SlideShare une entreprise Scribd logo
1  sur  15
Télécharger pour lire hors ligne
The ​Borrelia burgdorferi​ surface protein BmpA is a 
human collagen I binding protein
Jordan Klein
22 Packard Avenue Somerville, MA 02144
April 31, 2015
Bio 194
Yi­Pin Lin­ Postdoctoral Fellow
John Leong­ Principal Investigator
Department of Molecular Microbiology 
Tufts University School of Medicine
116 Harrison Avenue Boston, MA 02111
I have read this report:
____________________________________________________ 
_____________________________________________________
Abstract​: Lyme disease, caused by the bacterial spirochete ​B. burgdorferi​ and transmitted by
ticks, is a debilitating disease endemic to many parts of North America and Europe (Radolf, 
2012). After a tick bites the mammalian host, the spirochetes spread from this initial infection 
site to various tissues throughout the organism, causing symptoms that include arthritis, as well 
as heart and neurological complications. ​B. burgdorferi​’s infection of and dissemination 
throughout the mammalian host is believed to be facilitated by bacterial surface proteins called 
adhesins. Bmp (basic membrane protein) family proteins are adhesins produced on the surface 
of ​B. burgdorferi​ and include the four paralogous proteins BmpA, BmpB, BmpC, and BmpD. It 
has been hypothesized that these proteins bind to receptors in the extracellular matrix (ECM) of 
mammalian cells, particularly the protein laminin. (Verma, 2009) However, we have previously 
found that although BmpA enhances spirochetal binding to mammalian epithelial cells, it could 
not facilitate spirochetal binding to laminin​ in vitro​ (Klein, 2014). It was thus hypothesized that 
other ECM receptors besides laminin bind to BmpA and facilitate spirochetal binding to 
mammalian cells. Results of this study found that purified recombinant BmpA can bind to 
purified human type I collagen ​in vitro​, suggesting that BmpA may play a potential role in 
facilitating ​B. burgdorferi’s​ infection and colonization of the human mammalian host through 
its binding to type I collagen in the ECM.
Introduction:
Lyme disease​: In the United States alone, more than 30,000 Lyme disease cases are reported 
annually to the Centers for Disease Control and Prevention​ ​
(CDC, 2013). They are most 
commonly reported in the Northeast and parts of the Midwest, areas with ecological conditions 
most conducive to its spread: high population density in close proximity to wooded areas with 
large populations of deer and white­footed mice, two of the reservoir organisms for its 
pathogen. The Lyme disease pathogen is transmitted from its reservoir organisms to humans 
through the tick­vector​ Ixodes scapularis​ in the northeastern United States (Steere, 2004).
The disease itself manifests in various symptoms. The first symptom of Lyme disease to 
appear, usually within a few days of initial infection, is the appearance of an erythema migrans 
(EM), a slowly expanding bulls­eye shaped skin lesion at the initial site of infection. This is 
usually accompanied by flu­like symptoms, especially headache, fever, and muscle and joint 
pain at the early stages of infection. If left untreated, acute neurological complications including 
facial palsy, meningitis, encephalopathy, and polyneuropathy may develop within days to weeks 
of the initial infection. Other symptoms such as atrio­ventricular (AV) nodal block and Lyme 
arthritis, resulting in migratory musculoskeletal and joint pain, may also manifest at this stage of 
infection. Chronic symptoms from persistent infection over years include permanent 
neurological damage and arthritis. Since the species ​B. burgdorferi​ is responsible for Lyme 
disease in North America, while different species are responsible for Lyme disease in Asia and 
Europe, proteins produced by ​B. burgdorferi​ were studied (Steere, 2004). 
The ​Borrelia burgdorferi​ bacteria​: ​Borrelia burgdorferi​ as a member of the spirochete phylum 
is long and corkscrew­shaped, about 10­20 microns long by only about 0.2­0.3 microns wide. It 
is double­membraned with rotating flagella in the perimplasmic space between its inner and 
outer membranes that facilitate its motility (Rosa, 2005). 
B. burgdorferi​ was one of the first organisms to have its genome sequenced and has had 
many of its genes identified. Its​ ​genome consists of only one small linear chromosome in 
addition to 9 circular and 12 linear plasmids, some of which are quite large and collectively 
comprise 40% of the genome. As such, ​B. burgdorferi​ is a difficult species to genetically 
manipulate. Analysis of its genome has provided valuable insights, such that and that it does not 
encode any recognizable toxins. Instead, ​B. burgdorferi​ must rely on a mode of infection that 
entails migration and dissemination through tissues, adhesion to host cells, and evasion of 
immune clearance (Steere, 2004). Thus, protein adhesins produced on the surface of the 
spirochete play a central role in allowing ​B. burgdorferi​ to establish and maintain Lyme 
infection in the mammalian host.
Bmp family proteins initiate infection of Lyme disease​: Basic membrane protein A (BmpA) 
is an adhesin produced on the surface of ​B. burgdorferi​. It has three paralogous proteins, or the 
other members of the Bmp family: BmpB, BmpC, and BmpD, which are encoded by genes 
located close to each other on the ​B. burgdorferi​ chromosome, but not in the same operon 
(Ramamoorthy, 1996). Crother et al, using a method called hydrophobic antigen tissue Triton 
extraction (HATTREX) to ascertain ​B. burgdorferi​ protein production over the course of 
infection in a rabbit model, reported that BmpA was detected in the skin of the rabbit at 7 days 
post infection, indicating that BmpA may play a role in the early stages of Lyme infection 
(Crother, 2004). 
In addition, in an experiment performed by Pal et al, a ​bmpA/B ​knockout mutant strain of ​B. 
burgdorferi​ was generated to test its infectivity in the murine model. Interestingly, this mutant 
strain could be detected in skin and bladder tissue, but not in joint tissue, while the wild­type 
strain producing BmpA and BmpB was detected in skin, bladder, and joint tissue (Pal, 2007). 
These results suggest that BmpA/BmpB possibly play a role in the colonization of joints and the 
development of Lyme arthritis. 
Bmp family proteins may bind to components of the mammalian ECM​: Previously, Verma
et al, using ​in vitro​ ligand affinity blot analysis, reported that purified BmpA/B/C/D could bind 
to purified laminin, a potential receptor protein component of the ECM of mammalian cells, 
raising the hypothesis that the Bmp family proteins may promote spirochetal adhesion to 
mammalian cells and allow ​B. burgdorferi​ to establish and maintain infection in the mammalian 
host through their binding to laminin (Verma, 2009). We previously used radioactive assay to 
show that BmpA was able to enhance spirochetal binding to human epithelial cells derived from 
different tissues, indicating this protein as a potential adhesin. However, we also used flow 
cytometry to find that BmpA was incapable of promoting ​B. burgdorferi​ binding to purified 
laminin (Klein, 2014). These results raised the hypothesis that BmpA may be produced in a 
different configuration on the surface of ​B. burgdorferi​ than in its purified form and facilitate ​B. 
burgdorferi​’s adhesion to mammalian host cells through binding to other ECM components 
besides laminin. To test this hypothesis, ​E. coli​ were genetically engineered to produce 
recombinant BmpA, which was purified and tested for its ability to bind to several mammalian 
ECM components using qualitative and quantitative ELISA.
Materials and Methods:
Experiment­ qualitative ELISA with ECM components: ​In this experiment, a recombinant 
glutathione­S­transferase tagged (GST)/BmpA fusion protein, produced by ​E. coli​, was tested 
for its ability to bind to various mammalian ECM components that included human aorta elastin 
(Eln), human placental type IV collagen (Col IV), human skin type I collagen (Col I), mouse 
laminin (Ln), bovine plasma fibronectin (Fn), heparin (Hep), chondrointin­4­sulfate (C4S), 
dermatan sulfate (DS), chondrointin­6­sulfate (C6S), and heparin sulfate (HS), with bovine 
serum albumin (BSA) used as a control, using the method of qualitative ELISA. This qualitative 
ELISA was performed using purified recombinant GST produced by ​E. coli​ as a negative 
control against the GST­BmpA fusion protein. 
This experiment was performed by diluting the ECM components previously described into 
a coating buffer consisting of a 50 mM sodium bicarbonate and sodium carbonate solution at a 
pH of 9.6, yielding a concentration of 10 μg ECM molecule/mL solution. 1 μg of the 
ECM­coating buffer solution was coated onto each well of a NUNC Maxisorp ELISA plate 
(eBioscience, San Diego, CA), such that each column of the plate corresponded to each ECM 
component and the BSA control with the last column left blank, after which the plate was left to 
incubate overnight at 4​° C. The following day, each well in the plate was washed 4 times with 
200 ​μL of wash buffer (phosphate buffer saline­PBS with 0.5% Tween 20 at pH 7.5). The 
plate’s wells were then blocked with 100 μL of blocking buffer (5% BSA in PBS solution) and 
incubated for 1 hour at room temperature. Next, the wells were washed 4 times with ​200 ​μL of 
wash buffer and 50 μL of a 1 μM solution of either GST­BmpA or GST control was added to 
each well, with GST­BmpA placed in the top 4 rows and GST placed in the bottom 4 rows, to 
test the ability of these proteins to bind to the ECM components coated on each well of the 
plate. The plate was again incubated for 1 hour at room temperature and its wells washed 4 
times with ​200 ​μL of wash buffer before 50 μL of primary antibody (goat anti­GST tag; 
Sigma­Aldrich, St Louis, MO; 1:200), capable of binding GST, was added. Following the 
addition of the primary antibody, the plate was once again incubated for 1 hour at room 
temperature and its wells washed 4 times with ​200 ​μL of wash buffer before 50 μL of secondary 
antibody (HRP­conjugated anti­goat IgG; Sigma­Aldrich, St. Louis, MO; 1:1000), capable of 
binding the primary antibody, was added. Subsequently, the plate was incubated for 1 hour at 
room temperature and its wells washed 4 times with ​200 ​μL of wash buffer as was previously 
done, and of 100 μL of tetramethyl benzidine (TMB, HRP substrate) solution (KPL, 
Gaithersburg, MD), reacting with the secondary antibody to create a blue­colored solution, was 
added to each well and incubated for 5 minutes. The reaction was stopped by adding 100 μL of 
5% hydro sulfuric acid to each well. The plate was read at OD​405​ nm using a 96­well Spectra 
MAX 250 reader (Molecular Devices, Sunnyvale, CA)  to determine the absorption of light 
given off by light waves of 405 nm, which in turn indicated the concentration of GST­antibody 
complexes bound to the ECM components in each well. A similar procedure for ELISA has 
been described previously by Lin et al (Lin, 2015).
Experiment­ quantitative ELISA with type I and IV collagen: ​The recombinant GST 
tag­BmpA fusion protein, produced by E. coli, was further tested for its ability to bind to the 
mammalian ECM components type I or IV collagen, using the method of quantitative ELISA. 
This quantitative ELISA was performed using purified recombinant GST produced by E. coli as 
a negative control against the GST­BmpA fusion protein as in the previous experiment.
As in the previous experiment, this experiment was performed by diluting collagen into a 
coating buffer consisting of a 50 mM sodium bicarbonate and sodium carbonate solution at a 
pH of 9.6, yielding a concentration of 10 μg ECM molecule/mL solution. 50 μL of the 
collagen­coating buffer solution was coated onto each well of NUNC Maxisorp ELISA plate, 
with Col I placed into the first 6 columns and Col IV placed into the last 6 columns, after which 
the plate was left to incubate overnight at 4​° C. The following day, the plate’s wells were 
washed 4 times with 200 ​μL of wash buffer, blocked with 100 μL of blocking buffer, and 
incubated for 1 hour at room temperature. The wells were washed again 4 times with 200 μL of 
wash buffer and 100 μL of different concentrations of GST­BmpA or GST (2, 1, 0.5, 0.25, 
0.125, 0.0625, 0.03125 μM) was added to the wells in each row of the plate, with 100 μL of 
BSA control added to the wells in the final row. The plate was incubated overnight at 4​° C, ​and 
the following day each well was washed 4 times with 200 μL of wash buffer before 50 μL of 
primary antibody, capable of binding GST, was added, as in the previous experiment. Following 
the addition of the primary antibody, the plate was incubated for 1 hour at room temperature 
and each well was washed 4 times with 200 μL of wash buffer before 50 μL of secondary 
antibody, capable of binding the primary antibody, was added, as in the previous experiment. 
Afterwards, as in the previous experiment, the plate was incubated for 1 more hour at room 
temperature, each well was again washed 4 times with 200 μL of wash buffer, and of 100 μL of 
TMB, HRP substrate solution, reacting with the secondary antibody to create a blue­colored 
solution, was added to each well and incubated for 5 minutes. As in the previous experiment, 
the reaction was stopped by adding 100 μL of 5% hydro sulfuric acid to each well and the plate 
was read at OD​405​ nm using a 96­well Spectra MAX 250 reader to determine the absorption of 
light given off by light waves of 405 nm, which in turn indicated the concentration of 
GST­antibody complexes bound to the collagen in each well, indicating the amount of 
GST­BmpA or GST control proteins in different concentrations bound to type I or IV collagen. 
As with the previous experiment, a similar procedure for ELISA has been described previously 
by Lin et al (Lin, 2015).
Results:
Recombinant version of BmpA binds to collagen and laminin: 
Figure 1. BmpA binds to laminin and type I collagen.​ One µM recombinant 
GST­tagged BmpA or GST (as a negative control) was added to quadruplicate 
wells coated with elastin (Eln), type IV collagen (Col IV), type I collagen (Col I), 
laminin (Ln), fibronectin (Fn), heparin (Hep), chondroitin­4­sulfate (C4S), 
dermatan sulfate (DS), chondroitin­6­sulfate (C6S), heparan sulfate (HS), and BSA 
as a negative control. Bound protein was measured by ELISA (see Materials and 
Methods) and mean OD405 ± standard deviation was determined. Asterisks 
indicate that binding of GST­BmpA statistically significantly different than GST 
binding to laminin or type I collagen (p≤0.01). Shown is a representative of three 
independently performed experiments.
We have previously found that BmpA was able to enhance spirochetal binding to mammalian 
epithelial cells, suggesting that BmpA is an adhesin (Klein, 2014). It has also been reported by 
Verma et al. that the purified recombinant version of BmpA is able to bind to the purified ECM 
component protein laminin, but we further found that BmpA could not promote the adhesion of 
B. burgdorferi​ to purified laminin (Verma, 2009; Klein, 2014). This raised the possibility that 
ECM components other than laminin may mediate the adhesion of spirochetes to mammalian 
cells. To test this hypothesis, GST tagged BmpA (GST­BmpA) was applied to ELISA plate 
wells coated with different ECM components, and the ECM­binding activity of BmpA was 
determined by qualitative ELISA. As shown in figure 1, GST­BmpA was not statistically 
significantly better able than the GST control to bind to Eln, Fn, Hep, C4S, DS, C6S, HS, nor to 
the BSA control (Fig. 1). However, GST­BmpA was calculated to be statistically significantly 
better able than the GST negative control to bind to laminin (Fig. 1; p=0.0051), consistent with 
previous findings showing the laminin­binding activity of purified recombinant BmpA (Verma, 
2009). However, as has been demonstrated previously, BmpA may be produced in a different 
configuration in its purified form than on the surface of ​B. burgdorferi​, so this does not refute 
other findings that BmpA does not promote laminin binding by ​B. burgdorferi ​(Klein, 2014). 
Interestingly, GST­BmpA was also calculated to be statistically significantly better able than the 
GST negative control to bind to type I collagen (Fig. 1; p<0.0001), suggesting that BmpA is 
also a collagen­binding protein. 
BmpA binds to type I collagen in a dose dependent manner: 
Figure 2. The type I collagen­binding activity of BmpA is dose dependent.​ The 
indicated concentrations of recombinant GST­BmpA or GST were added to quadruplicate 
wells coated with type I collagen. The type IV collagen­binding activity of these proteins 
was also measured as a negative control. Protein binding was quantified by ELISA, 
and mean OD405 ± standard deviation was determined. Shown is a representative of three 
independently performed experiments.
To conduct further experiments and test whether the binding of BmpA to collagen is dose 
dependent, different concentrations of GST­BmpA were added to type I collagen­coated ELISA 
plate wells. The type I collagen­binding activity of BmpA was measured by quantitative 
ELISA. Type IV collagen, the other collagen type studied to which BmpA was found to not 
bind in the qualitative ELISA experiment, was also included in this experiment as a negative 
control. As shown in Figure 2, both GST­BmpA and GST were incapable of binding to type IV 
collagen (Fig. 2 bottom panel), which is in agreement with the results obtained from the 
qualitative ELISA experiment (Fig. 1). While the type I collagen binding of GST was detected, 
the binding action was not saturable when greater amounts of GST were applied and thus not 
dose dependent (Fig. 2 top panel). Further, GST­BmpA displayed saturable type I 
collagen­binding activity at greater concentrations (Fig. 2 top pane; KD=0.65 ± 0.17 μM), 
indicating that BmpA binds to type I collagen in a dose dependent manner.
Discussion: ​As observed in Fig. 1 from the qualitative ELISA with ECM components 
experiment, GST­BmpA was statistically significantly better able than GST to bind to Col I and 
Ln, while it was not statistically significantly better able to bind to any of the other ECM 
components studied, nor to the BSA control. Verma et al. had previously found that purified 
laminin binds to purified BmpA ​in vitro​ (Verma, 2009). However, we previously observed that 
BmpA produced by ​B. burgdorferi​ promotes spirochetal adhesion to mammalian epithelial cells 
but not to purified laminin, suggesting that the observed activity of purified recombinant 
proteins may not always reflect their function when they are produced on the surface of bacteria 
(Klein, 2014). Similarly, the recombinant proteins Leptospira immunoglobulin­like proteins 
(Lig), the ECM­binding outer surface protein from another pathogenic spirochete, ​Leptospira 
interrogans​, displayed elastin­binding activity in its purified form, but this activity could not be 
observed when Lig was produced on the surface of ​L. interrogans​ (Lin, 2009; Figueira, 2011). 
The inconsistency of the ECM­binding activity of Lig when it was produced in different 
conditions further supports the hypothesis that the structure of proteins may be different when 
they are produced on the bacterial surface than in their purified form, which in turn impacts 
their function.
In this study, we have identified type I collagen purified from human skin as another 
potential receptor of BmpA. However, Verma et al. had reported that BmpA does not bind to 
type I collagen extracted from mouse tissue (Verma, 2009). The inconsistency of these two 
studies leads to the hypothesis that BmpA may possess species­specific type I collagen­binding 
activity. ​B. burgdorferi ​can be carried by different mammalian hosts, i.e. human, dog, mouse, 
rat, rabbit. and the possibility of host­specific type I collagen­binding activity illustrated from 
our findings might be able to illuminate the determinants of the promotion of spirochetal 
colonization in distinct mammalian host environments (Radolf, 2012). Furthermore, as we 
previously found that despite being able to bind in its purified form, BmpA as produced on the 
surface of ​B. burgdorferi​ could not bind to laminin, we will need to similarly examine whether 
BmpA as produced on the surface or ​B. burgdorferi​ can still bind type I collagen (Verma, 2009; 
Klein, 2014). 
To further study the mechanism of BmpA as a collagen I binding protein and its apparent 
species­specific action, certain experiments can be performed. One such experiment, studying 
the mechanism of action of BmpA as a type I collagen binding protein as produced on the 
surface ​B. burgdorferi​, could entail an otherwise nonadherent strain of ​B. burgdorferi​, such as 
B31A, being engineered to produce BmpA on its surface and tested for its ability to bind to 
purified type I collagen ​in vitro​ using the method of flow cytometry, similar to experiments that 
we had previously performed with laminin (Klein, 2014). Further experiments can also be 
conducted to study the mechanism of the species specific binding of BmpA to type I collagen 
through the testing of the ability of purified BmpA to bind to purified type I collagen from a 
variety of mammalian species, such as human, rabbit, mouse, and rat, ​in vitro​, using the method 
of qualitative ELISA as previously performed in this experiment. Following this experiment, to 
further study the mechanism of BmpA as a species specific type I collagen binding protein in its 
configuration as produced on the surface of ​B. burgdorferi​, an otherwise nonadherent strain of 
B. burgdorferi​, such as B31A, could be engineered to produce BmpA on its surface and tested 
for its ability to bind to purified type I collagen from a variety of mammalian species, including 
human, rabbit, mouse, and rat, ​in vitro​, using flow cytometry as in previous experiments we 
have performed, as described previously (Klein, 2014).
 
Literature Cited​:
1. "Press Release." ​Centers for Disease Control and Prevention​. Centers for Disease Control and 
Prevention, 19 Aug. 2013. 
<http://www.cdc.gov/media/releases/2013/p0819­lyme­disease.html>. 
2. Crother TR, Champion CI, Whitelegge JP, Aguilera R, Wu XY, Blanco DR, Miller JN, Lovett 
MA (2004) Temporal Analysis of the Antigenic Composition of ​Borrelia burgdorferi​ during 
Infection in Rabbit Skin. Infect Immun 72(9): 5063­5072 
3. Figueira CP, Croda J, Choy HA, Haake DA, Reis MG, Ko AI, Picardeau M (2011) 
Heterologous expression of pathogen­specific genes ​ligA ​and ​ligB ​in the saprophyte ​Leptospira 
biflexa ​confers enhanced adhesion to cultured cells and fibronectin. ​BMC Microbiology 11:129 
4. Klein JD, Lin YP, Leong JM (2014) ​Borrelia burgdorferi​ BmpA promotes bacterial adhesion to 
mammalian cells­Bio 93 final research paper. Unpublished data 
5. Lin YP, Bhowmick R, Coburn J, Leong JM (2015) Host cell heparan sulfate 
glycosaminoglycans are ligands for OspF­related proteins of the Lyme disease spirochete. Cell 
Microbiol 10.1111/cmi.12448 
6. Lin YP​, ​Lee DW​, ​McDonough SP​, ​Nicholson LK​, ​Sharma Y​, ​Chang Y​F (2009) Repeated 
domains of leptospira immunoglobulin­like proteins interact with elastin and tropoelastin. J Biol 
Chem 284(29):19380­91 
7. Pal U, Wang P, Bao F, Yang X, Samanta S, Schoen R, Wormser GP, Schwartz I, Fikrig E 
(2007) ​Borrelia burgdorferi​ basic membrane proteins A and B participate in the genesis of 
Lyme arthritis. J Exp Med 205(1): 133­141 
8. Radolf JD, Caimano MJ, Stevenson B, Hu LT (2012) Of ticks, mice and men: understanding the 
dual­host lifestyle of Lyme disease spirochaetes. Nat Rev Micobiol 10: 87­99 
9. Ramamoorthy R, Povinelli L, Philipp MT (1996) Molecular Characterization, Genomic 
Arrangement, and Expression of ​bmpD​, a New Member of the ​bmp​ Class of Genes Encoding 
Membrane Proteins of ​Borrelia burgdorferi​. Infect Immun 64(4): 1259­1264 
10. Rosa PA, Tilly K, Stewart PE (2005) The burgeoning molecular genetics of the Lyme disease 
spirochaete. Nat Rev Microbiol 3: 129­143 
11. Steere AC, Coburn J, Glickstein L (2004) The emergence of Lyme disease. J Clin Invest 113(8): 
1093­1101 
12. Verma A, Brissette CA, Bowman A, Stevenson B (2009) ​Borrelia burgdorferi​ BmpA Is a 
Laminin­Binding Protein. Infect Immun 77(11): 4940­4946 

Bio194ResearchPaper