Proteomic Analysis of Protein Changes in Human Lung Cancer Epithelial Cells Following Streptococcus pneumoniae Infection

Streptococcus pneumoniae is the leading cause of community-acquired pneumonia throughout the world. The bacteria invade through lung tissue and cause sepsis, shock, and serious sequelae, including rheumatic fever and acute glomerulonephritis. However, the molecular mechanism associated with pneumonia's penetration of lung tissue and invasion of the blood stream are still unclear. We attempted to investigate the host cell response at protein levels to S. pneumoniae D39 invasion using human lung cancer epithelial cells, A549. Streptococcus pneumoniae D39 began to change the morphology of A549 cells to become round with filopodia at 2 hours post-infection. A549 cell proteins obtained at each infection time point were separated by SDS-PAGE and analyzed using MALDI-TOF. We identified several endoplasmic reticulum (ER) resident proteins such as Grp94 and Grp78 and mitochondrial proteins such as ATP synthase and Hsp60 that increased after S. pneumoniae D39 infection. Cytosolic Hsc70 and Hsp90 were, however, identified to decrease. These proteins were also confirmed by Western blot analysis. The identified ER resident proteins were known to be induced during ER stress signaling. These/ data, therefore, suggest that S. pneumoniae D39 infection may induce ER stress.

Streptococcus pneumonia 감염으로 변화한 사람 폐 상피세포 단백질의 프로테오믹 분석

Streptococcus pneumoniae는 전 세계적으로 급성 호흡기 질환 높은 사망률 나타내며, 정상인의 비인후부에 존재하여 호흡기 감염을 통해 폐렴, 수막염, 중이염, 패혈증, 복막염, 골수염 등을 일으킨다. 그러나 S. pneumoniae가 폐 조직에 침입하는 분자적 메커니즘과 혈류를 통한 침입은 많은 연구에도 불구하고 아직 명확하게 알려지지 않았다. 그러므로 본 실험에서는 S. pneumoniae D39의 감염 및 침입에 대한 분자 메카니즘을 알고자 사람의 폐암상피 세포 유래 A549 세포를 이용하여 감염 후 시간의 경과에 따라 변화되는 A549 세포의 모양을 관찰하였으며, 또한 숙주세포의 단백질 패턴 변화를 조사하였다. 일부 A549 세포는 감염 후 2 시간부터 세포의 모양이 둥근형태로 변화된 것으로 관찰되었으며, 감염 3 시간째에는 세포의 모양이 둥글며 filopodia가 아주 잘 발달하였다. 감염 4 시간에 도달하게 되면 거의 모든 A549 세포가 둥글며 잘 발달된 filopodia를 형성하였다. 감염 후 각 시간 별 A549 세포의 총 단백질들을 추출하여 시간의 경과에 따라 특이적으로 양 적인 변화를 나타내는 단백질을 MALDI-TOF 분석법을 사용하여 동정하였다. Streptococcus pneumoniae D39 감염 후 시간에 따라 변화하는 단백질 중 대다수가 특이하게도 molecular chaperone에 속하는 단백질들이었다. 대표적인 cytosol chaperone인 Hsp90과 Hsp70의 경우 감소하는 패턴을 나타낸 반면에 endoplasmic reticulum (ER)에 존재하는 chaperone인 Grp94와 Grp78 (BiP)은 감염 후 점차 증가하는 패턴을 나타내었다. ER chaperone인 Grp94와 Grp78의 증가는 ER stress signaling pathway와 관련 있는 것으로 알려져 있어, S. pneumoniae D39의 감염에 의한 이들 단백질의 변화 패턴을 ER stress를 유발 시켰을 때와 비교하였다. Tunicamycin 또는 thapsigargin으로 처리하여 ER stress를 유발시킨 A549 세포의 형태는 변화하지 않았으며 흡착세포의 형태를 유지하였다. 그러나 Western blot을 통한 molecular chaperone의 분석 결과는 S. pneumoniae D39 감염의 경우와 일치하였다. 본 연구에서 얻은 결과는 S. pneumoniae D39의 감염은 A549 세포의 형태적 변화를 유발하며 또한 molecular chaperone 증가와 감소를 유발한다는 것을 보여주며, 특이적으로 Grp94와 Grp78이 증가되는 것으로 보아 S. pneumoniae D39 감염은 A549 세포 내 ER stress를 유발한다고 생각된다.