Elucidation of the mechanism of the invasive infection caused by Streptococcus pyogenes and search for novel vaccine antigens

• Project/Area Number: 20K18474
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 57020:Oral pathobiological science-related
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: Hirose Yujiro 大阪大学, 大学院歯学研究科, 助教 (90788407)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2021: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000); Fiscal Year 2020: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: 化膿レンサ球菌 / 病原性 / アルギニン代謝 / M87型株 / M タンパク質 / フィラグリン / 皮膚病変 / 劇症型レンサ球菌感染症 / 劇症化機構 / ワクチン

Outline of Research at the Start

劇症型レンサ球菌感染症の病態進行は非常に速く致死率が高い。しかし、発症機構の詳細は解明されていない。本研究では、劇症化機構解明と新規ワクチン抗原の探索を試みる。まず、感染局所での病原細菌－宿主相互作用の検討を、in vivo dual RNA-seq解析およびtransposon-directed insertion site sequencing を用いて行う。そして、感染局所で高発現し、病態形成に寄与する細菌分子群を選出し、その中から、宿主IL-1βの過剰発現を誘導する細菌分子を同定する。また、同定した細菌分子のワクチン抗原としての有用性を精査する。

Outline of Final Research Achievements

Since there is a little glucose on the skin surface, it is not suitable for the survival of Streptococcus pyogenes. However, in this study, I clarified that Streptococcus pyogenes uses arginine, which is a degradation product of filaggrin, a major protein that constitutes stratum corneum cells, to cause skin lesions (Hirose et al. Cell Rep. 34: 108924. 2021).
In addition, in Streptococcus pyogenes M87 serotype strain, which has been increasing the frequency of isolation in recent years, I reveled that the M protein regulates the interaction between Streptococcus pyogenes and innate immune cells (Hirose et al. Microb Pathog 169:105636. 2022).

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

皮膚の保湿成分として有用性の報告されているアルギニンは、皮膚の保湿剤にも配合されていることがある。したがって、本研究の成果は、化膿レンサ球菌による感染症が皮膚で生じた場合、治療戦略の立案において、アルギニン代謝を考慮する必要があるかもしれないことを示している。
また、Mタンパク質は化膿レンサ球菌のワクチン開発において、最も注目されている抗原分子である。本研究の成果は、近年になり分離頻度が上昇している化膿レンサ球菌M87型株においても、Mタンパク質が菌の病原性を担うことを示している。したがって、本研究は化膿レンサ球菌のワクチン開発における有用な情報を提供する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] カリフォルニア大学サンディエゴ校 医学部(米国)
• [Int'l Joint Research] University of California San Diego(米国)
• [Int'l Joint Research] University of California(米国)
• [Journal Article] Pneumococcal BgaA promotes host organ bleeding and coagulation in a mouse sepsis model.? (2022)
  • Author(s): Takemura M, Yamaguchi M, Kobayashi M, Sumitomo T, Hirose Y, Okuzaki D, Ono M, Motooka D, Goto K, Nakata M, Uzawa N, Kawabata S.
  • Journal Title: FRONTIERS IN CELLULAR AND INFECTION MICROBIOLOGY Volume: 12 Pages: 844000-844000
  • DOI: 10.3389/fcimb.2022.844000
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Contribution of?Streptococcus pyogenes?M87 protein to innate immune resistance and virulence.? (2022)
  • Author(s): Hirose Y, Kolesinski P, Hiraoka M, Uchiyama S, Zurich R.H, Kumaraswamy M, Bjanes E, Ghosh P, Kawabata S, Nizet V.
  • Journal Title: MICROBIAL PATHOGENESIS Volume: 169 Pages: 105636-105636
  • DOI: 10.1016/j.micpath.2022.105636
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] An M protein coiled coil unfurls and exposes its hydrophobic core to capture LL-37 (2022)
  • Author(s): Kolesinski P, Wang KC, Hirose Y, Nizet V, Ghosh P.
  • Journal Title: eLife Volume: 11
  • DOI: 10.7554/elife.77989
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Biological Evaluation of the Effect of Root Canal Sealers Using a Rat Model. (2022)
  • Author(s): Okamoto M, Matsumoto S, Moriyama K, Huang H, Watanabe M, Miura J. Sugiyama K, Hirose Y, Manabu M, Kuriki N, Leprince JG, Takahashi Y, Kawabata S, Hayashi M.
  • Journal Title: Pharmaceutics Volume: 14 Issue: 10 Pages: 2038-2038
  • DOI: 10.3390/pharmaceutics14102038
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Streptococcus pyogenes upregulates arginine catabolism to exert its pathogenesis on the skin surface (2021)
  • Author(s): Hirose Yujiro、Yamaguchi Masaya、Sumitomo Tomoko、Nakata Masanobu、Hanada Tomoki、Okuzaki Daisuke、Motooka Daisuke、Mori Yasushi、Kawasaki Hiroshi、Coady Alison、Uchiyama Satoshi、Hiraoka Masanobu、Zurich Raymond H.、Amagai Masayuki、Nizet Victor、Kawabata Shigetada
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 34 Issue: 13 Pages: 108924-108924
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2021.108924
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Genetic characterization of Streptococcus pyogenes emm89 strains isolated in Japan from 2011 to 2019. (2020)
  • Author(s): Hirose Y, Yamaguchi M, Takemoto N, Miyoshi-Akiyama T, Sumitomo T, Nakata M, Ikebe T, Hanada T, Yamaguchi T, Kawahara R, Okuno R, Otsuka H, Matsumoto Y, Terashima Y, Kazawa Y, Nakanishi N, Uchida K, Akiyama Y, Iwabuchi K. Nakagawa C, Yamamoto K, Nizet V, Kawabata S.
  • Journal Title: Infect. Microbe Dis. Volume: 2 Issue: 4 Pages: 160-166
  • DOI: 10.1097/im9.0000000000000038
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Role of BgaA as a pneumococcal virulence factor elucidated by molecular evolutionary analysis. (2020)
  • Author(s): Yamaguchi M, Takemura M, Higashi K, Goto K, Hirose Y, Sumitomo T, Nakata M, Uzawa N, Kawabata S.
  • Journal Title: Front Microbiol Volume: 11 Pages: 582437-582437
  • DOI: 10.3389/fmicb.2020.582437
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Streptococcal H2O2 Inhibits IgE-triggered Degranulation of RBL-2H3 Mast Cell/Basophil Cell Line by Inducing Cell Death (2020)
  • Author(s): Okahashi N, Nakata M, Hirose Y, Morisaki H, Kataoka H, Kuwata H, KawabataS.
  • Journal Title: PLoS One Volume: 15 Issue: 4 Pages: e0231101-e0231101
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0231101
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Streptococcus pyogenesのモジュロン情報は溶血活性を変化させる炭素源を明らかにする (2023)
  • Author(s): 広瀬 雄二郎， Victor Nizet， Bernhard O. Palsson， 川端 重忠.
  • Organizer: 第96回 日本細菌学会総会
• [Presentation] 侵襲性に関与するemm89型化膿レンサ球菌の因子の探索と分子生物学的解析 (2023)
  • Author(s): 大野 誠之，山口 雅也，元岡 大祐，広瀬 雄二郎，東 孝太郎，秋山 徹，住友 倫子，池辺 忠義，奥野 ルミ，川端 重忠.
  • Organizer: 第96回 日本細菌学会総会
• [Presentation] Elucidation of iModulons in Streptococcus pyogenes reveals carbon sources that change its hemolytic activity (2023)
  • Author(s): 広瀬 雄二郎, Victor Nizet , Bernhard O. Palsson, 川端 重忠.
  • Organizer: International Symposium for Future Mucosal Vaccines
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ゲノムワイド関連解析を用いたemm89型化膿レンサ球菌による侵襲性感染症の発症因子の探索 (2022)
  • Author(s): 大野 誠之， 山口 雅也， 広瀬 雄二郎， 東 孝太郎， 秋山 徹， 住友 倫子， 池辺 忠義， 山口 貴弘， 河原 隆二， 奥野 ルミ， 大塚 仁， 松本 裕子， 賀澤 優， 中_ 典子， 中川 力， 川端 重忠.
  • Organizer: 第14回学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点シンポジウム
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 交互積層細胞コーティング法を用いた三次元肺組織モデルの構築と感染モデルへの応用 (2022)
  • Author(s): 赤松 由佳子， 住友倫子， 高原悠樹， 広瀬雄二郎， 山口雅也， 中田匡宣， 秋山茂久， 明石満， 川端重忠.
  • Organizer: 第75回 日本細菌学会関西支部総会
• [Presentation] K-mer関連解析を用いたemm89型化膿レンサ球菌による侵襲性感染症の発症機構の解明 (2021)
  • Author(s): 大野誠之，山口雅也，広瀬雄二郎，東孝太郎，秋山徹，住友倫子，池辺忠義，山口貴弘，河原隆二，奥野ルミ，大塚仁，松本裕子，賀澤優，中西典子，秋山由美，中川力，川端重忠．
  • Organizer: 第44回日本分子生物学会
• [Presentation] ミャンマーで分離された肺炎球菌のシーケンス情報を用いた遺伝子プロファイリングとパンゲノム解析 (2021)
  • Author(s): 山口雅也，Myo Win H. P, ，大野誠之，東孝太郎，広瀬雄二郎，Aye M. M, Htun M. M, Thu H. M，川端重忠．
  • Organizer: 第94回日本細菌学会総会
• [Remarks] 化膿レンサ球菌が皮膚病変の形成に利用する代謝経路を明らかに
  • URL: https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2021/20210330_1
• [Remarks] How Streptococcus pyogenes can survive on skin
  • URL: https://www.alphagalileo.org/Item-Display/ItemId/206416
• [Remarks] How Streptococcus pyogenes can survive on skin
  • URL: https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-03/ou-hp033021.php