Mechanisms underlying subversion of host immunity by Bordetella pertussis

Abstract

Bordetella pertussis is a Gram-negative human-adapted pathogen of the respiratory tract and the causative agent of the whooping cough (pertussis) illness. The bacterium produces a number of virulence factors, of which adenylate cyclase toxin (ACT) and pertussis toxin (PT) play important roles in manipulation of host immune response and establishment of the early catarrhal stage of infection. Although the toxins exert their cytotoxic activity by elevation of intracellular cAMP levels, both are distinct from each other in terms of their structures, mechanisms of secretion and cell intoxication, as well as in their ability to modulate the adaptive immune response of the host. The aim of this thesis was to determine the structure- function relationship underlying the mechanism of the Type I secretion system (T1SS)- mediated secretion of ACT and to decipher the immunomodulatory properties of ACT and PT in the course of B. pertussis infection. Integrative structural biology approaches revealed that the RTX domain of ACT consists of a contiguous assembly of five Ca2+ -loaded β-roll blocks, whose co-secretional folding constitute an intramolecular Brownian ratchet that prevents backsliding of the translocating polypeptide in the T1SS conduit, thus accelerating the secretion of ACT from bacterial cells by a...

Bordetella pertussis, původce černého kašle (známého také jako dávivý kašel nebo pertuse), je gramnegativní respirační patogen, adaptovaný na člověka. Tato bakterie produkuje řadu faktorů virulence, z nichž adenylátcyklázový toxin (ACT) a pertusový toxin (PT) hrají významnou roli při manipulaci s imunitní odpovědí hostitele v raném katarálním stádiu infekce. Ačkoli oba toxiny uplatňují svou cytotoxickou aktivitu zvyšováním hladiny cAMP uvnitř buněk, liší se od sebe navzájem svou strukturou, mechanismem sekrece i způsobem intoxikace buněk, stejně tak jako svou schopností modulovat hostitelovu adaptivní imunitní odpověď. Cílem této práce bylo definovat vztah mezi strukturou a funkcí ACT, určující mechanismus sekrece ACT sekrečním systémem typu I (T1SS), a dále rozklíčovat imunomodulační vlastnosti ACT a PT v průběhu infekce bakterií B. pertussis. Integrací různých strukturně-biologických přístupů bylo odhaleno, že RTX doména ACT sestává ze souvislého uskupení pěti β-šroubovicových bloků s navázanými Ca2+ ionty, jejichž skládáním během sekrece se vytváří vnitromolekulová Brownovská západka, zabraňující zpětnému vklouznutí sekretovaného polypeptidu do sekrečního kanálu T1SS. Tímto se urychluje sekrece ACT z bakteriálních buněk pomocí směrovaného mechanismu "vytlačování-západka". Experimentální infekce...