Exploring the genetic and functional diversity of $\textit{Porphyromonas gingivalis}$ long fimbriae

Meyer, Hendrik Leonhard; van der Linden, Mark; Conrads, Georg

doi:43687

Exploring the genetic and functional diversity of $\textit{Porphyromonas gingivalis}$ long fimbriae

Meyer, Hendrik Leonhard^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Hendrik Leonhard Meyer

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak10

Hauptberichter/Gutachter
Conrads, Georg (Thesis advisor)^RWTH* ; van der Linden, Mark (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-06-13

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-07523
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/990842/files/990842.pdf

Einrichtungen

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 610

Kurzfassung
Porphyromonas gingivalis ist ein „Schlüsselerreger“ für das Entstehen einer Parodontitis. Ein „Schlüsselerreger“ ist in der Lage, ein gutartiges Mikrobiom in ein dysbiotisches Mikrobiom zu verwandeln, auch wenn er nur in geringen Mengen im Biofilm vorhanden ist. Einer der wichtigsten Virulenzfaktoren dieses Pathogens sind die langen Fimbrien. Lange Fimbrien bestehen aus einem einzelnen Anker (FimB), einer unterschiedlichen Anzahl von Stielen (FimA) und drei akzessorischen (spitzenbezogenen) Proteinen (FimC, FimD und FimE). Das Ziel dieser Publikation war, die Vielfalt innerhalb von FimA und FimB zu untersuchen und die unterschiedlichen Super-Strukturen der langen Fimbrien zu erklären. Dafür wurden 34 P. gingivalis-Isolate aus unserer eigenen Stammsammlung analysiert und sequenziert. Die Isolate stammten aus unterschiedlichen Ländern und Kontinenten (Kenia, Indonesien, USA, Kanada, Deutschland, England), sowie von Tieren (Affen, Hunde und Katzen). 99 weitere fimSequenzen wurden aus der GenBank des „National Center for Biotechnology Information“ (NCBI) heruntergeladen und mit unseren Ergebnissen kombiniert. Für die Sequenzierung des fimA-Gens wurde der neue Vorwärtsprimer „fimAnewF“ entwickelt und mit dem bereits publizierten Rückwärtsprimer „fimAunivR“ kombiniert. Auf diese Weise konnten wir fimA einschließlich seiner Leader-Region für alle Genotypen und Serotypen amplifizieren und sequenzieren. Im Anschluss wurden phylogenetische Bäume für fimA und FimA erstellt. Die Phylogenie von fimA/FimA ergab zwei neue Subtypen (IIa und IIb), die dem bisherigen Klassifikationsschema (I, Ib und II-V) hinzugefügt werden müssen. In Bezug auf die Evolution bestätigen wir, dass der Porphyromonas gulae fimA-Typ A eng mit den menschlichen P. gingivalis-Stämmen des Clusters Ib verwandt ist und sein Vorläufer-Genotyp sein könnte. Darüber hinaus haben wir zwei Primerpaare entwickelt, die das Vorhandensein eines internen Stoppcodons in fimB mit Auswirkung auf die Fimbrienlänge erkennen. Ein internes Stoppcodon in fimB ist selten und wurde nur in einem Isolat (ATCC 33277) gefunden.Schließlich untersuchten wir die Sekundärstrukturen der Fimbrien mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Rasterelektronenmikroskopie (SEM). Die Bündelung langer Fimbrien, ein Mechanismus, der von EPEC/EHEC und Salmonellen bekannt ist, wird hier zum ersten Mal vorgeschlagen und durch TEM/SEM-Bilder belegt. Der Vergleich der TEM/SEM-Bilder von P. gingivalis Typ I ATCC 33277 mit Typ V OMI622 zeigte ein breites Spektrum an Fimbrienstrukturen, einschließlich Bündelung, Zell-Zell-Knoten und Mauerbildung. Im Ergebnis wird gezeigt, dass FimA heterogenere Subtypen bildet als bisher bekannt.

Porphyromonas gingivalis is a key pathobiont in periodontitis. Its long fimbriae consist of a single anchor (FimB), a varying number of stalk (FimA), and three accessory (tip-related) proteins (FimC, FimD, and FimE). Based on 133 strains/genomes available, it was our aim to investigate the diversity within FimA and FimB and explain the variety of long fimbriae (super-)structures. Combining the new forward primer fimAnewF with the established fimAunivR, we were able to amplify and sequence fimA including its leader region covering all genotypes and serotypes for phylogenetic analysis. We designed two primer pairs sensing the presence of an internal stop codon in fimB with an impact on fimbrial length. Finally, we examined fimbrial secondary structures by transmission electron microscopy (TEM) and scanning electron microscopy (SEM). The phylogeny of fimA/FimA revealed two new subtypes (IIa and IIb) with specific changes in functional domains and thus adding to the current classification scheme (I, Ib, and II-V). Regarding evolution, we confirm that Porphyromonas gulae fimA-type A is closely related to human P. gingivalis strains of cluster Ib and might be its ancestor genotype. A fimB internal stop codon is rare and was found in ATCC 33277 only. Comparing P. gingivalis TEM/SEM pictures of type I ATCC 33277 with type V OMI622 revealed a broad spectrum of fimbrial structures including bundling, cell–cell knotting, and brick–wall formation. In conclusion, FimA forms more distinct subtypes than previously known. The bundling of long fimbriae, a mechanism known from EPEC/EHEC and Salmonella, is proposed and supported by TEM/SEM pictures for the first time here. The role and variations of terminal accessory FimC-E in superstructure formation and/or (co-) adhesion should be investigated more closely next.

OpenAccess:
PDF
(additional files)