wobei CEACAMs von Rhesus-Makaken zwar einen engen evolutionären Verwandten darstellen, dem jedoch die HopQ-Bindung fehlt. Nur wenige Schlüsselstellen unterscheiden sich zwischen menschlichem und Rhesus-Makaken, was uns über die entscheidende Anpassung informiert, die menschliche CEACAMs und / oder Pathogene vorgenommen haben, um diese Bindungskapazität zu entwickeln. Die HopQ-Bindung von CEACAMs ist polymorph - es existieren zwei Isoformen von HopQ: Typ I und Typ II. Die letztere Isoform ist üblicherweise mit cag-negativen Stämmen assoziiert. Diese Isoform zeigte hier einen selektiven Bindungsmangel an CEACAM6, dessen Bindung nachteilig sein kann. Die HopQ-Bindungsfläche von CEACAMs ist auch deren Dimerisierungsfläche, und diese Arbeit beschreibt, wie die HopQ-Bindung als Ergebnis die CEACAM1-Monomerisierung induzierte. Der Oligomerisierungsstatus von CEACAM1 bestimmt die Signaleffekte. Daher wird erwartet, dass die HopQ-Bindung dies beeinflusst. Wir haben weiter beschrieben, dass HopQ für diese Bindung auf Cystein-umschlossene Schleifen angewiesen ist, was die Struktur und den Bindungsmechanismus des Lektins H. pylori-Adhäsin BabA widerspiegelt. Die Aufrechterhaltung dieser Disulfide war jedoch nicht auf das Dsb-ähnliche HP0231 angewiesen. Im Gegensatz zum BabA-Rezeptor Lewis b Antigen, werden CEACAMs nicht in gesunden Mägen exprimiert. Die Hochregulation von CEACAM1 im Verlauf der Krankheit wird hier in einer Reihe von Modellen beschrieben, einschließlich der Rhesus-Makaken- und Maus-Modellen. Angesichts der Speziesspezifität von HopQ für humane CEACAMs wurde eine Reihe humanisierter Mausmodelle getestet und ein neues chimäres CEACAM1-Mausmodell entwickelt. In diesen Modellen und in menschlichen Biopsien war eine H. pylori-vermittelte Induktion der CEACAM-Expression sichtbar. Weitere Studien sind erforderlich, um die genauen Signale für diese Induktion zu identifizieren. 
Oral examination:
10.09.2020 
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133 
Last change:
29.09.2020