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Antigenic variation and strain heterogeneity in Borrelia spp.

1992; Elsevier BV; Volume: 143; Issue: 6 Linguagem: Francês

10.1016/0923-2508(92)90116-6

1769-7123

Bettina Wilske, Alan G. Barbour, Sven Bergström, Nils Burman, Blanca I. Restrepo, Patricia A. Rosa, Tom G. Schwan, Erwin Soutschek, Reinhard Wallich,

Yersinia bacterium, plague, ectoparasites research

Antigenic variation and strain heterogeneity have been demonstrated for the pathogenic Borrelia species, i.e. B. burgdorferi and the relapsing fever borreliae. In relapsing fever, new borrelia serotypes emerge at a high rate spontaneously, a mechanism that is caused by DNA rearrangements on linear plasmid translocating genes coding for variable major proteins from previous silent to expression sites (i.e. from inner sites to telomeric sites of the plasmid). As a result of this variation, the borreliae escape the immune response of the host, thus leading to the relapse phenomenon. In B. burgdorferi, which is the causative agent of the multisystem disorder Lyme borreliosis, there is also a growing body of findings that antigenic variation is involved in pathogenesis of the disease. Phenotypic variation of strains in vitro concerns the size and the amount of surface-associated proteins (OspA, OspB and pC). There are indications that OspA and OspB truncations are due to deletions within the ospAB operon caused by recombination events, and that OspA/OspB-less mutants lack the 49-kb plasmid that bears the ospAB operon. With the increasing number of isolates obtained from various geographic and biological sources, it became apparent that B. burgdorferi is immunologically and genetically more heterogeneous, as previously believed. The major outer surface proteins OspA and OspB (which have been efficient antigens in vaccine studies) are heterogeneous at a genetic level. The same degree of genetic non-identity was observed for the pC protein. Other proteins like flagellin and the highly specific immunodominant p100 range protein show a lower degree of non-identity. Recombinant OspA, pC, p100 range protein and flagellin have been hyperexpressed in E. coli and these proteins are immunologically reactive. This allows further research for development of vaccines and diagnostic tools. B. burgdorferi isolates have been investigated with genotyping (DNA hybridization, PCR and 16S rRNA analysis) as well as serotyping by various authors. Comparison of the different methods has shown good agreement when the same strains have been investigated. no correlation could be found between different phenotypic and genotypic groups with respect to the ability to cause arthritis in SCID mice. A serotyping system based on immunological differences in OspA detected by a panel of monoclonal antibodies has been proposed. Serotyping a large number of B. burgdorferi isolates has shown a striking predominance of the OspA serotype 2 among European isolates from human skin, in contrast to isolates from ticks or CSF. Genetic and immunological diversity among B. burgdorferi strains and immunodominant proteins (including respective recombinant proteins) of these strains raises many questions in the development of vaccines as well as diagnostic antigens, DNA probes and PCR primers. However, the knowledge of conserved and variable regions among the different protein-encoding genes of B. burgdorferi may help to develop efficient diagnostic reagents and vaccines. Variation antigénique et hétérogénéité de souches ont été démontrées pour les espèces pathogènes de Borrelia c'est-à-dire Borrelia burgdorferi et les espèces de Borrelia des fièvres récurrentes. Chez ces dernières, de nouveaux sérotypes se succèdent spontanément à un taux élevé. Ce mécanisme est liéá des réarrangements d'ADN. Des génes spécifiant des protéines majeures variables, portés par des plasmides linéaires sont transloqués de sites silencieux á des sites d'expression (c'est-à-dire de sites internes à des sites télomériques de ces plasmides). Comme conséquence de cette variation, ces espèces de Borrelia échappent à la réponse immunitaire de l'hôte, conduisant ainsi au phénomène de récurrence. Chez B. burgdorferi, agent causal d'une infection polysystémique, la borréliose de Lyme, de nombreux arguments sont en faveur de l'implication de la variation antigénique dans la pathogenèse de la maladie. La variation phénotypique in vitro des souches concerne la taille et la quantité de protéines associées à la surface (OspA, OspB et pC). Des arguments indiquent que les protéines OspA et OspB de taille réduite sont dues à des délétions à l'intérieur de l'opéron ospAB provoquées par des événements de recombinaison; de plus, les mutants dépourvus de OspA et OspB ne possèdent pas le plasmide de 49 kb qui porte l'opéron ospAB. Avec le nombre croissant d'isolats obtenus de sources variées géographiquement et biologiquement, il apparaît que B. burgdorferi est plus hétérogéne que prévu initialement. Les protéines de surface externe OspA et OspB (antigènes efficaces lors d'etudes vaccinales) sont hétérogénes au niveau de leur séquence. Le même degré de non-identité génétique a été observé pour la protéine pC. D'autres protéines comme la flagelline et la protéine immunodominante très spécifique p100, montrent également, bien qu'à un moindre degré, une certaine hétérogénéité. Les protéines recombinantes, OspA, pC, p100 et flagelline ont été surexprimées chez Escherichia coli, et ces protéines sont immunologiquement réactives. Cela permet l'établissment de programmes de recherche pour le développement de vaccins et d'outils diagnostiques. Les isolats de B. burgdorferi ont été étudiés par génotypage (hybridation ADN-ADN, amplificaion génique et analyse d'ARNr 16 S) ainsi que par sérotypage, par divers auteurs. Un accord satisfaisant entre les différentes méthodes est observé quand les mêmes souches ont été analysées. Aucune corrélation n'a pu être établie entre les différens groupes phénotypiques et génotypiques d'une part et la capacité de provoquer une arthrite chez les souris SCID d'autre part. Un systéme de sérotypage fondé sur les différences immunologiques de OspA détectées par une batterie d'anticorps monoclonaux a été proposé. Le sérotypage d'un grand nombre d'isolats de B. burgdorferi a montré l'existence d' une prédominance frappante du sérotypage OspA-2 parmi les isolats européens de formes cutanées de la maladie, constrastant avec l'hétérogénéité des isolats de tiques ou de liquide céphalorachidien. La diversité génétique et immunologique des souches de B. burgdorferi, et de leurs protéines immunodominantes (protéines recombinantes respectives incluses) souléve de nombreuses questions quant au développement de vaccins, antigénes pour diagnostic, sondes d'ADN et amorces pour amplification génique. Cependant, la connaissance des régions variables et conservées parmi les génes exprimés de B. burdorferi peut aider à développer des réactifs efficaces pour le diagnostic et les vaccins.