Characterization of a novel Escherichia coli IgA-binding antigen impairing neutrophil activation

Extraintestinal pathogenic Escherichia coli (ExPEC) possess a unique ability to cause disease outside the host intestinal tract and are responsible for a heterogeneous group of disorders, including urinary tract infections, sepsis and neonatal meningitis, that collectively cause considerable morbidity, lost productivity and high healthcare costs. Considering the incidence and also the increasing antibiotic resistance of ExPEC strains, the prevention of extraintestinal E. coli infections is of pressing concern from both the public health and economic perspectives. Since conventional attempts to develop a highly immunogenic, safe and polyvalent vaccine against ExPEC had failed, we decided to apply the reverse vaccinology approach for the identification of protective and broadly conserved vaccine antigens. Although some of the protective candidates have been previously described, most of them have just putative or hypothetical functions assigned and, therefore, their characterization could contribute to the understanding of ExPEC pathogenesis. In this study, vaccine antigen c5321 has been characterized. Besides being able to induce protection in a sepsis mouse model, it has been shown to be also immunogenic and specifically expressed in vivo during E. coli infection of the human urinary tract. Antigen expression has also been confirmed under in vitro conditions and has been found to be regulated by ion concentration. The determination of the crystal structure of the protein has revealed that c5321 is composed of twelve Sel1-like repeats (SLRs) stacked on top of each other forming an α/α-superhelix, which shows a high structural homology with a protein-protein recognition domain of human O-linked N-acetylglucosamine transferase and with Helicobacter cysteine-rich protein C. SLRs 3 and 4 have been found to participate in octahedral coordination of magnesium, suggesting that ions, in addition to regulating antigen expression, may also have a structural relevance. As many bacterial SLR proteins, c5321 has demonstrated a capability to interact with the host immune system and, in particular, with human immunoglobulins A (IgA), leading to the inhibition of IgA-mediated neutrophil activation, oxidative burst and chemotaxis. These data suggest that c5321 is a novel E. coli IgA-binding protein with specific immunomodulatory properties that could allow the bacterium to avoid clearance by impairing production of reactive oxygen species, as well as neutrophil recruitment to the infection site.

I ceppi patogeni extraintestinali di Escherichia coli (ExPEC) sono tipicamente in grado di infettare siti anatomici al di fuori del tratto gastrointestinale dell’ospite, dando luogo a un ampio spettro di malattie, quali le infezioni del tratto urinario, la sepsi e la meningite neonatale, che, complessivamente, sono responsabili di elevati tassi di morbilità, perdita di produttività e ingenti costi sanitari. A causa della crescente incidenza delle infezioni provocate dai ceppi ExPEC e dell’aumento della resistenza antibiotica, la prevenzione delle infezioni extraintestinali riveste un’importanza sempre maggiore sia in ambito sanitario che in ambito economico. Poiché gli approcci convenzionali si sono dimostrati inadeguati allo sviluppo di un vaccino polivalente, sicuro e altamente immunogenico contro i ceppi ExPEC, è stato scelto di applicare la “reverse vaccinology” per l’identificazione di antigeni vaccinici protettivi e ampiamente conservati. Sebbene alcuni dei candidati selezionati siano stati precedentemente descritti in letteratura, alla maggior parte di essi è stata assegnata soltanto una funzione putativa o ipotetica, pertanto la loro caratterizzazione può costituire uno strumento utile all’elucidazione dei meccanismi di patogenesi dei ceppi ExPEC. In questo studio, è stato caratterizzato l’antigene vaccinico c5321. Oltre a essere in grado di indurre protezione in un modello animale di sepsi, tale candidato ha dimostrato di essere anche immunogenico e specificamente espresso in vivo durante l’infezione del tratto urinario umano. L’espressione antigenica è stata, inoltre, confermata in vitro, rivelando un meccanismo di regolazione dipendente dalla concentrazione di ioni. La risoluzione della struttura cristallografica della proteina ha consentito di dimostrare che l’antigene c5321 è composto da dodici Sel1-like repeats (SLRs) che formano una super-α-elica avente un’elevata omologia strutturale con un dominio di riconoscimento proteico della N-acetilglucosamina transferasi umana e con l’antigene HcpC di Helicobacter pylori. Poiché si è osservato che le ripetizioni 3 e 4 sono implicate nella coordinazione ottaedrica di un atomo di magnesio, è possibile ipotizzare che gli ioni, oltre a rivestire un ruolo nella regolazione dell’espressione antigenica, possiedano anche una rilevanza a livello strutturale. Analogamente a molte proteine batteriche costituite da SLRs, l’antigene c5321 è in grado di interagire con il sistema immunitario dell’ospite e, in particolare, con le immunoglobuline umane di classe A (IgA), determinando un blocco dell’attivazione dei neutrofili mediata dalle IgA, nonché del burst ossidativo cellulare e della chemotassi. Il candidato vaccinico c5321 rappresenta, pertanto, un nuovo antigene di E. coli in grado di legare le IgA e dotato di specifiche proprietà immunomodulatorie che potrebbero consentire al batterio di eludere i meccanismi di eliminazione dell’ospite, mediante l’inibizione del burst respiratorio e del reclutamento dei neutrofili al sito d’infezione.