Russian Journal of Infection and ImmunityRussian Journal of Infection and ImmunityИнфекция и иммунитет2220-76192313-7398SPb RAACI122610.15789/2220-7619-IOI-1226ORIGINAL ARTICLESОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИImpact of IgG Fc-fragments on experimental glomerulonephritis induced by Streptococcus pyogenes strain binding various immunoglobulin classesВлияние Fc-фрагментов нормального иммуноглобулина G на развитие гломерулонефрита, индуцированного штаммами Streptococcus pyogenes, связывающими разные классы иммуноглобулиновBurovaL. A.БуроваЛ. А.
Russian Federation

PhD, MD (Medicine), Leading Researcher, Department of Molecular Microbiology.

St. Petersburg

Доктор медицинских наук, ведущий научный сотрудник отдела молекулярной микробиологии.

Санкт-Петербург

lburova@yandex.ruPigarevskyP. V.ПигаревскийП. В.
Russian Federation

PhD, MD (Biology), Head of the Department of General Morphology.

St. Petersburg

Доктор биологических наук, руководитель отдела общей морфологии.

Санкт-Петербург

pigarevsky@mail.ruSnegovaV. A.СнеговаВ. А.
Russian Federation

Researcher, Department of General Morphology.

St. Petersburg

Научный сотрудник отдела общей морфологии.

Санкт-Петербург

biolaber@inbox.ruTotolianA. A.ТотолянА. А.
Russian Federation

Totolian Artem A. - PhD, MD (Medicine), RAS Full Member, Head Researcher, Department of Molecular Microbiology.

St. Petersburg

Тотолян Артем Акопович - доктор медицинских наук, академик РАН, главный научный сотрудник отдела молекулярной микробиологии.

197376, Санкт-Петербург, ул. Академика Павлова, 12, Тел.: 8 (812) 234-68-74

totolyan@hotmail.comInstitute of Experimental MedicineФГБНУ Институт экспериментальной медицины0704202010155631806201914032020Copyright ©; 2020, Burova L.A., Pigarevsky P.V., Snegova V.A., Totolian A.A.Copyright ©; 2020, Бурова Л.А., Пигаревский П.В., Снегова В.А., Тотолян А.А.2020Burova L.A., Pigarevsky P.V., Snegova V.A., Totolian A.A.Бурова Л.А., Пигаревский П.В., Снегова В.А., Тотолян А.А.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://iimmun.ru/iimm/article/view/1226

The pathogenesis of poststreptococcal glomerulonephritis (PSGN), a major complication of acute infections caused by group A streptococci (GAS) remains unclear. Several theories, based on the role of certain streptococcal virulence factors, as well as immunological mimicry between GAS and renal tissue, have been proposed. Earlier, we reported that many virulent clinical GAS isolates showing confirmed nephritogenic activity were capable of nonimmune Fc binding of monomeric or aggregated IgG. Moreover, a rabbit model of PSGN allowed to obtain findings regarding a crucial role of streptococcal IgG Fc binding proteins belonging to the M family surface proteins, in the onset of PSGN. Rabbits injected with inactivated IgGFcBP-positive streptococci, acquired changes in the renal tissue with deposited IgG and complement C3, as well as signs of immune inflammation characteristic for human PSGN. Also, it was shown that the induction of experimental glomerulonephritis could be inhibited after normal IgG or its purified Fc fragments were inoculated at early stages of the process. The data obtained in rabbits injected with group A streptococcal type M60 also showed pathogenic functions of the IgA Fc-binding proteins of GAS. The aim of the study was to examine inhibiting activity of the purified rabbit IgG Fc fragments on the manifestations of glomerulonephritis induced by S. pyogenes strains capable of binding diverse forms of immunoglobulins such native IgG, immune complexes, and IgA.

Materials and methods. GAS strains of emml, emml2 and emm60 genotypes were used to induce PSGN or IgA-nephropa-thy in rabbits. Fc fragments derived from rabbit IgG were obtained by enzymatic digestion and purified by affinity chromatography on a protein G-sepharose FF column. Immunomorphological changes of renal tissue were estimated by morphometric analysis.

Results. In the present study, using the rabbit model, we revealed pathological changes of different intensity and localization in the renal tissue. For streptococci of the emm1 and emm12 genotypes, PSGN was characterized by deposition of IgG or IgG-anti-IgG immune complexes within the basal glomerular membrane. Morphological changes were evaluated as a membranous-proliferative glomerulonephritis. Meanwhile, IgA-glomerulonephritis is characterized by deposition of IgA in mesangial cells of glomeruli, leading to the mesangial-proliferative glomerulonephritis or IgA-nephropathy. Intravenously administered purified Fc fragments derived from normal rabbit IgG varied in effects on pathological processes: (i) IgG Fc fragments of fully inhibited development of the PSGN induced by IgG Fc binding strain of emml genotype, (ii) IgG Fc fragments of partially reverted changes caused by the emm12 genotype strain, which was binding only to immune complexes, and (iii) had no effects on pathological changes caused by the emm60 genotype GAS strain, which was binding only IgA.

Conclusion. The data obtained point and emergence of differences in mechanisms of renal lesions development at glomerulonephritis, depending on the emm genotype of GAS strain. In addition, it also confirmed GAS-derived involvement for various IgFc-receptor proteins in the pathology. Further studies on potential prophylactic or curative effects of IgG Fc fragments in PSGN should therefore be of interest. The findings might suggest a new therapeutic approach for non-suppurative poststreptococcal diseases.

Постстрептококковый гломерулонефрит, одно из серьезных осложнений острой инфекции, вызванной стрептококками группы А (СГА), остается до настоящего времени в поле зрения клиницистов и исследователей. Ранее мы показали, что клинические (вирулентные) штаммы СГА с документированной нефритогенной активностью были способны связывать Fc-фрагмент мономерных или агрегированных IgG человека и ряда млекопитающих. Кроме того, в экспериментах на кроликах были получены доказательства ведущей роли стрептококковых IgG Fc-связывающих белков в инициации постстрептококкового гломерулонефрита, сходного по иммуноморфологическим проявлениям с заболеванием у человека. Известна также способность нормального IgG и его Fc-фрагментов подавлять развитие экспериментального гломерулонефрита. Целью настоящего исследования являлось изучение блокирующей способности препарата очищенных Fc-фрагментов нормального IgG кролика на развитие гломерулонефрита, индуцированного штаммами S. pyogenes генотипов emm1, emm12 и emm60, связывающими, соответственно, различные формы иммуноглобулинов: мономерный IgG, иммунные комплексы и IgА.

Материалы и методы. Для введения кроликам были использованы штаммы СГА генотипов emm1, emm12 и emm60, инициирующие развитие гломерулонефрита и IgA-нефропатии. Fc-фрагменты были получены путем ферментативного переваривания нормального IgG кролика с последующей очисткой на колонке с Sepharose FF, конъюгированной с протеином G. Для оценки иммуноморфологических изменений в почечной ткани кролика применяли морфометрический анализ.

Результаты. Были выявлены разные по интенсивности и локализации патологические изменения в почечной ткани подопытных животных. Для стрептококков генотипов emm1 и emm12 был характерен постстрептококковый гломерулонефрит, первично проявляющийся отложением IgG или IgG—анти-IgG иммунных комплексов в базальной мембране клубочков. Морфологические изменения оценивались как мембранозно-пролиферативный процесс. Между тем, для IgA-гломерулонефрита были свойственны отложения IgA в мезангиальных клетках клубочков, ведущие к мезангиально-пролиферативному процессу. Внутривенное введение препарата Fc-фрагментов нормального IgG кролика по-разному влияло на патологические изменения: 1) Fc-фрагменты IgG полностью подавляли развитие процесса, индуцированного штаммом генотипа emml; 2) частично подавляли изменения, вызванные штаммом генотипа emml2 и 3) не влияли на процесс, вызванный штаммом генотипа emm60.

Заключение. Приведенные данные указывают на существование различий в механизмах поражения почечных гломерул с участием различных IgFc-рецепторных белков стрептококков группы А. Представляют интерес дальнейшие исследования возможного профилактического или лечебного воздействия Fc-фрагмента IgG на процессы иммунокомплексной природы, осложняющие стрептококковые заболевания.

Streptococcus pyogenesIgG Fc fragmentexperimental streptococcal glomerulonephritisIgG binding by streptococcal cellsIgA binding by streptococcal cellsStreptococcus pyogenesFc-фрагмент IgGэкспериментальный стрептококковый гломерулонефритIgG-связывающая активность стрептококкаIgA-связывающая активность стрептококкаИсследование выполнено при поддержке гранта РФФИ №14-04-003901. Бурова Л.А., Гаврилова Е.А., Пигаревский П.В., Селиверстова В.Г., Нагорнев В.А., Шален К., Тотолян Артем А. Способность стрептококков группы А типа М12 связывать иммунные комплексы и их роль в патогенезе постстрептококкового гломерулонефрита // Медицинская иммунология. 2006. Т. 8, № 5—6. С. 623—630.2. БуроваЛ.А., Пигаревский П.В., Снегова В.А., Кулешевич Е.В.,Жарков Д.А., Шален К., Тотолян Артем А. Нефритогенная активность Streptococcus pyogenes генотипов emm1 и emm12, различающихся по источнику выделения // Инфекция и иммунитет. 2015. Т. 5, № 3. С. 233-242.3. Бурова Л.А., Пигаревский П.В., Снегова В.А., Дуплик Н.В., Шален К., Тотолян Артем А. Нефритогенность IgA-связывающих Streptococcus pyogenes. Моделирование IgA гломерулонефрита // Медицинская иммунология. 2016. Т. 18, № 3. С. 221-230.4. Тотолян Артем А., Бурова Л.А. Fc-рецепторные белки Streptococcus pyogenes и патогенез постинфекционных осложнений // Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2014. № 3. С. 78-905. Allhorn M., Collin M. Sugar-free antibodies — the bacterial solution to autoimmunity. Ann. NY Acad. Sci., 2009, vol. 1173, pp. 664-669. doi: 10.1111/j.1749-6632.2009.04739.x6. Akilesh Sh., Huber T.B., Wu H., Wang G., Hartleben B., Kopp J.B., Miner J.J.H., Roopenian D.C., Unanue E.R., Shaw A.S. Podocytes use fcR to clear IgG from the glomerular basement membrane. PNAS, 2008, vol. 105, no. 3, pp. 967-972. doi: 10.1073/pnas.07115151057. Anthony R.M., Wermeling F., Ravetch J.V. Novel roles for IgG Fc glycan. Ann. NY Acad. Sci, 2012, vol. 1253, pp. 170-180. doi: 10.1111/j.1749-6632.2011.06305.x1708. Barabas A.Z., Cole C.D., Lafreniere R., Weir D.M. Immunopathological events initiated and maintained by pathogenic IgG autoantibodies in an experimental autoimmune kidney disease. Autoimmunity, 2012, vol. 45, no. 7, pp. 495-509. doi: 10.3.109/089.934.2012.702812169. Burova L.A., Nagornev V.A., Pigarevsky P.V., Gladilina M.M., Seliverstova V.G., Schalen C. Triggering of renal damage in the rabbit by IgGFc-receptor-positive group A streptococci. APMIS, 1998, vol. 106, pp. 277-287.10. Burova L., Pigarevsky P., Duplik N., Snegova V., Suvorov A., Schalen C., Totolian A. Immune complex binding Streptococcus pyogenes type M12/emm12 in experimental glomerulonephritis. J. Med. Microbiol., 2013, vol. 62, pt 9, pp. 1272-1280. doi: 10.1099/jmm.0.059196-011. Collan Y. Morphometry in pathology: another look at diagnostic histopathology. Pathol. Res. Pract., 1984, no. 1, pp. 189-192.12. Collin M., Shannon O., Bjorck L. IgG glycan hydrolysis by a bacterial enzyme as a therapy against autoimmune conditions. Natl Acad. Sci. USA, 2008, vol. 105, no. 11, pp. 4265-4270. doi: 10.1073/pnas.071127110513. Danilova T.A. Fc receptors of endothelial cells of cardiac valves: comparison of IgG Fc binding activity of these receptors and of Fc receptors of group A streptococci. Zh. Mikrobiol. Epidemiol. Immunobiol., 2003, no. 2, pp. 46-51.14. Gomez-Guerrero C., Duque N., Casado M.T., Pastor C., Blanco J., Mampaso F., Vivanco F., Egido J. Administration of IgG Fc-fragments prevents glomerular injury in experimental immune complex nephritis. J. Immunol., 2000, vol., 164, pp. 2092-2101. doi: 10.4049/jimmunol.164/4.209215. Hayes J.M., Frostell H.A., Cosgrave E., Strume W., Potter O., Davey G., Karisson R., Anneren C., Rudd P. Fc gamma receptor glycosylation modulates the binding of IgG glycoforms: a requirement for stable antibody interactions. J. Proteome Res., 2014, vol. 13, no. 12, pp. 5471-5485. doi: 10.1021/pr500414q16. Hayes J.M., Cosgrave E.F., Struwe W.B., Wormald M., Davey G.P., Jefferis R., Rudd P.M. Glycosylation and Fc receptors. Cur. Top. Microbiol. Immunol, 2014, vol. 382, pp. 165-199. doi: 10.1007/978-3-319-07911-0817. Haymann J.P., Delarue F., Baud L., Sraer J.D. Aggregated IgG bind to glomerular epithelial cells to stimulate urokinase release through an endocytosis independent process. Nephron Exp. Nephrol, 2004, vol. 98, no. 1, pp. 13-21. doi: 10.1159/00007992818. Homma H., Tozawa K., Yasui T., ItohY, Hayashi Y., Kohri K. Abnormal glycosylation of serum IgG in patients with IgA nephropathy. Clin. Exp. Nephrol., 2006, vol. 10, no. 3,pp. 180-185. doi: 10.1007/s10157-006-0422-y19. Monteiro R.C., Leroy V., Launay P., Moura I.C., Arcos-Fajardo M., Benhamou M., Haddad E. Pathogenesis of Berger’s disease: recent advances on the involvement of immunoglobulin A and their receptors. Med. Sci. (Paris), 2003, vol. 19, no. 12, pp. 12331241. doi: 10.1051/medsci/20031912123320. Monteiro R.C., Moura I.C., Launay P., Tsuge T., Haddad E., Benhamou M., Cooper M.D., Arcos-Fajardo M. Pathogenic significance of IgA receptor interactions in IgA nephropathy. Trends Mol. Med., 2002, vol. 8, no. 10, pp. 464- 468.21. Nordenfelt P., Waldemarson S., Linder A., Morgelin M., Karlsson C., Malmstrom J., Bjorck L. Antibody orientation at bacterial surfaces is related to invasive infection. Exp. Med., 2012, vol. 209, no. 13, pp. 2367-2381. doi: 10.1084/jem.2012032522. Okazaki K., Suzuki Y., Otsuji M., Suzuki H., Kihara M., Kajiyama T., Hashimoto A., Nishimura H., Brown R., Hall S., Novak J., Izui S., Hirose S., Tomino Y. Development of a model of early-onset IgA nephropathy. J. Am. Soc. Nephrol., 2012, vol. 23, no. 8, pp. 1364-1374. doi: 10.1681/ASN.201112116023. Qu Z., Cui Z., Liu G., Zhao M.H. The distribution of IgG subclass deposition on renal tissues from patients with anti-glomerular basement membrane disease. BMC Immunol., 2013, vol. 14, pp. 19-26. doi: 10.1186/1471-2172-14-1924. Schmitt R., StAhl A.L., Olin A.I., Kristoffersson A.C., Rebetz J., Novak J., Lindahl G., Karpman D. The combined role of galactose-deficient IgA1 and streptococcal IgA-binding M Protein in inducing IL-6 and C3 secretion from human mesangial cells: implications for IgA nephropathy. J. Immunol., 2014, vol. 93, no. 1, pp. 317-326. doi: 10.4049/jimmunol.1302249.25. Siberil S., Dutertre C.A., Boix C., Bonnin E., Menez R., Stura E., Jorieux S., Fridman W.H., Teillaud J.L.. Molecular aspects of human Fc gamma R interactions with IgG: functional and therapeutic consequences. Immunol Lett., 2006, vol. 106, no. 2, pp. 111-118. doi: 10.1016/j.imlet.2006.05.00926. Soderberg J.J., Pawel-Rammingen U. The streptococcal protease IdeS modulates bacterial IgGFc binding and generates 1/2Fc fragments with the ability to prime polymorphonuclear leucocytes. Mol. Immunol., 2008, vol. 45, no. 12, pp. 3347-3353. doi: 10.1016/j.molimm. 2008.04.01327. Su Y.F., Chuang W.J., Wang S.M., Chen W.Y., Chiang-Ni C., Lin Y.S., Wu J.J., Liu C.C. The deficient cleavage of M protein-bound IgG by IdeS: insight into the escape of Streptococcus pyogenes from antibody-mediated immunity. Mol. Immunol., 2011, vol. 49, no. 1-2, pp. 134-142. doi: 10.1016/j.molimm.2011.08.00228. Van Timmeren M.M., van der Veen B.S., Stegeman C.A., Petersen A.H., Hellmark T., Collin M., Heeringa P. IgG glycan hydrolysis attenuates ANCA-mediated glomerulonephritis. J. Am. Soc. Nephrol., 2010, vol. 21, no. 7, pp. 1103—1114. doi: 10.1681/ ASN.200909098429. Xue J., Zhu L.P., Wei Q. IgG-Fc N-glycosylation at Asn297 and IgA O-glycosylation in the hinge region in health and disease. Glycoconj. J, 2013, vol. 30, no. 8,pp. 735-745. doi: 10.1007/s10719-013-9481-y30. Yang R., Otten M.A., Hellmark T., Collin M., Bjorck L., Zhao M.H., Daha M.R., Segelmark M. Successful treatment of experimental glomerulonephritis with IdeS and EndoS, IgG-degrading streptococcal enzymes. Nephrol. Dial. Transplant., 2010, vol. 25, no. 8, pp. 2479-2786. doi: 10.1093/ndt/gfq115