Structure and functions of the adhesion complex and P116 potein of Mycoplasma pneumoniae and Mycoplasma genitalium

Abstract

Mycoplasma genitalium (Mge) és un bacteri de transmissió sexual implicat en diverses patologies urogenitals com la uretritis en homes i cervicitis i malaltia inflamatòria pèlvica en dones. A més, Mge s'ha associat amb el part prematur, l'avortament espontani i l'adquisició del VIH. D'altra banda, Mycoplasma pneumoniae (Mpn) és un patogen humà responsable de les infeccions del tracte respiratori superior i inferior. S'estima que aquest bacteri és responsable de fins al 40% de les pneumònies adquirides a la comunitat en persones de totes les edats. Notablement, a diferència d'altres patògens respiratoris importants, encara no hi ha una vacuna per aquest patogen. Mge i Mpn tenen el genoma més petit de qualsevol microorganisme capaç d'autoreplicar-se i l'interès per aquest patogen està augmentant en els últims anys a causa de la seva creixent prevalença. En aquest context, la ràpida aparició de resistència als antibiòtics documentada tant en Mpn com en Mge, també posa l'accent en la urgència per al desenvolupament d'estratègies terapèutiques alternatives. Molts patògens bacterians depenen d'estructures superficials dedicades i capaces de mediar l'adhesió als receptors diana de l'hoste per establir infeccions reeixides. L'adhesió de Mge i Mpn a les cèl·lules diana hostes està mediada a través d'un complex d'adhesió anomenat Nap, que és essencial per a la infectivitat. El Nap és un dímer transmembrana format per heterodímers de dues adhesines, ortòlogues entre ambdues espècies, que medien l'adhesió als receptors sialidats. En els capítols I, II, III i IV d'aquesta tesi, hem estudiat en profunditat la funció del principal complex d'adhesió de Mge i Mpn, aconseguint una millor comprensió dels mecanismes d'adherència i motilitat per lliscament d'aquests patògens humans. Amb aquesta finalitat, hem utilitzat eines de biologia molecular i anàlisis in vivo combinades amb informació estructural obtinguda per cristal·lografia, Cryo-EM, Cryo-ET, espectroscòpia RMN i estudis computacionals. La informació obtinguda podria obrir el camí al desenvolupament de noves estratègies per combatre aquestes infeccions bacterianes basades en la inhibició de l’adherència. D'altra banda, al capítol VI, hem aportat un anàlisi estructural i funcional exhaustiva de la proteïna P116 de Mpn no caracteritzada prèviament, demostrant que aquesta proteïna no és una adhesina, obrint així el camí per determinar la seva funció. En conjunt, aquest estudi proporciona una caracterització extensa del mecanisme de motilitat i l'adhesió a les cèl·lules epitelials diana que presenten Mge i Mpn. A més, aquests resultats poden ampliar el coneixement sobre la interacció d'aquests bacteris amb les cèl·lules diana humanes, oferint coneixements funcionals importants i noves possibles estratègies terapèutiques per controlar les infeccions per micoplasmes.

Mycoplasma genitalium (Mge) es una bacteria de transmisión sexual implicada en diversas patologías urogenitales como la uretritis en hombres y cervicitis y enfermedad inflamatoria pélvica en mujeres. Además, Mge se ha asociado con el parto prematuro, el aborto espontáneo y la adquisición del VIH. Por su parte, Mycoplasma pneumoniae (Mpn) es un patógeno humano responsable de las infecciones del tracto respiratorio superior e inferior. Se estima que esta bacteria es responsable de hasta el 40% de las neumonías adquiridas en la comunidad en personas de todas las edades. Notablemente, a diferencia de otros patógenos respiratorios importantes, todavía no existe una vacuna para este patógeno. Mge y Mpn tienen el genoma más pequeño de cualquier microorganismo capaz de autorreplicarse y el interés por este patógeno está aumentando en los últimos años debido a su creciente prevalencia. En este contexto, la rápida aparición de resistencia a los antibióticos documentada tanto en Mpn como en Mge también pone el acento en la urgencia para el desarrollo de estrategias terapéuticas alternativas. Muchos patógenos bacterianos dependen de estructuras superficiales dedicadas y capaces de mediar la adhesión a los receptores diana del huésped para establecer infecciones exitosas. La adhesión de Mge y Mpn a las células diana huéspedes está mediada a través de un complejo de adhesión llamado Nap, que es esencial para la infectividad. El Nap es un dímero transmembrana formado por heterodímeros de dos adhesinas, ortólogas entre ambas especies, que median la adhesión a los receptores sialidados. En los capítulos I, II, III y IV de esta tesis, hemos estudiado en profundidad la función del principal complejo de adhesión de Mge y Mpn, consiguiendo una mejor comprensión de los mecanismos de adherencia y motilidad por deslizamiento de estos patógenos humanos. Para ello, hemos utilizado herramientas de biología molecular y análisis in vivo combinadas con información estructural obtenida por cristalografía, Cryo-EM, Cryo-ET, espectroscopia RMN y estudios computacionales. La información obtenida podría abrir el camino al desarrollo de nuevas estrategias para combatir estas infecciones bacterianas basadas en la inhibición de la adherencia. Por otra parte, en el capítulo VI, hemos aportado un análisis estructural y funcional exhaustivo de la proteína P116 de Mpn no caracterizada previamente, demostrando que esta proteína no es una adhesina, abriendo así el camino para determinar su función. En conjunto, este estudio proporciona una extensa caracterización del mecanismo de motilidad y la adhesión a las células epiteliales diana que presentan Mge y Mpn. Además, estos hallazgos pueden ampliar el conocimiento sobre la interacción de estas bacterias con las células diana humanas, ofreciendo conocimientos funcionales importantes y nuevas posibles estrategias terapéuticas para controlar las infecciones por micoplasmas.

Mycoplasma genitalium (Mge) is a sexually transmitted bacterium that has been implicated in several urogenital pathologies such as urethritis in men and cervicitis and pelvic inflammatory disease in women. Additionally, Mge has been associated with preterm birth, spontaneous abortion and HIV acquisition. On the other hand, Mycoplasma pneumoniae (Mpn) is a human pathogen responsible for upper and lower respiratory tract infections. It is estimated that this bacterium is responsible for up to 40% of community-acquired pneumonias in persons of all ages. Remarkably, in contrast to other important respiratory pathogens, a vaccine for Mpn is not yet available. Mge and Mpn have the smallest genome of any microorganism capable of self-replication and the interest in this pathogen is rising in recent years due to its increasing prevalence. In this context, the rapid emergence of antibiotic resistance documented in both, Mpn and Mge, also emphasizes the urgency for the development of alternative therapeutic strategies. Many bacterial pathogens rely on dedicated surface structures capable of mediating adhesion to host target receptors to establish successful infections. Adherence of Mge and Mpn to host target cells is mediated through an adhesion complex called Nap, which is essential for infectivity. The Nap is a transmembrane dimer of heterodimers comprising two cytadhesins, orthologues between both species, that mediate attachment to sialylated glycan receptors. In chapters I, II, III and IV we have studied in depth the function of the main adhesion complex of Mge and Mpn, gaining a better understanding of the mechanisms of adherence and gliding motility of these human pathogens. For this purpose, we have used molecular biology tools and in vivo analysis combined with structural information obtained by crystallography, Cryo-EM, Cryo-ET, NMR spectroscopy and computational studies. The information obtained, could pave the way to the development of novel strategies to combat these bacterial infections based on cytoadherence inhibition. On the other hand, in chapter VI, we have reported a comprehensive structural and functional analysis of the previously uncharacterized protein P116 of Mpn, demonstrating that this protein is not an adhesin and paved the way to determine its function. Altogether, this thesis dissertation provides an extensive characterization of the gliding motility mechanism and adherence to host target epithelial cells that Mge and Mpn present. In addition, our findings enlighten the interplay of these bacteria with human target cells, offering important mechanistic insights and new possible therapeutic strategies to control mycoplasma infections.