Das extracellular matrix binding protein von Staphylococcus epidermidisvermittelt Biofilmbildung und Adhärenz an Fibronektin

Abstract

Die Bildung bakterieller Biofilme ist von entscheidender Bedeutung für die Pathogenese fremdmaterialassoziierter Infektionen durch Staphylococcus epidermidis. Unbedingte Voraussetzung für die Entstehung dieser mehrschichtigen bakteriellen Gemeinschaften ist die Expression interzellulärer Adhäsine. Neben extrazellulären Kohlenhydraten können offenbar auch Proteine diese wesentliche Rolle im Akkumulationsprozess übernehmen. Wir konnten zeigen, dass Biofilmbildung bei dem S. epidermidis Isolat 1585v durch die Überexpression einer trunkierten 460 kDa-Variante des extracellular matrix binding protein (Embp) hervorgerufen wird. Embp ist ein modular aufgebautes fibronektinbindendes Oberflächenprotein und besteht im Wesentlichen aus repetitiv angeordneten Found in various architectures (FIVAR) und G-related albumin-binding (GA) Domänen. Weitere Untersuchungen mit verschiedenen Embp-positiven und -negativen S. epidermidis Stämmen sowie anti-Embp Antiseren und rekombinanten Embp-Fragmenten bestätigten eine biofilminduzierende Wirkung auch für die 1 MDa große Wildtyp-Variante von Embp und verorteten die interzellulär adhäsiven Eigenschaften im distalen Molekülanteil mit alternierend angeordneten FIVAR und GA Domänen. Die beobachteten Embp- vermittelte Biofilme schützten S. epidermidis vor der Phagozytose durch makrophagenartige Zellen und können daher als funktionell relevant angesehen werden. Embp vermittelt zudem die Adhäsion von Bakterien an fibronektinbeschichtete Oberflächen über die Wechselwirkung zwischen den FIVAR-Domänen und bestimmten Typ-III Domänen von Fibronektin. Das Oberflächenprotein Embp ist damit an entscheidenden Reaktionen in allen Phasen der bakteriellen Biofilmbildung beteiligt und kommt damit als Virulenzfaktor für die Pathogenese fremdmaterialassoziierter Infektionen in Frage.

Virulence of the nosocomial pathogen Staphylococcus epidermidis is essentially related to the formation of biofilms. After primary attachment to an artificial surface these multilayered bacterial communities are assembled by the expression of intercellular adhesins. Growing evidence supports the idea that proteins are functionally involved in this process of accumulation. We found that in S. epidermidis 1585v overexpression of a 460 kDa truncated isoform of the extracellular matrix-binding protein (Embp) is essential for biofilm formation. Embp is a giant fibronectin-binding protein harbouring repetitive Found In Various Architectures (FIVAR) and G-related albumin-binding (GA) domains. Further studies using defined Embp-positive and -negative S. epidermidis strains, anti-Embp antisera and recombinant Embp fragments confirmed that Embp is sufficient for biofilm formation and that the molecule’s intercellular adhesive properties can be ascribed to the distal part consisting of alternate FIVAR and GA domains. Embp-mediated biofilm have been shown to be functionally active in terms of protecting S. epidermidis from phagocytosis by macrophage-like cells. Further data showed that the FIVAR domains of Embp mediate binding of bacterial cells to solid-phase attached fibronectin, constituting the first step of biofilm formation on conditioned surfaces. Thus, Embp is a multifunctional cell surface protein that mediates attachment to host extracellular matrix, biofilm accumulation and escape from phagocytosis, and therefore is well suited for promoting implant-associated infections.