role of treponema in periodontal diseases

7/30/2019 role of treponema in periodontal diseases

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http://cro.sagepub.com/Critical Reviews in Oral Biology & Medicine

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DOI: 10.1177/10454411010120050301

2001 12: 399CROBMMichael N. Sela

Role of Treponema Denticola in Periodontal Diseases

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ROLE OF T R E P O N E I A U DENTICOLAI N PERIODONTAL D I S E A S E SM i c h a e l N . S e l aD e p a r t m e n t o f O r a l B i o l o g y , F a c u l t y o f D e n t a l M e d i c i n e , H e b r e w U n i v e r s i t y , J e r u s a l e m 9 1 1 2 0 , P O B o x 1 1 2 7 2 , I s r a e l ; m s e l a @ c c . h u j i . a c . i l

ABSTRACT: Among p e r i o d o n t a l a n a e r o b i c p a t h o g e n s , t h e o r a l s p i r o c h e t e s , a n d e s p e c i a l l y T r e p o n e m a d e n t i c o l a , h a v e b e e n a s sc i a t e d w i t h p e r i o d o n t a l d i s e a s e s s u c h a s e a r l y - o n s e t p e r i o d o n t i t i s , n e c r o t i z i n g u l c e r a t i v e g i n g i v i t i s , a n d a c u t e p e r i c o r o n i t i s . B a sr e s e a r c h a s w e l l a s c l i n i c a l e v i d e n c e s u g g e s t t h a t t h e p r e v a l e n c e o f T . d e n t i c o l a , t o g e t h e r w i t h o t h e r p r o t e o l y t i c G r a m - n e g a t i v e b at e r i a i n h i g h n u m b e r s i n p e r i o d o n t a l p o c k e t s , may p l a y a n i m p o r t a n t r o l e i n t h e p r o g r e s s i o n o f p e r i o d o n t a l d i s e a s e . T h e a c cm u l a t i o n o f t h e s e b a c t e r i a a n d t h e i r p r o d u c t s i n t h e p o c k e t may r e n d e r t h e s u r f a c e l i n i n g p e r i o d o n t a l c e l l s h i g h l y s u s c e p t i b l el y s i s a n d d a m a g e . T . d e n t i c o l a h a s b e e n s h o w n t o a d h e r e t o f i b r o b l a s t s a n d e p i t h e l i a l c e l l s , a s w e l l a s t o e x t r a c e l l u l a r m a t r i x c o mp o n e n t s p r e s e n t i n p e r i o d o n t a l t i s s u e s , a n d t o p r o d u c e s e v e r a l d e l e t e r i o u s f a c t o r s t h a t may c o n t r i b u t e t o t h e v i r u l e n c e o f t h e b at e r i a . T h e s e b a c t e r i a l c o m p o n e n t s i n c l u d e o u t e r - s h e a t h - a s s o c i a t e d p e p t i d a s e s , c h y m o t r y p s i n - l i k e a n d t r y p s i n - l i k e p r o t e i n a s eh e m o l y t i c a n d h e m a g g l u t i n a t i n g a c t i v i t i e s , a d h e s i n s t h a t b i n d t o m a t r i x p r o t e i n s a n d c e l l s , a n d a n o u t e r - s h e a t h p r o t e i n w i t h p o rf o r m i n g p r o p e r t i e s . T h e e f f e c t s o f T . d e n t i c o l a w h o l e c e l l s a n d t h e i r p r o d u c t s o n a v a r i e t y o f h o s t m u c o s a l a n d i m m u n o l o g i c a l c e lh a s b e e n s t u d i e d e x t e n s i v e l y ( F i g . 1 ) . T h e c l i n i c a l d a t a r e g a r d i n g t h e p r e s e n c e o f T . d e n t i c o l a i n p e r i o d o n t a l h e a l t h a n d d i s e a st o g e t h e r w i t h t h e b a s i c r e s e a r c h r e s u l t s i n v o l v i n g t h e r o l e o f T . d e n t i c o l a f a c t o r s a n d p r o d u c t s i n r e l a t i o n t o p e r i o d o n t a l d i s e a s ea r e r e v i e w e d a n d d i s c u s s e d i n t h i s a r t i c l e .Key w o r d s . T r e p o n r e m a d e n t i c o l a , p e r i o d o n t a l d i s e a s e s , a d h e r e n c e , m o t i l i t y , p r o t e o l y t i c e n z y m e s , c y t o p a t h i c e f f e c t s .

( 1 ) I n t r o d u c t i o nS e v e r a l s p e c i e s o f s p i r o c h e t e s a r e known t o b e p a t h o g e n i c i nh u m a n s , i n c l u d i n g B o r r e l i a b u r g d o r f e r i , t h e e t i o l o g i c a g e n t o fLyme d i s e a s e , T r e p o n e m a p a l l i d u m , w h i c h c a u s e s v e n e r e a ls y p h i l i s , a n d t w o o t h e r s p i r o c h e t e s r e l a t e d t o T . p a l l i d u m w h i c ha r e t h e c a u s a t i v e a g e n t s o f yaws ( T . p e r t e n u e ) a n d p i n t a ( T . c a r a -t e u m ) . L e p t o s p i r a , a s p i r o c h e t e f o u n d i n w a t e r a n d s o i l , may a l s ob e p a t h o g e n i c t o h u m a n s a n d o t h e r mammals ( C a n a l e - P a r o l a ,1 9 7 7 ; H o l t , 1 9 7 8 ) . T r e p o n e m e s a r e a l s o p a r t o f t h e human n o r -m a l o r a l f l o r a . B e i n g a n a e r o b i c , t h e y r e s i d e m a i n l y i n t h e s u b -g i n g i v a l a r e a . H o w e v e r , t h e y may t a k e h o l d i n o p p o r t u n i s t i ci n f e c t i o n s s u c h a s p e r i o d o n t a l d i s e a s e s , w h i c h a r e d e s t r u c t i v e ,i n f l a m m a t o r y p r o c e s s e s o f t h e t o o t h a t t a c h m e n t t i s s u e s , c a u s e db y G r a m - n e g a t i v e p r o t e o l y t i c a n a e r o b i c b a c t e r i a ( G a z i e t a l . ,1 9 9 7 ) . V a r i o u s s p i r o c h e t a l m o r p h o t y p e s c a n b e o b s e r v e d i np e r i o d o n t a l p o c k e t s , b u t many o f t h e s e m o r p h o t y p e s a r e a s y e tu n c u l t i v a b l e ( M o t e r e t a l . , 1 9 9 8 ) . One o f t h e m o s t s t u d i e d o r a ls p i r o c h e t e s , T . d e n t i c o l a ( F i g . 2 ) , p o s s e s s e s t h e f e a t u r e s n e e d e df o r a d h e r e n c e , i n v a s i o n , a n d d a m a g e o f t h e p e r i o d o n t a l t i s s u e s( F e n n o a n d M c B r i d e , 1 9 9 8 ) . I n p a r t , t h e s e b a c t e r i a r e s e m b l e t h ef a s t i d i o u s b e h a v i o r o f t h e known p a t h o g e n i c s p i r o c h e t e s , a n dc a n b e f o u n d i n n o n - o r a l i n f e c t i o n s , e . g . , d i g i t a l l e s i o n s i n c a t t l e( C h o i e t a l . , 1 9 9 7 ) .T h e r e c e n t c o m p l e t e T . p a l l i d u m genome s e q u e n c e ( F r a s e re t a l . , 1 9 9 8 ) r e v e a l e d t h a t t h e T . p a l l i d u m c h r o m o s o m e e n c o d e s1 2 p o l y p e p t i d e s w i t h s e q u e n c e r e l a t e d n e s s t o t h e m a j o r o u t e rs h e a t h o f T . d e n t i c o l a ( C e n t u r i o n - L a r a e t a l . , 1 9 9 9 ) . C o m p a r i s o no f t h e T . p a l l i d u m genome s e q u e n c e w i t h t h a t o f B . b u r g d o r f e r ii d e n t i f i e d u n i q u e a n d common g e n e s a n d s u b s t a n t i a t e s t h ec o n s i d e r a b l e d i v e r s i t y o b s e r v e d among p a t h o g e n i c s p i r o -c h e t e s . D e f i n e d g e n e t i c mutants o f T . d e n t i c o l a were c o n s t r u c t -e d b y a l l e l i c r e p l a c e m e n t m u t a g e n e s i s ( L i a n d K u r a m i t s u ,1 9 9 6 ; L i e t a l . , 1 9 9 6 ) , a n d a n o v e l m e t h y l - a c c e p t i n g c h e m o t a x i s

g e n e , d m c B , h a s b e e n i d e n t i f i e d ( L i e t a l . , 1 9 9 9 ) .F u r t h e r m o r e , a new E s c h e r i c h i a c o l i - T . d e n t i c o l a s h u t t l e v e ct o r , b a s e d on a n a t u r a l l y o c c u r r i n g s p i r o c h e t e p l a s m i d , war e c e n t l y c o n s t r u c t e d , a n d t h e h e t e r o l o g o u s T . p a l l a d u m f l ag e n e f r o m t h e p l a s m i d i n T . d e n t i c o l a was e x p r e s s e d ( C h i e t a l1 9 9 9 ) . T h i s ne w s h u t t l e v e c t o r s y s t e m may b e u s e f u l i n c h a r a ct e r i z i n g v i r u l e n c e f a c t o r s f r o m p a t h o g e n i c s p i r o c h e t e s t hc a n n o t b e c u l t u r e d .

I n t h e p e r i o d o n t a l p o c k e t , T . d e n i t i c o l a a r e f o u n d c l o s e t o t hj u n c t i o n a l e p i t h e l i u m , a n d w e r e s h o w n t o a d h e r e t o h o s t c e la n d t i s s u e s a s w e l l a s t o m a t r i x p r o t e i n s ( O l s e n , 1 9 8 4 ; S e l a e t a l1 9 8 7 a ; W e i n b e r g a n d H o l t , 1 9 9 0 ; H o l t a n d B r a m a n t i , 1 9 9 1 ; U i te t a l . , 1 9 9 5 ; L e u n g e t a l . , 1 9 9 6 ; T h o m a s , 1 9 9 6 ) . T h e y a r e a l s o a b lt o a d h e r e t o o t h e r b a c t e r i a ( G r e n i e r , 1 9 9 2 a ; Onagawa e t a l . , 1 9 9 4K o l e n b r a n d e r e t a l . , 1 9 9 5 ; Y a o e t a l . , 1 9 9 6 ) , t o c o l l a g e n - b i n d i np r o t e i n s ( U m e m o t o e t a l . , 1 9 9 7 ) , a n d t o c o l l a g e n u s e d a s a b ar i e r f o r g u i d e d b o n e r e g e n e r a t i o n ( S e l a e t a l . , 1 9 9 9 ) . O f s p e c ii n t e r e s t a r e t h e b i m o d a l a n d n u t r i t i o n a l i n t e r a c t i o n s b e t w e e nd e n t i c o l a a n d o t h e r p e r i o d o n t a l b a c t e r i a , e s p e c i a l l y P . g i n g i v a l ion t h e o n e h a n d ( G r e n i e r , 1 9 9 2 a , b ; Y a o e t a l . , 1 9 9 6 ) , a n d t ha n t a g o n i s t i c r e l a t i o n s h i p s o f T . d e n t i c o l a w i t h o t h e r b a c t e r i a , ot h e o t h e r ( G r e n i e r , 1 9 9 6 a ) . T h e p r e s e n c e o f p r o t e o l y t i c e n z y m ea n d c y t o l y t i c f a c t o r s i n t h e s e m i c r o - o r g a n i s m s ( U i t t o e t a l . , 1 9 81 9 9 5 ; H o l t a n d B r a m a n t i , 1 9 9 1 ; S y e d e t a l . , 1 9 9 3 ; R o s e n e t a1 9 9 4 , 1 9 9 5 ; M d k i n e n a n d M a k i n e n , 1 9 9 7 ; M i k x , 1 9 9 7 ) , t o g e t hw i t h t h e i r h i g h m o t i l i t y ( P i e t r a n t o n i o e t a l . , 1 9 8 8 ) , may c o nt r i b u t e t o t h e t r e p o n e m e s ' p o s s i b l e i n v a s i v e c a p a b i l i t y . I n d e e dc h a l l e n g e o f m i c e w i t h T . d e n t i c o l a r e s u l t e d i n d e e p i n v a s i v e n e sa n d i n v o l v e m e n t o f m u l t i p l e t i s s u e s , i n c l u d i n g e p i t h e l i a l a nc o n n e c t i v e t i s s u e s ( E b e r s o l e e t a l . , 1 9 9 5 ) . W i t h t h e d e t e r i o r a t io f t h e p e r i o d o n t a l t i s s u e s d u r i n g t h e d e v e l o p m e n t o f p e r id o n t a l d i s e a s e s , a p r o g r e s s i v e i n c r e a s e i n t h e p e r c e n t a g e o f g ig i v a l s p i r o c h e t e s c a n b e s e e n ( L i s t g a r t e n a n d L e v i n e , 1 9 8L o e s c h e a n d L a u g h o n , 1 9 8 2 ) .12(5:399413(200Crt R e O r a B i l Me 393 92 ( 5 ) : 3 9 9 - 4 1 3 ( 2 0 0 1 ) C r i t R e v O r a l B i o l Med

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A p o s i t i v e c o r r e l a t i o n h a s b e e n e s t a b l i s h e d b e t w e e n t h e p e r -o f s u b g i n g i v a l s p i r o c h e t e s a n d d e n t a l p l a q u e i n d e x , g i n -e x u d a t e , g i n g i v a l i n d e x , b l e e d i n g t e n d e n c y , p o c k e t d e p t h ,t i s s u e a t t a c h m e n t l o s s , a n d p e r i o d o n t a l d i s e a s e i n d e xe t a l . , 1 9 8 2 ) . M o r e o v e r , a s i g n i f i c a n t r e d u c t i o n i n t h eo f i n d i v i d u a l p o c k e t s a n d i n t h e d e g r e e o f i n f l a m m a t i o n

s b e e n o b s e r v e d c o n c o m i t a n t l y w i t h t h e d e c r e a s e i n t h e t r e -p o p u l a t i o n f o l l o w i n g p e r i o d o n t a l t h e r a p y ( L o e s c h ed L a u g h o n , 1 9 8 2 ) . S t u d i e s a l s o s u g g e s t t h a t c h a n g e s i n a n t i -t i t e r s t o s p e c i f i c o r a l t r e p o n e m e s may b e a s s o c i a t e d w i t h

d i s e a s e s ( J a c o b s e t a l . , 1 9 8 0 ; Mangan e t a l . , 1 9 8 2 ) .e v i d e n c e f o r a p o s i t i v e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n T . d e n -a n d s e v e r e p e r i o d o n t i t i s was e s t a b l i s h e d b y S i m o n s o n e t a l .S h o r t l y a f t e r w a r d , t h e s e r e s e a r c h e r s , u s i n g m o n o c l o n a ls p e c i f i c f o r T . d e n t i c o l a , d e m o n s t r a t e d a s i g n i f i c a n ti n t h e n u m b e r s o f t h e o r g a n i s m s w i t h d i s e a s e s e v e r i t ye t a l . , 1 9 9 0 ) . W i t h t h e r a p i d d e v e l o p m e n t o f t h e f i e l d

d e n t a l i m p l a n t o l o g y , a t t e n t i o n h a s b e e n d r a w n t o t h e m i c r o -p o p u l a t i o n o f " p e r i - i m p l a n t i t i s " . S p i r o c h e t e s w e r e amonge m o s t f r e q u e n t l y d e t e c t e d m i c r o - o r g a n i s m s f r o m p a t i e n t sf a i l i n g i m p l a n t s ( L i s t g a r t e n a n d L a i , 1 9 9 9 ) . T h e e x t e n s i v ef o r p o s s i b l e r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n p e r i o d o n t a l b a c t e r i ad t h e p a t h o g e n i c s e q u e l a e t h a t a c c o m p a n y p e r i o d o n t a l d i s -

h a s r e v e a l e d t h e p r e s e n c e o f s e v e r a l c e l l - m o d u l a t i n g f a c -a n d e f f e c t s i n T . d e n t i c o l a ( F i g . 1 ) : s u p p r e s s i o n o f f i b r o b l a s t( B o e h r i n g e r e t a l . , 1 9 8 4 ) ; e n h a n c e m e n t o f c o l l a g e nb y g i n g i v a l f i b r o b l a s t s ( B a t t i k h i e t a l . , 1 9 9 9 ) ; as u p p r e s s o r f o r human l y m p h o c y t e

( S h e n k e r e t a l . , 1 9 8 4 ) ; a n i n h i b i t o r o f s u p e r o x i d e p r o -b y l e u k o c y t e s ( S e l a e t a l . , 1 9 8 7 b , 1 9 9 7 ) ; a c t i v a t i o n o f I L -( B e a u s e j o u r e t a l . , 1 9 9 7 ) ; b o n e r e s o r p t i o n i n v i t r o ( G o p a l s a m i e t1 9 9 3 ) ; a n d t h e a c t i v a t i o n o f b o t h t h e c l a s s i c a n d t h e a l t e r n a -p a t h w a y s o f human c o m p l e m e n t ( S c h e n k e i n a n d B e r r y ,T . d e n t i c o l a w a s f u r t h e r shown t o p e r t u r b a c t i n a n d a c t i n -p a t h w a y s i n h o s t c e l l s ( E l l e n , 1 9 9 9 ) .T h e s e b a c t e r i a p o s s e s s s e v e r a l l i p o p r o t e i n s a n d a s p e c i f i c l i p o -

m o l e c u l e . A n e n r i c h e d l i p o p r o t e i n f r a c t i o n f r o m T .w a s shown t o m o d u l a t e o x y g e n - d e p e n d e n t a n d - i n d e -m e c h a n i s m s b y human PMN ( S e l a e t a l . , 1 9 9 7 ) .

1 . T h e e f f e c t s o f T 7 d e n t i c o l a a n d t h e i r m e t a b o l i c p r o d u c t s o n m u ci n t h e p e r i o d o n t a l s i t e . T c l e n t i c o l a a d h e r e s t o ( - 0 - ) e p i t h e l i a l c e l l s ct o P g i n g i v a l i s a n d f u s o b a c t e r i a . B a c t e r i a l p r o d u c t s ( M s p * = m a j o r s u r lp r o t e a s e ) a c t o n ( * ) m u c o s a l c e l l s a n d o n i m m u n e s y sa n d r e l e a s e o f c e l l u l a r d e l e t e r i o u s f a c t o r s t o t h e p e r i o d o n t a l e n v i

I n t e r e s t i n g l y , i t w a s r e c e n t l y s h o w n t h a t a l t h o u g h r e g a r d e d a s sa n a e r o b e s , T . d e n t i c o l a h a v e s i g n i f i c a n t o x y g e n m e t a b o l i s m , e v et h e l o w l e v e l s o f 0 2 m e a s u r e d i n p e r i o d o n t a l p o c k e t s , a n d c o ne n z y m e s t h a t o f f e r a t l e a s t m o d e r a t e p r o t e c t i o n a g a i n s t d a m a gr e a c t i v e o x y g e n s p e c i e s ( C a l d w e l l a n d M a r q u i s , 1 9 9 9 ) .T h e m a j o r s u r f a c e p r o t e i n a n d t h e s u r f a c e - e x p r e s s e d c h yt r y p s i n - l i k e p r o t e a s e c o m p l e x o f T . d i c ) t i c o f i v h a v e b e e n s u g g et o b e m e d i a t o r s o f t h e c y t o p a t h i c e f f e c t s t y p i c a l l y s e e n i n p ed o n t a l d i s e a s e s ( F e n n o e t i l . , 1 9 9 8 a , b ; I s h i h a r a a n d O k u d a , 1 9H o w e v e r , r e c e n t w o r k ( C a i m a n o e t a l . , 1 9 9 9 ) p r o p o s e s t h a tm a j o r s u r f a c e p r o t e i n i s p r e d o m i n a n t l y p e r i p l a s m i c , w i t hl i m i t e d s u r f a c e e x p o s u r e .S e v e r a l i m p o r t a n t i s s u e s c o n c e r n i n g t h e p o t e n t i a l v i r u lo f T . d e n t i c o l a r e m a i n f o r f u r t h e r e x p l o r a t i o n : t h e p o s s i b l e et e n c e o f a b i o l o g i c a l l y a c t i v e l i p o p o l y s a c c h a r i d e m o l e c u l e ,e x a c t l o c a t i o n a n d f u n c t i o n o f t h e " m a j o r s u r f a c e p r o t e i n " ,t h e g e n e t i c a n d p a t h o g e n i c s i m i l a r i t i e s b e t w e e n t h e s e b a c ta n d o t h e r d i s e a s e - c a u s i n g s p i r o c h e t e s . T h e e n s u i n g d i s c u s s i oc l i n i c a l e v i d e n c e a n d b a s i c r e s e a r c h s t u d i e s w i l l e x a m i n e t h eo f T . d e n t i c o l a a n d t h e i r p r o d u c t s i n t h e c e l l a n d t i s s u e d e s t r u ct h a t a c c o m p a n i e s p e r i o d o n t a l d i s e a s e s . P o s s i b l e a v e n u e sf u t u r e r e s e a r c h i n t h e f i e l d o f h o s t - p a r a s i t e i n t e r - r e l a t i o n s h i pt h e p e r i o d o n t a l e n v i r o n m e n t w i l l a l s o b e h i g h l i g h t e d .

( 2 ) T . d e n t i c o l a i n P e r i o d o n t a l D i s e a s e s( 2 . 1 ) HUMAN S T U D I E S

T h e m o s t common a n a e r o b i c b a c t e r i a s h o w n t o d o m i n a t e p ed o n t a l p l a q u e a s s o c i a t e d w i t h d i s e a s e a r e 1 ' g i u i g i v a l i s , B . ' o r s I ta n d T d e n t i c o l a . A n a e r o b i c m i c r o - o r g a n i s m s , s u c h a s s p i r o c ha n d b l a c k - p i g m e n t e d B a c t e r o i d e s ( c l a s s i f i e d r e c e n t l yP o r p h y r o m o n a s a n d P r e v o t e l l a ) , w e r e i d e n t i f i e d m o r e t h a n 3 5 ya g o a s p e r i o d o n t a l p a t h o g e n s ( M a c D o n a l d e t n l . , 1 9 6 2 ) . As t h ei c a l p e r i o d o n t a l p a r a m e t e r s w o r s e n , t h e n u m b e r a n d p e r c e no f s p i r o c h e t e s c o u n t e d b y m i c r o s c o p i c t e c h n i q u e s i n c r e a s ep o r t i o n a t e l y ( L i s t g a r t e n a n d H e l l d e n , 1 9 7 8 ; L i n d l h e e t n l . , 1L o e s c h e a n d L a u g h o n , 1 9 8 2 ; R i v i e r e e t a l . , 1 9 9 5 ) . T h e p r e s e n c ed e n t i c o l a a n d u n i d e n t i f i e d s p i r o c h e t e s i n h e a l t h y p e r i o d o n t a lwas a l s o a s s o c i a t e d w i t h a n i n c r es u s c e p t i b i l i t y t o g i n g i v a l i n f l a m m a t( R i v i e r e a n d D e R o u e n , 1 9 9 8 ) .S p i r o c h e t e s w e r e a l s o s h o w n t o b en i f i c a n t l y e l e v a t e d ( i n n u m b e r s a n dM . e b i n p o r t i o n s ) i n d e n t a l p l a q u e s r e m ot i n e g a l i o n f r o m u n t r e a t e d p a t i e n t s c o m p a r e d w

c e l l s \ t h o s e f r o m p a t i e n t s r e c e i v i n g p el cl d o n t a l t r e a t m e n t . S p i r o c h e t e s w e r eo v e r w h e l m i n g m i c r o b i a l t y p e i np l a q u e s o f a d u l t p e r i o d o n t i t i s p a t i ea v e r a g i n g a b o u t 4 5 % , o f t h e m i c r o s c oc o w m t ( L o e s c h e c t a l . , 1 9 8 5 ) , a s v v e l l a

r o p h a z e s m i c r o b i a l s a m p l e s f r o m p a t i e n t s wi t i o n o f a c u t e p e r i c o r o n i t i s ( W e i n b e r g e t v l . , 1~ O T N O - u t/ a n d f a i l i n g i m p l a n t s ( 5 4 " % ) ( L i s t g aa n d L a i , 1 9 9 9 ) . F u r t h e r m o r e , t h e e x an a t i o n o f i n t r a - o r a l s o u r c e s o f s p e c i e s

s a l a n d i m m u n o l o g i c o n i z i n g d e n t a l i m p l a n t s ( L e e e t a l . , 1a n d f i b r o b l a s t s a s w e l l h a s r e v e a l e d p o s i t i v e a s s o c i a tf a c e p r o t e i n , C T L P * * = b e t w e e n T . d e n t i c v a i i s o l a t e d f r o m b a ct e m c e l l s , c a u s i n g c e l l i a l s a m p l e s t a k e n f r o m i m p l a n t si r o n m e n t . t e e t h a t t h e s a m e v i s i t .0 0 C r i t R e v O r a l B i v i Me d 12(9):399-413C r i t R c v O r a l B i o l M e d S0 0 1 2 ( 5 ) : 3 9 9 - 4 1 3 ( 2



4/16

S p e c i e s - s p e c i f i c n e s t e d P C R r e v e a l e d t h a t s u b j e c t s w i t hp e r i o d o n t i t i s h a r b o r e d i n t h e i r d e n t a l p l a q u e s t r a i n s o f T . d e n -t i c o l a , T r e p o n e m a a m y l o v o r u m , T r e p o n e m a m a l t o p h i l u m , T r e p o n e m am e d i u m , T r e p o n e m a p e c t i n o v o r u m , T r e p o n e m a s o c r a n s k i i , a n dT r e p o n e m a v i n c e n t i i ( W i l l i s e t a l . , 1 9 9 9 ) .U s i n g DNA p r o b e s , p o l y c l o n a l a n t i b o d i e s , a n d c u l t u r em e t h o d s , i n v e s t i g a t o r s h a v e a l s o s h o w n t h a t P g i n g i v a l i s , B .f o r s y t h u s , T . d e n t i c o l a , a n d o t h e r s p i r o c h e t e s w e r e p r e s e n t i n 8 0 -1 0 0 % o f p l a q u e s a m p l e s r e m o v e d p r i o r t o p e r i o d o n t a l s u r g e r y( L o e s c h e e t a l . , 1 9 9 2 ) . I n a r e c e n t s t u d y a i m e d t o d e t e r m i n e t h ea s s o c i a t i o n b e t w e e n t h e l e v e l s o f g r a n u l o c y t e e l a s t a s e a n dp r o s t a g l a n d i n E 2 i n t h e g i n g i v a l c r e v i c u l a r f l u i d a n d t h e p r e s -e n c e o f p e r i o d o n t o p a t h o g e n s i n u n t r e a t e d a d u l t p e r i o d o n t i t i sG i n e t a l . , 1 9 9 9 ) , t h e p r e d o m i n a n t c o m b i n a t i o n o f s p e c i e s d e t e c t -e d was P . g i n g i v a l i s , P . i n t e r m e d i a , B . f o r s y t h u s , a n d T . d e n t i c o l a .T h i s b a c t e r i a l c o m b i n a t i o n was s i g n i f i c a n t l y h i g h e r a t p e r i o -d o n t i t i s s i t e s ( 6 8 % ) t h a n a t h e a l t h y ( 7 % ) o r g i n g i v i t i s s i t e s ( 2 9 % ) .E s p e c i a l l y n o t e w o r t h y i s a n e n z y m e - l i n k e d i m m u n o s o r -b e n t a s s a y p r o c e d u r e , d e v e l o p e d w i t h a m o n o c l o n a l a n t i b o d ys p e c i f i c f o r a s e r o v a r i e t y o f T . d e n t i c o l a ( S i m o n s o n e t a l . , 1 9 8 8 ) .T . d e n t i c o l a was p r e s e n t a t s i g n i f i c a n t l y e l e v a t e d l e v e l s i np l a q u e s a m p l e s c o l l e c t e d f r o m d e e p - p o c k e t s i t e s o f p a t i e n t sw i t h s e v e r e p e r i o d o n t i t i s , r e l a t i v e t o h e a l t h y c o n t r o l s a n d ag r o u p w i t h m o d e r a t e d i s e a s e . T h e s e f i n d i n g s may b e c o n s i d -e r e d q u a n t i t a t i v e e v i d e n c e o f a p o s i t i v e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nT . d e n t i c o l a a n d s e v e r e p e r i o d o n t i t i s .T h e T . d e n t i c o l a s e r o v a r C c o n t e n t f r o m d e e p p o c k e t s o fp a t i e n t s w i t h s e v e r e p e r i o d o n t i t i s w as f o u n d , b y s p e c i f i c mono-c l o n a l a n t i b o d i e s , t o b e t w i c e t h a t o f s a m p l e s c o l l e c t e d f r o mp o c k e t s o f p a t i e n t s w i t h m o d e r a t e p e r i o d o n t i t i s , o r f r o m h e a l t h ys u b j e c t s ( S i m o n s o n e t a l . , 1 9 9 0 ) . I t h a s b e e n r e c o g n i z e d f o r somet i m e t h a t b a c t e r i a l s p e c i e s e x i s t i n c o m p l e x e s i n s u b g i n g i v a lp l a q u e . I n an a t t e m p t t o d e f i n e s u c h c o m m u n i t i e s , i n v e s t i g a t o r sh a v e u s e d d a t a f r o m l a r g e n u m b e r s o f p l a q u e s a m p l e s ( 1 3 , 0 0 0 )a n d e x a m i n e d d i f f e r e n t c l u s t e r i n g a n d o r d i n a t i o n t e c h n i q u e s( S o c r a n s k y e t a l . , 1 9 9 8 ) . F i v e m a j o r c o m p l e x e s were c o n s i s t e n t l yo b s e r v e d . One c o m p l e x i n p a r t i c u l a r , c o n s i s t i n g o f t h e t i g h t l yr e l a t e d g r o u p o f B . f o r s y t h u s , P g i n g i v a l i s , a n d T . d e n t i c o l a , r e l a t -e d s t r i k i n g l y t o c l i n i c a l measures o f p e r i o d o n t a l d i s e a s e , p a r t i c -u l a r l y p o c k e t d e p t h a n d b l e e d i n g on p r o b i n g .I n a s e r i e s o f 9 9 3 s u b g i n g i v a l m i c r o b i a l s a m p l e s s e n t t o ad i a g n o s t i c m i c r o b i o l o g y l a b o r a t o r y , 1 9 6 s a m p l e s c o u l d b ei d e n t i f i e d a s c o m p a t i b l e w i t h a c l i n i c a l d i a g n o s i s o f r e f r a c t o -r y , o r r e c u r r e n t , p e r i o d o n t i t i s ( L i s t g a r t e n e t a l . , 1 9 9 3 ) . I nd e s c e n d i n g o r d e r o f p r e v a l e n c e , t h e a s s o c i a t e d m i c r o b i o t ai n c l u d e d : B . f o r s y t h u s ( 8 4 % ) , s p i r o c h e t e s ( 8 3 % ) , m o t i l e r o d s( 7 6 o ) , F u s o b a c t e r i u m s p e c i e s ( 6 8 % ) , a n d P . g i n g i v a l i s ( 6 3 % ) .L o c a l i z a t i o n o f P . g i n g i v a l i s a n d T . d e n t i c o l a i n d i f f e r e n t a r e a so f s u b g i n g i v a l p l a q u e f r o m a d v a n c e d a d u l t p e r i o d o n t i t i sp a t i e n t s b y means o f s e n s i t i v e i m m u n o g o l d / s i l v e r - s t a i n i n g a n di m m u n o - e l e c t r o n m i c r o s c o p y w as a l s o s t u d i e d ( K i g u r e e t a l . ,1 9 9 5 ) . C e l l s o f b o t h P . g i n g i v a l i s a n d T . d e n t i c o l a w e re f o u n d p r e -d o m i n a n t l y i n s u b g i n g i v a l p l a q u e l o c a t e d a t d e p t h s o f moret h a n 4 mm i n p e r i o d o n t a l p o c k e t s . T . d e n t i c o l a c e l l s w e r e f o u n di n t h e s u r f a c e l a y e r s o f s u b g i n g i v a l p l a q u e , a n d P . g i n g i v a l i swere p r e d o m i n a n t b e n e a t h t h e m . H o w e v e r , i n t h e d e e p e r s u b -g i n g i v a l p l a q u e , c o e x i s t e n c e o f P . g i n g i v a l i s a n d T . d e n t i c o l a w a so b s e r v e d . T h e r e f o r e , t h e p r e s e n c e o f P . g i n g i v a l i s a n d T . d e n t i c o l amay p r o v i d e u s e f u l i n f o r m a t i o n r e g a r d i n g t h e p a t t e r n o f c o l o -n i z a t i o n o f m i c r o - o r g a n i s m s i n t h e p e r i o d o n t a l p o c k e t a n d mayb e d i r e c t l y r e l a t e d t o t h e d e l e t e r i o u s c h a n g e s s e e n i n t h e p o c k e t .On t h e o t h e r h a n d , s e v e r a l o r a l b a c t e r i a e x h i b i t i n g a n t a g o n i s m

t o w a r d T . d e n t i c o l a c o u l d b e d e m o n s t r a t e d ( G r e n i e r , 1 9 9 6 a )T h e s e p o s i t i v e a n d n e g a t i v e i n t e r a c t i o n s may h a v e a s i g n i f i c a nr o l e i n t h e p o p u l a t i o n s h i f t s o b s e r v e d i n s u b g i n g i v a l s i t e s .I n a n o t h e r d e v e l o p m e n t , c h e c k e r b o a r d D N A - D N A

h y b r i d i z a t i o n t e c h n o l o g y w a s u s e d t o s t u d y t h e o c c u r r e n c e o1 8 m i c r o b i a l s p e c i e s a s s o c i a t e d w i t h v a r i o u s s t a t e s o f p e r i od o n t a l h e a l t h a n d d i s e a s e , i n a s a m p l e o f 1 4 8 C h i n e s e s u b j e c tn e v e r b e f o r e e x p o s e d t o s y s t e m a t i c d e n t a l t h e r a p e u t i c i n t e rv e n t i o n ( P a p a p a n o u e t a l . , 1 9 9 7 ) . A n i n c r e a s e o f P . g i n g i v a l i s , Td e n t i c o l a , a n d B . f o r s y t h u s i n d e e p p o c k e t s o r p r o g r e s s i n g s i t ewas f o u n d . I t i s i m p o r t a n t t o n o t e t h a t c o l o n i z a t i o n b y P . g i ng i v a l i s , B . f o r s y t h u s , C a m p y l o b a c t e r r e c t u s , a n d T . d e n t i c o l a , al e v e l s e x c e e d i n g c e r t a i n t h r e s h o l d s , e n t a i l e d a s i g n i f i c a n t li n c r e a s e d p r o b a b i l i t y f o r a n i n d i v i d u a l s u b j e c t t o h a r b o r d e ep o c k e t s o r t o o t h s i t e s w i t h p r o g r e s s i n g d i s e a s e . A c o n t i n g e n ct a b l e o f t h e f r e q u e n c y o f T . d e n t i c o l a a n d P . g i n g i v a l i s i n s u bg i n g i v a l p l a q u e s a m p l e s r e v e a l e d a h i g h l y s i g n i f i c a n t s y n e rg i s t i c r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e b a c t e r i a . T h e f i n d i n g t h a t t ho c c u r r e n c e o f T . d e n t i c o l a a p p a r e n t l y r e qu i r e s t h e p r e s e n c e oP . g i n g i v a l i s ( S i m o n s o n e t a l . , 1 9 9 2 ) may a l s o r e p r e s e n t a s y ne r g i s t i c r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e s e p u t a t i v e o r a l p a t h o g e n s .T a k e n t o g e t h e r , t h e f a c t t h a t c e l l - f r e e c u l t u r e f i l t r a t e s o f Pg i n g i v a l i s s t i m u l a t e d t h e g r o w t h o f s t r a i n s o f T . d e n t i c o l a ( N i l i ue t a l . , 1 9 9 3 ) , a n d s i n c e s u b g i n g i v a l p l a q u e s f r o m p e r i o d o n t ap o c k e t s c o l o n i z e d w i t h T . d e n t i c o l a a l s o c o n t a i n P . g i n g i v a l i ss u g g e s t e d t h a t c e r t a i n e x t r a c e l l u l a r p r o d u c t s o f P . g i n g i v a l imay a c t a s g r o w t h f a c t o r s f o r T . d e n t i c o l a i n t h e p e r i o d o n t ap o c k e t . A d d i t i o n a l c l i n i c a l s t u d i e s o n t h e c o e x i s t e n c e o f b a c t er i a i n p e r i o d o n t a l s i t e s b y m e a n s o f w h o l e g e n o m i c DNAp r o b e s a n d c h e c k e r b o a r d D N A - D N A h y b r i d i z a t i o n ( H a f f a j ee t a l . , 1 9 9 8 ) r e v e a l e d a n e t i o l o g i c r o l e f o r B . f o r s y t h u s , P . g i n g iv a l i s , T . d e n t i c o l a , a n d S e l e n o m o n a s n o x i a i n a d u l t p e r i o d o n t i t i sY e t , when t h e p r e s e n c e o f d i s e a s e - a s s o c i a t e d b a c t e r i a i n h e a l t ha s s o c i a t e d p l a q u e was c o r r e l a t e d w i t h s u s c e p t i b i l i t y t o p e r i od o n t i t i s o v e r t i m e ( R i v i e r e e t a l . , 1 9 9 7 ) , T . d e n t i c o l a was n od e t e c t e d i n h e a l t h - a s s o c i a t e d p l a q u e f r o m s t a b l e h e a l t h s i t ea n d was d e t e c t e d i n o n l y t h r e e s i t e s t h a t p r o g r e s s e d t o p e r i od o n t i t i s . Among s e v e r a l b a c t e r i a l s p e c i e s w h i c h w e r e f o u n d tb e a s s o c i a t e d w i t h e a r l y - o n s e t p e r i o d o n t i t i s ( E O P ) i n a p o p ul a t i o n o f y o u n g a d u l t s ( A l b a n d a r e t a l . , 1 9 9 7 ) , o f p a r t i c u l ai m p o r t a n c e w e r e P . g i n g i v a l i s a n d T . d e n t i c o l a , w h i c h a r e s u gg e s t e d t o p l a y a s i g n i f i c a n t r o l e i n s e v e r e a n d p r o g r e s s i vf o r m s o f E O P . S i m i l a r f i n d i n g s , b o r n e o u t i n a n i m a l s t u d i e sw i l l b e d i s c u s s e d i n g r e a t e r d e t a i l l a t e r i n t h i s r e v i e w .F i n a l l y , o r a l m i c r o - o r g a n i s m s , i n c l u d i n g G r a m - n e g a t i vp e r i o d o n t a l b a c t e r i a , a r e f r e q u e n t l y a s s o c i a t e d w i t h s y s t e m id i s o r d e r s s u c h a s c a r d i o v a s c u l a r d i s e a s e s ( B e c k a nO f f e n b a c h e r , 1 9 9 8 ) . R e c e n t l y , B . f o r s y t h u s , P . g i n g i v a l i sA c t i n o b a c i l l u s a c t i n o m y c e t e m c o m i t a n s , a n d T . d e n t i c o l a w e rd e t e c t e d a t h i g h e r l e v e l s i n p r e - t e r m l o w - b i r t h - w e i g h t ( P L B Wm o t h e r s , a s c o m p a r e d w i t h c o n t r o l s ( O f f e n b a c h e r e t a l . , 1 9 9 8 )B i o c h e m i c a l m e a s u r e s o f m a t e r n a l p e r i o d o n t a l s t a t u s a n d o r am i c r o b i a l b u r d e n may t h e r e f o r e b e a s s o c i a t e d w i t h PLBW.

I n c o n c l u s i o n , r e s e a r c h a t t e m p t s f r o m d i v e r s e g r o u pu s i n g d i f f e r e n t c l i n i c a l t o o l s a n d e x p e r i m e n t a l m e t h o dp o i n t t o t h e p r e s e n c e o f T . d e n t i c o l a i n r e l a t i v e l y h i g h p r op o r t i o n s i n d i s e a s e d human p e r i o d o n t a l s i t e s .P o r t i o n s o f t h e d a t a p o i n t t o t h e e x i s t e n c e o f c o n s t a n t p a tt e r n s o f b a c t e r i a l i n t e r a c t i o n s , s p e c i f i c a l l y b e t w e e n T . d e n t i c o la n d P . g i n g i v a l i s . S u c h i n t e r a c t i o n s may p a r t i c i p a t e i n t h e e s t a bl i s h m e n t o f a p o t e n t i a l l y p a t h o g e n i c s u b g i n g i v a l p l a q u eF u r t h e r m o r e , s e v e r a l s t u d i e s h a v e s u g g e s t e d even more s p e c i f i1 2 ( 5 ) : 3 9 9 - 4 1 3 ( 2 0 0 1 ) Crit Rev Oral BiolMed 4014 0 1r i t R e v O r a l B i o l Med2 ( 5 ) : 3 9 9 - 4 1 3 ( 2 0 0 ) O l by guest on December 12, 2011 For personal use only. No other uses without permission.cro.sagepub.comDownloaded from


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i n t e r a c t i o n s b e t w e e n T . d e n t i c o l a a n d P . g i n g i v a l i s ( G r e n i e r ,1 9 9 2 a , b ) , i n c l u d i n g a s t r o n g c o - a g g r e g a t i o n r e a c t i o n b e t w e e nt h e s e t w o p e r i o d o n t o p a t h o g e n s , w h i l e o t h e r b l a c k - p i g m e n t e do r a l b a c t e r i a l s p e c i e s t e s t e d d i d n o t c o - a g g r e g a t e w i t h T . d e n t i c o -l a ( G r e n i e r , 1 9 9 2 a ) . T a k e n t o g e t h e r , t h e p r e s e n c e o f h i g h n u m b e r so f P . g i n g i v a l i s a n d T . d e n t i c o l a i n a f f e c t e d s i t e s , a n d t h e d e s c r i b e di n t e r a c t i o n s b e t w e e n t h e s e two p a t h o g e n s , a s w e l l a s t h e i r p a t h o -g e n i c p r o p e r t i e s a n d p r o t e o l y t i c c a p a c i t y , may p l a y an i m p o r t a n tr o l e i n t h e i n i t i a t i o n a n d p r o g r e s s i o n o f p e r i o d o n t a l d i s e a s e s . I tr e m a i n s f o r f u t u r e r e s e a r c h t o e x a m i n e t h e i s s u e o f t h e m u t u a lc h e m i c a l a n d m o l e c u l a r e f f e c t s o f P . g i n g i v a l i s a n d T . d e n t i c o l a i nt h e d e v e l o p m e n t o f t h e s e i n f e c t i o u s d i s e a s e s .( 2 . 2 ) A N I M A L STUDIES

S e v e r a l s t u d i e s on t h e m i c r o b i o l o g y o f p e r i o d o n t a l d i s e a s e i na n i m a l m o d e l s r e v e a l e d t h e i m p o r t a n c e o f T . d e n t i c o l a a n dt h e i r p a t h o g e n i c c a p a c i t y .I n d o g s , t h e p r e s e n c e o f a g r o u p o f p a t h o g e n - r e l a t e d o r a ls p i r o c h e t e s a s w e l l a s T . d e n t i c o l a a n d T . s o c r a n s k i i w as d e t e r -m i n e d b y t h e u s e o f s p e c i f i c m o n o c l o n a l a n t i b o d i e s i n ani m m u n o c y t o c h e m i c a l m i c r o s c o p i c a s s a y ( R i v i e r e e t a l . , 1 9 9 6 ) .A s i g n i f i c a n t l y g r e a t e r p r o p o r t i o n o f d o g s w i t h d e e p p o c k e t sh a d d e t e c t a b l e t r e p o n e m e s , c o m p a r e d w i t h d o g s e x p e r i e n c i n gp e r i o d o n t a l h e a l t h .T h e v i r u l e n c e c h a r a c t e r i s t i c s o f T . d e n t i c o l a , T . s o c r a n s k i i , T .p e c t i n o v o r u m , a n d T . v i n c e n t i i f o l l o w i n g c h a l l e n g e i n f e c t i o n o fm i c e w er e a l s o i n v e s t i g a t e d ( K e s a v a l u e t a l . , 1 9 9 7 ) . T h e s em i c r o - o r g a n i s m s i n d u c e d d o s e - d e p e n d e n t s u b c u t a n e o u sa b s c e s s e s t h a t were s i m i l a r i n t i m e o f o n s e t , l e s i o n p r o g r e s s i o n ,a n d d u r a t i o n o f h e a l i n g . O n l y v i a b l e c e l l s were c a p a b l e o fi n d u c i n g t h e s e c h a r a c t e r i s t i c a b s c e s s e s . H i s t o l o g i c a l e x a m i n a -t i o n o f t h e s k i n l e s i o n r e v e a l e d a b s c e s s f o r m a t i o n i n t h e s u b -cutaneous t i s s u e s , a n d a b u n d a n t s p i r a l o r g a n i s m s wered e m o n s t r a t e d t o b e p r e s e n t i n t h e a b s c e s s . T . d e n t i c o l a weres h o w n , i n t h i s a n i m a l m o d e l , t o b e a b l e t o i n v a d e t h e d e e p o r a lc o n n e c t i v e t i s s u e l a y e r s ( E b e r s o l e e t a l . , 1 9 9 5 ) . P o l y m i c r o b i ci n f e c t i o n s w i t h T . d e n t i c o l a a n d P . g i n g i v a l i s i n t h e m u r i n e l e s i o nm o d e l ( K e s a v a l u e t a l . , 1 9 9 8 ) r e v e a l e d t h a t , a t h i g h d o s e s o f P .g i n g i v a l i s , t h e a d d i t i o n o f T . d e n t i c o l a h a d no e f f e c t on t h e f o r -m a t i o n a n d s i z e o f t h e s p r e a d i n g l e s i o n c a u s e d b y t h i s m i c r o -o r g a n i s m . H o w e v e r , a t l o w P . g i n g i v a l i s c h a l l e n g e d o s e s , T . d e n -t i c o l a s i g n i f i c a n t l y e n h a n c e d t h e v i r u l e n c e o f P . g i n g i v a l i s c o m -p a r e d w i t h m o n o - i n f e c t i o n o f t h i s m i c r o - o r g a n i s m . P . g i n g i v a l i sm u t a n t s , d e f i c i e n t o r d e v o i d o f t r y p s i n - l i k e p r o t e a s e a c t i v i t y ,w er e u s e d f o r e x a m i n a t i o n o f t h e p o t e n t i a l r o l e o f e n z y m ea c t i v i t y i n t h e s y n e r g i s t i c v i r u l e n c e . T . d e n t i c o l a - P . g i n g i v a l i sc o m p l e x e s e x h i b i t e n h a n c e d v i r u l e n c e i n t h i s m o d e l , a n d t h et r y p s i n - l i k e p r o t e a s e a c t i v i t y w as f o u n d t o b e i m p o r t a n t t o P .g i n g i v a l i s v i r u l e n c e e x p r e s s i o n i n t h e p o l y m i c r o b i c c h a l l e n g ei n f e c t i o n . T h e s i g n i f i c a n c e o f t h e s e b a c t e r i a l p r o t e a s e s i n t h ee t i o l o g y o f p e r i o d o n t a l d i s e a s e s i n h u m a n s i s d i s c u s s e d l a t e ri n t h i s r e v i e w . T h e c h a r a c t e r i s t i c s o f h u m o r a l immuner e s p o n s e s t o T . d e n t i c o l a f o l l o w i n g p r i m a r y i n f e c t i o n , r e - i n f e c -t i o n , a n d a c t i v e i m m u n i z a t i o n were r e c e n t l y i n v e s t i g a t e d , a sw a s immune p r o t e c t i o n i n m i c e ( K e s a v a l u e t a l . , 1 9 9 9 a , b ) .P r i m a r y i n f e c t i o n w i t h T . d e n t i c o l a i n d u c e d a s i g n i f i c a n t s e r u mI g G r e s p o n s e c o m p a r e d w i t h t h a t o f t h e c o n t r o l u n i n f e c t e dm i c e . T h e I g G r e s p o n s e t o r e - i n f e c t i o n was s i g n i f i c a n t l y h i g h -e r t h a n t h a t f o r c o n t r o l m i c e a n d p r i m a r y i n f e c t i o n .M i c e a c t i v e l y i m m u n i z e d w i t h f o r m a l i n - k i l l e d t r e p o n e m e sd e v e l o p e d serum a n t i b o d y l e v e l s 7 t o 8 t i m e s g r e a t e r t h a n t h o s ei n a n i m a l s a f t e r p r i m a r y i n f e c t i o n . A b r o a d a n t i g e n r e a c t i v i t y o f

t h e s e r u m a n t i b o d y w a s s i g n i f i c a n t l y i n c r e a s e d w i t h r e - i n f e c t i oa n d a c t i v e i m m u n i z a t i o n . F u r t h e r m o r e , s e r u m a n t i b o d y wae f f e c t i v e i n v i t r o i n i m m o b i l i z i n g a n d c l u m p i n g t h e b a c t e r i a , b ud i d n o t i n h i b i t g r o w t h o r p a s s i v e l y p r e v e n t t h e t r e p o n e m a l i n f et i o n . I t i s s u g g e s t e d t h a t h u m o r a l immune r e s p o n s e s w e r e n oc a p a b l e o f r e s o l v i n g a T . d e n t i c o l a i n f e c t i o n i n t h e m i c e m o d e l .T h e e f f e c t s o f e n v i r o n m e n t a l a l t e r a t i o n o n t h e v i r u l e n c e oT . d e n t i c o l a a n d T . p e c t i n o v o r u m w e r e a l s o a s s e s s e d i n a l o c a li z e d i n f l a m m a t o r y a b s c e s s m o d e l i n m i c e ( K e s a v a l u e t a l1 9 9 9 a ) . I n v i t r o , g r o w t h o f T . d e n t i c o l a a n d T . p e c t i n o v o r u m , a sf u n c t i o n o f m o d i f i c a t i o n o f t h e c y s t e i n e c o n c e n t r a t i o n , s i g n i fc a n t l y e n h a n c e d a b s c e s s f o r m a t i o n a n d s i z e . F u r t h e r m o r e ,d e n t i c o l a i n d u c e d s i g n i f i c a n t l y l a r g e r l e s i o n s i n m i c e p r e - t r e a te d w i t h i r o n . A l t h o u g h n o t c o m p a r a b l e w i t h t h e p a t h o l o g ie v e n t s i n v o l v e d i n b a c t e r i a l - h o s t r e a c t i o n s o b s e r v e d i n t hhuman p e r i o d o n t a l e n v i r o n m e n t a n d c a u s e d b y m e m b e r s ot h e p e r i o d o n t a l f l o r a , t h e m i c e a b s c e s s may s e r v e a s a n i m p o rt a n t m o d e l f o r t h e f u t u r e i n v e s t i g a t i o n o f t h e p a t h o g e n ic a p a c i t y o f T . d e n t i c o l a i n r e l a t i o n t o p e r i o d o n t a l d i s e a s e s .( 3 ) A d h e r e n c e , C o - a g g r e g a t i o n , a n d L o c o m o t i o n

T h e d e v e l o p m e n t o f m u c o s a l i n f e c t i o n s b y b a c t e r i a mad e p e n d o n t h e a b i l i t y o f t h e c a u s a t i v e a g e n t t o a d h e r e t o t hm u c o s a l c e l l s a n d t i s s u e s . F u r t h e r m o r e , i f b a c t e r i a l i n v a s i o n ot h e mucosa o c c u r s , b a c t e r i a l m o t i l i t y may a p p e a r a s a n i m p o rt a n t p a t h o g e n i c t o o l . T . d e n t i c o l a , l i k e o t h e r s t r a i n s o f t rp o n e m e s , w e r e shown t o a d h e r e t o b o t h h o s t c e l l s a n d m a t r ip r o t e i n s t h r o u g h p r o t e i n m o i e t i e s i n v i t r o .T h e d i r e c t c o n t a c t b e t w e e n T . d e n t i c o l a a n d t h e e p i t h e l i u mt h e p e r i o d o n t a l p o c k e t s t r i g g e r e d s e v e r a l r e s e a r c h g r o u p ss t u d y t h e a d h e s i o n o f T . d e n t i c o l a t o human g i n g i v a l f i b r o b l a s ta n d e p i t h e l i a l c e l l s . T h e s e s t u d i e s a r e o f i n t e r e s t i n l i g h t o f t hp r o t e o l y t i c a c t i v i t y o f t h e s e b a c t e r i a a n d t h e p o s s i b l e i n v a s i o nt h e c o n n e c t i v e t i s s u e b y T . d e n t i c o l a . I t i s i m p o r t a n t t o n o t e t ht h e e n c o u n t e r o f T . d e n t i c o l a a n d human g i n g i v a l e p i t h e l i a l c e la n d f i b r o b l a s t s i n v i t r o i s a s s o c i a t e d w i t h m a j o r a l t e r a t i o n s i n t hc e l l s ' m o r p h o l o g y , i n c l u d i n g c e l l u l a r r o u n d i n g a n d s h r i n k a g( B a e h n i e t a l . , 1 9 9 2 ; De F i l i p p o e t a l . , 1 9 9 5 ) .T . d e n t i c o l a was s h o w n t o a d h e r e t o f i b r o b l a s t s a n d e p i t h el i a l c e l l s o f d i f f e r e n t o r i g i n s ( W e i n b e r g a n d H o l t , 1 9 9 0 ; K e u l e re t a l . , 1 9 9 3 a , b ; E l l e n e t a l . , 1 9 9 4 a ; H a a p a s a l o e t a l . , 1 9 9 6 ) , a s w e la s t o e x t r a c e l l u l a r m a t r i x c o m p o n e n t s p r e s e n t i n p e r i o d o n t at i s s u e s ( D a w s o n a n d E l l e n , 1 9 9 0 ; H a a p a s a l o e t a l . , 1 9 9 1 ) a nh y a l u r o n a n ( h y a l u r o n i c a c i d ) ( H a a p a s a l o e t a l . , 1 9 9 6 ) . R e c e n t l yi t was s h o w n t h a t o r a l t r e p o n e m e s , i n c l u d i n g T . d e n t i c o l a , maa d h e r e t o e n d o t h e l i a l c e l l s a n d p e n e t r a t e t h r o u g h e n d o t h e l i ac e l l m o n o l a y e r s i n v i t r o ( P e t e r s e t a l . , 1 9 9 9 ) .T h e a d h e r e n c e p a t t e r n s o f s p i r o c h e t e s , i n c l u d i n g T . d e n t i cl a , a r e o f t e n i n a p o l a r o r i e n t a t i o n w i t h t h e i r f r e e e n d i n m o t i o( D a w s o n a n d E l l e n , 1 9 9 0 , 1 9 9 4 ; E l l e n e t a l . , 1 9 9 4 a , b ) . T h i s s p e c i fi c b a c t e r i a l s u b s t r a t e c o n t a c t p a t t e r n may p l a y a r o l e i n t hc y t o p a t h o g e n i c i t y o f T . d e n t i c o l a a n d t h e i r i n v a s i v e a b i l i t y .p o l a r c l u s t e r i n g o f a d h e s i n s i n t h e b a c t e r i a l f l u i d o u t e r s h e a t hi s t h e b a s i s f o r t i p a d h e s i o n , w h i c h w a s a l s o shown i n T . p a l l i d u( K o n i s h i e t a l . , 1 9 8 6 ) . T h e a d h e r e n c e o f o r a l s p i r o c h e t e s , i n c l u di n g T . d e n t i c o l a , t o h o s t c e l l s a n d m a t r i x p r o t e i n s w a s t h o r o u g hl y d i s c u s s e d b y T h o m a s ( 1 9 9 6 ) . S i n c e t h e n , s e v e r a l s t u d i e s h a ve l a b o r a t e d on t h e s e e s s e n t i a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e b a c t e r iS e r o t y p e s o f T . d e n t i c o l a T r e p o n e m a s c o l i o d o n t u m , T . s o c r a n s k ia n d T . v i n c e n t i i - w e r e t e s t e d w i t h m o n o l a y e r s o f e p i t h e l i a l c e lo f human a n d c a n i n e o r i g i n ( C a r r a n z a e t a l . , 1 9 9 7 ) . A t t a c h m e no f o r a l t r e p o n e m e s w a s c o m p a r e d w i t h a t t a c h m e n t b y T . p a

4 0 2 C r i t R e v O r a l B i o l Med12(5):399-413

4 0 2 C r i t R e v O r a l B i o l Med 1 2 ( 5 ) : 3 9 9 - 4 1 3 ( 2 0 0by guest on December 12, 2011 For personal use only. No other uses without permission.cro.sagepub.comDownloaded from


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l i d u m s u b s p . p a l l i d u m , a n d b y t h e n o n - p a t h o g e n T r e p o n e m ap h a g e d e n i s .T h e d i f f e r e n t s e r o t y p e s o f T . d e n t i c o l a h a d s i m i l a r a b i l i t i e st o a t t a c h t o e p i t h e l i a l c e l l s , a n d t h e p r o p o r t i o n o f e p i t h e l i a lc e l l s s u s c e p t i b l e t o a t t a c h m e n t b y o r a l s p i r o c h e t e s w a s s t r o n g -l y r e l a t e d t o t h e c o n f l u e n c e l e v e l o f t h e m o n o l a y e r .A n o t h e r t y p e o f o r a l t r e p o n e m e w h i c h may b e i n v o l v e d i np e r i o d o n t a l d i s e a s e s , T . p e c t i n o v o r u m , a l s o b i n d s f i r m l y t oe p i t h e l i a l c e l l m o n o l a y e r s i n a c o n c e n t r a t i o n - d e p e n d e n t m a n n e r( W a l k e r e t a l . , 1 9 9 9 a ) , a n d t h e b i n d i n g d e p e n d s o n e n v i r o n m e n -t a l f a c t o r s . F o r e x a m p l e , i n c r e a s i n g c o n c e n t r a t i o n s o f f e t a lb o v i n e s e r u m i n h i b i t e d b i n d i n g , w h e r e a s T . p e c t i n o v o r u m mem-b r a n e v e s i c l e s a n d c o - i n c u b a t i o n w i t h T . d e n t i c o l a A T C C 3 5 4 0 4i n c r e a s e d t h e n u m b e r o f c e l l s b o u n d t o t h e m o n o l a y e r . C o - i n f e c -t i o n o f t h e e p i t h e l i a l c e l l s w i t h b o t h T . d e n t i c o l a a n d T . p e c t i n o v o -r u m d i d n o t i n v o l v e a n y m u t u a l i n t e r f e r e n c e i n t h e i r a t t a c h m e n tt o t h e e p i t h e l i a l c e l l s , s u g g e s t i n g t h a t t h e y d o n o t c o m p e t e f o rt h e s a m e r e c e p t o r o n t h e h o s t c e l l s u r f a c e . A t t a c h m e n t o f o r a lt r e p o n e m e s t o e p i t h e l i a l c e l l s may p r o m o t e t h e c o l o n i z a t i o n o ft h e p e r i o d o n t a l p o c k e t , a s w e l l a s t h e r e t e n t i o n o f c o l o n i e s w i t h -i n p l a q u e . T h e t r e p o n e m e s h a d a p r e f e r e n c e t o a t t a c h t o c e l l s o fl o w c o n f l u e n c e f i e l d s , p o i n t i n g t o a n i n c r e a s e d a b i l i t y t o a t t a c ht o c e l l s w h i c h a r e a c t i v e l y d i v i d i n g i n a r e a s o f r e p a i r , s u c h a si n f l a m e d p e r i o d o n t a l p o c k e t s . F u r t h e r m o r e , a t t a c h m e n t o f o r a lt r e p o n e m e s t o e p i t h e l i a l c e l l b a r r i e r s may p r o m o t e c y t o p a t h i ce f f e c t s a n d b e t h e f i r s t s t e p i n b a c t e r i a l i n v a s i o n i n t o t h e u n d e r -l y i n g t i s s u e s . T . d e n t i c o l a w e r e a l s o s h o w n t o h a v e a h i g h c a p a c -i t y t o a d h e r e t o d e n t a l m a t e r i a l s s u c h a s t i t a n i u m a n d g u i d e db o n e r e g e n e r a t i o n d e v i c e s , e s p e c i a l l y b i o a b s o r b a b l e c o l l a g e nb a r r i e r s ( S e l a e t a l . , 1 9 9 9 ) . B a c t e r i a l p l a q u e f o r m a t i o n on s u c hm a t e r i a l s may h a v e a c r u c i a l n e g a t i v e i n f l u e n c e on t h e outcomeo f t h e t r e a t m e n t a n d r e l a t e d r e g e n e r a t i o n p r o c e d u r e .T h e p e r i o d o n t a l p o c k e t e c o s y s t e m c o n s i s t s o f numerousf a s t i d i o u s b a c t e r i a w h i c h c o - e x i s t i n a d e l i c a t e b a l a n c e w i t h t h eh o s t c e l l s a n d t i s s u e s . T h e s e c l o s e c o n t a c t s i n a v e r y s p e c i f i ce n v i r o n m e n t may l e a d t o t h e d e v e l o p m e n t o f s p e c i f i c i n t e r -b a c t e r i a l r e l a t i o n s h i p s .I n d e e d , a s s h o w n a b o v e , s u b s t a n t i a l s o u r c e s p o i n t t o t h ee x i s t e n c e o f s p e c i a l i n t e r - r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n P . g i n g i v a l i s a n dT . d e n t i c o l a i n t h e p e r i o d o n t a l p o c k e t , i n c l u d i n g c o - a g g r e g a t i o n( G r e n i e r , 1 9 9 2 b ) . C e l l s o f P . g i n g i v a l i s were f u r t h e r s h o w n t o b ea b l e t o c o - a g g r e g a t e w i t h s t r a i n s o f T . d e n t i c o l a a n d T . s o c r a n s k i i( O n a g a w a e t a l . , 1 9 9 4 ) . S t r o n g i n t e r s p e c i e s a d h e r e n c e w asd e m o n s t r a t e d among T . d e n t i c o l a , B . f o r s y t h u s , a n d P . g i n g i v a l i s ,a n d b e t w e e n t h e s e b a c t e r i a a n d t h e p l a q u e o r g a n i s mS t r e p t o c o c c u i s c r i s t a ( Y a o e t a l . , 1 9 9 6 ) . T h e most i m p o r t a n t p l a y e r si n t h e b a c t e r i a l i n t e r r e l a t i o n s h i p s w h i c h o c c u r d u r i n g t h e d e v e l -o p m e n t o f t h e o r a l b i o f i l m a r e t h e f u s o b a c t e r i a . S t r a i n s o fT r e p o n e m a s p p . , i n c l u d i n g m e m b e r s o f a l l human o r a l s p e c i e s ,w e r e t e s t e d f o r c o - a g g r e g a t i o n w i t h o r a l f u s o b a c t e r i a , n o n - o r a lf u s o b a c t e r i a , a n d a d d i t i o n a l s t r a i n s o f o r a l b a c t e r i a , i n c l u d i n g :a c t i n o b a c i l l i , a c t i n o m y c e s , c a p n o c y t o p h a g a e , e u b a c t e r i a , p o r -p h y r o m o n a d s , p r e v o t e l l a e , s e l e n o m o n a d s , s t r e p t o c o c c i , a n dv e i l l o n e l l a e . None o f t h e t r e p o n e m e s c o - a g g r e g a t e d w i t h a n y o ft h e o r a l s t r a i n s o r w i t h t h e n o n - o r a l f u s o b a c t e r i a ( K o l e n b r a n d e re t a l . , 1 9 9 5 ) . A l l t r e p o n e m e s - i n c l u d i n g T . d e n t i c o l a , T . s o c r a n s k i i ,o r a l p e c t i n o l y t i c t r e p o n e m e s , T . p e c t i n o v o r u m , a n d T . v i n c e n t i i -c o - a g g r e g a t e d w i t h a t l e a s t on e s t r a i n o f t h e f u s o b a c t e r i a t e s t e da s p a r t n e r s , b u t no i n t r a g e n e r i c c o - a g g r e g a t i o n s w e r e o b s e r v e damong t h e t r e p o n e m e s . I n t h e more t h a n 1 0 0 c o - a g g r e g a t i o n so b s e r v e d , t h e f u s o b a c t e r i a l p a r t n e r w a s h e a t - i n a c t i v a t e d , w h i l et h e t r e p o n e m e s were u n a f f e c t e d b y h e a t t r e a t m e n t . O n l y t h e T .

d e n t i c o l a c o - a g g r e g a t i o n s were i n h i b i t e d b y l a c t o s e a n d D - g a l a ct o s a m i n e , p o i n t i n g t o a p o s s i b l e e x i s t e n c e o f a s p e c i f i c a d h e s i vs i t e on t h e b a c t e r i a l s u r f a c e . B e s i d e s t h e i r i n t e r a c t i o n w i t h P . g i ng i v a l i s , T . d e n t i c o l a s h o w s p e c i f i c i t y f o r o r a l f u s o b a c t e r i a a s c oa g g r e g a t i o n p a r t n e r s , a c o n t a c t t h a t may f a c i l i t a t e e f f i c i e n t m e t ab o l i c c o m m u n i c a t i o n , a s s h o w n f o r P . g i n g i v a l i s a n d T . d e n t i c o l( S i m o n s o n e t a l . , 1 9 9 2 ) , a n d e n h a n c e t h e p r o l i f e r a t i o n o f e a c h c ei n t h e p r o g r e s s i v e l y more s e v e r e s t a g e s o f p e r i o d o n t a l d i s e a s e .I n b a c t e r i a l s p e c i e s t h a t a r e i n v o l v e d i n c e l l a d h e r e n c e a nt i s s u e i n v a s i o n , l o c o m o t i o n i s c o n s i d e r e d a v i r u l e n c e f a c t o rS t r a i n s o f T . d e n t i c o l a were s h o w n t o mo v e a t d i f f e r e n t s p e e di n d i f f e r e n t c o n d i t i o n s o f v i s c o s i t y . ( P i e t r a n t o n i o e t a l . , 1 9 8 8 )T h e m o t i l i t y o f T . d e n t i c o l a A T C C 3 3 5 2 0 w as shown t o b e t e mp e r a t u r e - d e p e n d e n t , a n d t h e s p e e d o f t h e b a c t e r i a w am a r k e d l y i n c r e a s e d a t 3 5 C a n d r e l a t e d t o t h e v i s c o s i t y o f t hmedium ( R u b y e t a l . , 1 9 9 8 ) .

A m o t i l i t y l o c u s c o n t a i n i n g 1 1 g e n e s was i d e n t i f i e d i n T . d e nt i c o l a ( A T C C 3 5 4 0 5 ) , s e q u e n c e d a n d a n a l y z e d ( S t a m m a nB e r g e n , 1 9 9 9 ) . T h e o r d e r o f t h e s e g e n e s i s i d e n t i c a l t o t h a t o f t hc o r r e s p o n d i n g r e g i o n o f t h e T . p a l l i d u m f l a o p e r o n . S e v e n o f t hd e d u c e d f l a p r o t e i n s s h a r e s i g n i f i c a n t h o m o l o g y w i t h b o t h E . c oa n d B a c i l l u s s u b t i l i s p r o t e i n s a s s o c i a t e d w i t h f l a g e l l a r s t r u c t u ra n d f u n c t i o n . R e v e r s e t r a n s c r i p t i o n - P C R a n a l y s i s i n d i c a t e d t h at h e T . d e n t i c o l a f l a g e n e s a r e t r a n s c r i b e d a s a s i n g l e u n i t . A p u t at i v e s i g m a - l i k e p r o m o t e r , i d e n t i c a l t o t h e T . p a l l i d u m f l a p r o m ot e r , was i d e n t i f i e d u p s t r e a m o f t a p l . T h e T . d e n t i c o l a a n d T . p al i d u m f l a o p e r o n s , c o m p r i s e d o f num e ro us m o t i l i t y - r e l a t eg e n e s , a r e t h e r e f o r e h i g h l y c o n s e r v e d . T h e s e r e s u l t s s u p p o r tp r o p o s e d p h y l o g e n e t i c r e l a t e d n e s s o f T . d e n t i c o l a a n d T p a l l i d u mS t i m u l a t i n g a d v a n c e m e n t i n l o c o m o t i o n a n a l y s i s h a s b e emade b y means o f a r e c e n t l y d e v e l o p e d s y s t e m t o g e n e r a ts p e c i f i c mutants i n T . d e n t i c o l a , b u i l t t o d e t e r m i n e i f T a p l wae s s e n t i a l f o r m o t i l i t y ( L i m b e r g e r e t a l . , 1 9 9 9 ) . T . d e n t i c o l a t a pa n d f l a n k i n g DNA w e re i d e n t i f i e d , c l o n e d , a n d s e q u e n c e da n d a s u i c i d e p l a s m i d t h a t c o n t a i n e d t a p l , i n t e r r u p t e d w i t h ae r y t h r o m y c i n r e s i s t a n c e c a s s e t t e , was c o n s t r u c t e d . B e c a u s ep o t e n t i a l p o l a r e f f e c t s f r o m t h i s c a s s e t t e , a s e c o n d p l a s m i d t hc o n t a i n e d t a p l i n t e r r u p t e d w i t h a m o d i f i e d e r y t h r o m y c ir e s i s t a n c e c a s s e t t e w a s c o n s t r u c t e d . E l e c t r o p o r a t i o n - m e d i a t ea l l e l i c e x c h a n g e i n c o r p o r a t e d t h e i n t e r r u p t e d t a p l g e n e s i nt h e T . d e n t i c o l a c h r o m o s o m e , c r e a t i n g T a p l - d e f i c i e n t m u t a n t sR e v e r s e t r a n s c r i p t a s e - P C R r e v e a l e d t h a t t h e e r y t h r o m y c ir e s i s t a n c e c a s s e t t e w i t h i n t a p l d i d n o t t e r m i n a t e f l a o p e r o n t r as c r i p t i o n i n e i t h e r m u t a n t . M o r e o v e r , t h e p h e n o t y p e s o f t h e twmutants w e re i n d i s t i n g u i s h a b l e . T h e s e m u t a n t s l a c k e d m o t i oi n l i q u i d c u l t u r e , were u n a b l e t o s p r e a d on a g a r p l a t e s , a nl a c k e d f l a g e l l a r f i l a m e n t s a s d e t e r m i n e d b y e l e c t r o n m i c r o s c o pT r e p o n e m a l T a p l i s s u g g e s t e d t o b e a n a l o g o u s t o F l i K , w h i c hi n v o l v e d i n m o n i t o r i n g t h e f l a g e l l a r h o o k l e n g t h o f S a l m o n e lt y p h i m u r i u m . T . d e n t i c o l a a l s o d i s p l a y c h e m o t a x i s i n v i t r o , a p r oe r t y t h a t may b e o f i m p o r t a n c e i n t h e i r m o t i l i t y d u r i n g t i s si n v a s i o n . C h e m o t a c t i c a c t i v i t y o f m o t i l e b a c t e r i a i s u s u a l l y r eu l a t e d b y mcp a n d c h e g e n e s . M e t h y l - a c c e p t i n g c h e m o t a xp r o t e i n g e n e s w e re i s o l a t e d f r o m T . d e n t i c o l a 3 5 4 0 5 , i d e n t i f i ea n d s e q u e n c e d ( G r e e n e a n d S t a m m , 1 9 9 7 ; K a t a o k a e t a l . , 1 9 9 7 ;e t a l . , 1 9 9 9 ) . M o r e o v e r , a c h e m o t a x i s g e n e c l u s t e r f r o m T . d e n tc o l a w a s c l o n e d , s e q u e n c e d , a n d a n a l y z e d ( G r e e n e a n d S t a m m1 9 9 9 ) . T h e g e n e c l u s t e r c o n t a i n e d t h r e e c h e m o t a x i s g e n e s a nan o p e n r e a d i n g f r a m e t h a t i s h o m o l o g o u s w i t h t h a t f o u n d i np a l l i d u m a n d B . b u r g d o r f e r i . A c t i v e b a c t e r i a l i n v a s i o n i n t o tp e r i o d o n t a l t i s s u e s i s a w i d e l y p r o p o s e d h y p o t h e s i s b a s e dc l i n i c a l o b s e r v a t i o n s , b u t h a s t o b e f u r t h e r p r o v e n b y b i o c h e m

1 2 ( 5 ) : 3 9 9 4 1 3 ( 2 0 0 1 ) C r i t Re v Oral B i o l Med 404 01 2 ( 5 ) : 3 9 9 - 4 1 3 ( 2 0 0 1 ) C r i t R e v O r a l B i o l Me dby guest on December 12, 2011 For personal use only. No other uses without permission.cro.sagepub.comDownloaded from
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c a l , i m m u n o l o g i c a l , a n d m o r p h o l o g i c a l m e a n s . P o s s i b l e i n v a -s i o n o f t h e o r a l mucosa b y t r e p o n e m e s i s m o s t l i k e l y t h r o u g hi n t r a c e l l u l a r s p a c e s a n d n o t t h r o u g h t h e c e l l s t h e m s e l v e s , a ss h o w n i n v i t r o f o r o r a l s p i r o c h e t e s s h a r i n g p a t h o g e n - r e s t r i c t e da n t i g e n s w i t h T . p a l l i d u m ( R i v i e r e e t a l . , 1 9 9 1 ) , a n d i n B . b u r g d o r -f e r i ( E l l e n e t a l . , 1 9 9 4 a ) . I n a d d i t i o n t o t h e i r a d h e r e n c e c a p a c i t ya n d h i g h m o t i l i t y , T . d e n t i c o l a , l i k e c e r t a i n o t h e r p e r i o d o n t a lp a t h o g e n s , p o s s e s s p r o t e o l y t i c e n z y m e s t h a t ca n d e g r a d e b a s e -ment m e m b r a n e p r o t e i n s , t h u s a i d i n g t h e b a c t e r i a i n p e n e t r a t -i n g t h e m u c o s a l b a r r i e r .( 4 ) S p e c i f i c B a c t e r i a l P r o d u c t sS e v e r a l b a c t e r i a l f a c t o r s , m a n i f e s t i n g s p e c i f i c c y t o t o x i c e f f e c t s ,

were d e m o n s t r a t e d i n T . d e n t i c o l a . One o f t h e s e c o m p o n e n t s ,t h e 5 3 - k D a m a j o r s u r f a c e p r o t e i n ( M s p ) , was e x t e n s i v e l y s t u d -i e d i n t e r m s o f i t s c h e m i c a l a n d m o l e c u l a r s t r u c t u r e a n d b i o -l o g i c a l a c t i v i t i e s ( W e i n b e r g a n d H o l t , 1 9 9 1 ; H a a p a s a l o e t a l . ,1 9 9 2 ; F e n n o e t a l . , 1 9 9 6 ) . T h e o u t e r s h e a t h p r o t e i n was o b s e r v e di n a n o l i g o m e r i c f o r m ( U m e m o t o e t a l . , 1 9 8 9 ; F e n n o e t a l . , 1 9 9 6 ) .A n a d d i t i o n a l w e l l - c h a r a c t e r i z e d b a c t e r i a l c y t o t o x i c p r o d u c t i st h e c h y m o t r y p s i n - l i k e p r o t e a s e ( C T L P ) ( U i t t o e t a l . , 1 9 9 5 ; F e n n oe t a l . , 1 9 9 8 a ) . I n t e r a c t i o n s b e t w e e n M s p a n d CTLP i n t r a n s p o r tor a s s e m b l y o f t h e o u t e r membrane c o m p l e x w e r e p r o p o s e d( F e n n o e t a l . , 1 9 9 8 b ) f o l l o w i n g t h e c o n s t r u c t i o n o f a l l e l i cr e p l a c e m e n t m u t a t i o n s a t t wo s i t e s i n t h e M s p g e n e , a n d a t on es i t e i n t h e CTLP l o c u s . A l l mutant s t r a i n s l a c k e d t h e M s ph e x a g o n a l a r r a y o u t e r m e m b r a n e u l t r a s t r u c t u r e .B o t h n a t i v e a n d r e c o m b i n a n t T . d e n t i c o l a m a j o r s u r f a c e p r o -t e i n a n d t h e s u r f a c e - e x p r e s s e d c h y m o t r y p s i n - l i k e p r o t e a s e com-p l e x were s h o w n t o a d h e r e t o , a n d g a v e i n d i c a t i o n o f b e i n gc y t o t o x i c t o w a r d , e p i t h e l i a l c e l l s ( F e n n o e t a l . , 1 9 9 7 , 1 9 9 8 b ) .E l e c t r o n m i c r o s c o p e o b s e r v a t i o n s r e v e a l e d t h a t t h e M s p a n dCTLP were c l o s e l y a s s o c i a t e d i n t h e s p i r o c h e t e o u t e r mem-b r a n e s . T h e m u l t i p l e f o r m o f t h e C T L P - l i k e a c t i v i t y ( d e s c r i b e db e l o w ) ( R o s e n e t a l . , 1 9 9 9 a ) a l s o s e em s t o b e p r o t e i n c o m p l e x e sf o r m e d b y M s p a n d C T L P . M s p c o m p l e x ( p a r t i a l l y p u r i f i e do u t e r m e m b r a n e s f r e e o f p r o t e a s e a c t i v i t y ) w a s c y t o t o x i c t o w a r da v a r i e t y o f d i f f e r e n t c e l l t y p e s a n d c a u s e d l y s i s o f e r y t h r o c y t e s .P o r e - f o r m i n g a c t i v i t i e s o f r e c o m b i n a n t M s p i n b l a c k l i p i d m o d e lm e m b r a n e a s s a y s a n d i n HeLa c e l l m e m b r a n e s w e re s i m i l a r t ot h o s e r e p o r t e d f o r t h e n a t i v e p r o t e i n , s u p p o r t i n g t h e h y p o t h e s i st h a t M s p c y t o t o x i c i t y was d u e t o i t s p o r e - f o r m i n g a c t i v i t y .T h e c e l l u l a r l o c a t i o n a n d t o p o l o g y o f t h e T . d e n t i c o l ap o l y p e p t i d e was r e c e n t l y i n v e s t i g a t e d b y u l t r a s t r u c t u r a l m e t h -o d s , i n l i g h t o f t h e n e w l y d i s c o v e r e d f a c t t h a t t h e T . p a l l i d u mg e n o m e e n c o d e s 1 2 o r t h o l o g s o f t h e T . d e n t i c o l a M s p ( C a i m a n oe t a l . , 1 9 9 9 ) , a n d t h e p o s s i b i l i t y t h a t T . p a l l i d u m M s p o r t h o l o g s[ T p r ] p e r f o r m a n a l o g o u s r e l a t e d f u n c t i o n s . F r e e z e - f r a c t u r ee l e c t r o n m i c r o s c o p y r e v e a l e d t h a t t h e T . d e n t i c o l a o u t e r m e m -b r a n e c o n t a i n s h e t e r o g e n e o u s t r a n s m e m b r a n e p r o t e i n s b u t noa r r a y . I n c o n t r a s t , a l a t t i c e - l i k e s t r u c t u r e w a s o b s e r v e d i n v e s i -c l e s r e l e a s e d f r o m m i l d l y s o n i c a t e d t r e p o n e m e s ( d i s c u s s e dl a t e r ) ; c o m b i n e d EM a n d b i o c h e m i c a l a n a l y s e s d e m o n s t r a t e dt h a t t h i s s t r u c t u r e was t h e p e p t i d o g l y c a n s a c c u l u s .I m m u n o e l e c t r o n m i c r o s c o p y i d e n t i f i e d s u b s t a n t i a l amounts o fM s p i n s o n i c a t e d o r g a n i s m s . I n t a c t t r e p o n e m e s e x h i b i t e d t h a tmost o f t h e a n t i g e n was u n a s s o c i a t e d w i t h t h e o u t e r mem-b r a n e . I n a d d i t i o n , i m m u n o f l u o r e s c e n c e a n a l y s i s o f t r e -p o n e m e s r e v e a l e d t h a t o n l y m i n o r p o r t i o n s o f M s p a r e s u r f a c e -e x p o s e d . T h e s e f i n d i n g s c o n t r a d i c t t h e n o t i o n t h a t M s p f o r m san a r r a y w i t h i n t h e T . d e n t i c o l a o u t e r membrane a n d s u g g e s tt h a t M s p i s p r e d o m i n a n t l y p e r i p l a s m i c , w i t h o n l y l i m i t e d s u r-

f a c e e x p o s u r e . T h e p o s s i b i l i t y t h a t CTLP m i g h t m e d i a t e a d h ee n c e o f T . d e n t i c o l a t o e p i t h e l i a l c e l l s i s f u r t h e r s u p p o r t e d b y tf a c t t h a t t h e p r o t e a s e i n h i b i t o r a n t i - C T L P I g G i n h i b i t e d ta t t a c h m e n t o f T . d e n t i c o l a t o t h e s e c e l l s ( L e u n g e t a l . , 1 9 9 6 ) . T he n z y m a t i c a c t i v i t y o f t h e c h y m o t r y p s i n - l i k e p r o t e a s e o f T . d et i c o l a w a s s t u d i e d b y s e v e r a l g r o u p s ( U i t t o e t a l . , 1 9 8 8 ; R o s e na l . , 1 9 9 4 , 1 9 9 5 ; M a k i n e n K K e t a l . , 1 9 9 5 ; I s h i h a r a e t a l . , 1 9 9F e n n o e t a l . , 1 9 9 8 a ) . I t w a s f o u n d t o h y d r o l y z e t r a n s f e r r i n , fr i n o g e n , a l p h a 1 - a n t i t r y p s i n , I g A , I g G , g e l a t i n , b o v i n e sera l b u m i n c o l l a g e n I V , f i b r o n e c t i n , a n d a s y n t h e t i c p e p t i d e c ot a i n i n g p h e n y l a l a n i n e , a s w e l l a s s e v e r a l a d d i t i o n a l h o s t p rt e a s e i n h i b i t o r s ( G r e n i e r e t a l . , 1 9 9 0 ; R o s e n e t a l . , 1 9 9 5 ; G r e n i e1 9 9 6 b ; U i t t o e t a l . , 1 9 8 8 ) , b u t d i d n o t d e g r a d e c o l l a g e n I o r s yt h e t i c s u b s t r a t e s c o n t a i n i n g a r g i n i n e o r p r o l i n e . T h e g e n e , p r tc o d i n g f o r t h e p r o l y l - p h e n y l a l a n i n e - s p e c i f i c p r o t e a s e o f T . d et i c o l a , was r e c e n t l y c l o n e d a n d s e q u e n c e d ( I s h i h a r a e t a l . , 1 9 9 6N - t e r m i n a l a m i n o a c i d s e q u e n c e s w e r e d e t e r m i n e d f o r t4 3 - a n d 7 2 - k D a p r o t e i n s , a n d t h e g e n e s c o d i n g f o r t h e s e p rt e i n s w e r e i s o l a t e d a n d s e q u e n c e d . T h e p r o t e i n a p p e a r e d t oc o m p o s e d o f a s i g n a l p e p t i d e r e g i o n f o l l o w e d b y a p rs e q u e n c e a n d t h e m a t u r e p r o t e i n d o m a i n . T h e d e d u c e d a m ia c i d s e q u e n c e e x h i b i t e d s i m i l a r i t y w i t h t h a t o f t h e B a c i l l u s s ut i l i s s e r i n e p r o t e a s e s u b t i l i s i n , a c h y m o t r y p s i n - l i k e p r o t e a s e .T h e o u t e r c e l l e n v e l o p e , o r t h e p e r i p l a s m i c s p a c e o f T . d et i c o l a , c o n t a i n s s e v e r a l a d d i t i o n a l n o v e l p r o t e i n a s e s a n d p e p td a s e s w h i c h may c o n t r i b u t e t o t h e t i s s u e d a m a g e t h a t a c c op a n i e s p e r i o d o n t a l d i s e a s e s . T h e s e o u t e r m e m b r a n e - a s s o c i ae d o r s e c r e t e d e n z y m e s o f T . d e n t i c o l a h a v e b e e n a s s u m e dm e d i a t e c y t o p a t h i c e f f e c t s a n d a r e c o n s i d e r e d t o b e s i g n i f i c ap a t h o g e n i c f a c t o r s i n p e r i o d o n t a l d i s e a s e s . S e v e r a l p r o t e a so r p e p t i d a s e s [ a t r y p s i n - l i k e a c t i v i t y , a p r o l i n e a m i n o p e p td a s e , a p r o l i n e i m i n o p e p t i d a s e , a n d a n e n d o p e p t i d a s e ( F L A GP A ) ] o f T . d e n t i c o l a h a v e b e e n d e s c r i b e d , a n d t h e i r p a t h o g e ne f f e c t s h a v e b e e n c h a r a c t e r i z e d ( O h t a e t a l . , 1 9 8 6 ; M a k i n e n Ke t a l . , 1 9 9 2 , 1 9 9 5 , 1 9 9 6 ; M a k i n e n P L e t a l . , 1 9 9 4 , 1 9 9 5 ; R o s e na l . , 1 9 9 4 , 1 9 9 5 , 1 9 9 9 a ; M a k i n e n K K a n d M a k i n e n , 1 9 9 6 ; F e n ne t a l . , 1 9 9 7 , 1 9 9 8 a , b ; M a k i n e n PL a n d M a k i n e n , 1 9 9 7 ; M i k1 9 9 7 ; I s h i h a r a e t a l . , 1 9 9 8 ) . E x a m i n a t i o n o f t h e e n z y m e p r o f i lo f 2 0 t r e p o n e m a l s t r a i n s ( M i k x , 1 9 9 1 ) - i n c l u d i n g t h e o rs p e c i e s T . d e n t i c o l a , T . v i n c e n t i i , a n d T . p e c t i n o v o r u m - r e v e a lmore e x o - a n d e n d o p e p t i d a s e a c t i v i t i e s i n T . d e n t i c o l a t h a nt h e o t h e r s p e c i e s s t u d i e d . T h e p r e s e n c e o f p e p t i d a s e s i n to u t e r c e l l s t r u c t u r e s o f t h e t r e p o n e m e s p o i n t s t o t h e i m p ot a n c e o f t h e s e e n z y m e s f o r t h e n u t r i t i o n o f t h e b a c t e r i a , a n d tp o s s i b l e p e p t i d o l y t i c p r o c e s s i n g o f h o s t t i s s u e p r o t e i n s a np e p t i d e s t o g r a d u a l l y s m a l l e r m o l e c u l e s b y t h e b a c t e r i a .T h e e f f e c t s o f p H , r e d o x p o t e n t i a l , 0 2 , a n d H 2 o n tg r o w t h a n d p r o t e o l y t i c a c t i v i t y o f T . d e n t i c o l a A T C C 3 3 5 2 0 w as t u d i e d i n a c h e m o s t a t a t d i f f e r e n t g r o w t h r a t e s ( M i k x , 1 9 9 7 )T h e p h e n y l a l a n i n e p e p t i d a s e a c t i v i t i e s s e e m e d t o b eg r e a t e r i m p o r t a n c e f o r t h e g r o w t h o f T . d e n t i c o l a A T C C 3 3 5t h a n t h e r a t h e r l o w a r g i n i n e a n d p r o l i n e p e p t i d a s e a c t i v i t i eT h e c e l l mass a n d p r o t e o l y t i c a c t i v i t y o f T . d e n t i c o l a a r e m o d ul a t e d b y t h e g r o w t h r a t e , t h e p H , a n d , t o a l e s s e r e x t e n t , tr e d o x p o t e n t i a l a n d p r e s e n c e o f 2 . S t a g n a t i o n o f t h e e x u d a tf l o w i n f l u e n c e s t h e s e f a c t o r s , a n d may l e a d t o a n i n c r e a s e i n ts p i r o c h e t a l p o p u l a t i o n a n d p r o t e o l y s i s o f p e r i o d o n t a l t i s s u eT h e d o m i n a n c e o f t h e p r o l i n e i m i n o p e p t i d a s e amona m i n o p e p t i d a s e a c t i v i t i e s p r e s e n t i n T . d e n t i c o l a a n d t h e p rp o s e d l o c a t i o n o f t h e enzyme i n t h e o u t e r c e l l e n v e l o p e s u g g e st h a t i t may h a v e an i m p o r t a n t f u n c t i o n i n t h e p r o p a g a t i o nd a m a g e t o t h e c e l l s w i t h i n t h e i n f l a m e d human p e r i o d o n t a l t i

4 0 4 C r i t R e v O r a l B i o l Med 12Q.):3QQ-4134 0 4 C r i t R e v O r a l B i o l Me d 1 2 ( 5 ) : 3 9 9 - 4 1 3 ( 2 0 0 1by guest on December 12, 2011 For personal use only. No other uses without permission.cro.sagepub.comDownloaded from
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T h e b i o l o g i c a l r o l e o f t h e p r o l i n e i m i n o p e p t i d a s e may b ee t e r m i n a t i o n o f t h e o v e r a l l p e p t i d o l y t i c c a s c a d e . H o s t t i s s u ea n d p e p t i d e s may b e f i r s t p r o c e s s e d a n d i n a c t i v a t e do t h e r p e p t i d a s e s p o s s i b l y p r e s e n t w i t h i n t h e same s i t e s ase p r o l i n e i m i n o p e p t i d a s e , a n d t h e n c l e a v e d b y t h e b a c t e r i a l( M a k i n e n e t a l . , 1 9 9 6 ) . I n a d d i t i o n , a g l u t a m y l - p e p t i -was f o u n d i n t h e s e b a c t e r i a ( M a k i n e n e t a l . , 1 9 9 4 ) , as w e l ls e v e r a l f i b r i n o l y t i c a c t i v i t i e s w h i c h were i d e n t i f i e d a n d c h a r -f o l l o w i n g p h a s e p a r t i t i o n i n g w i t h t h e n o n - i o n i cT r i t o n X - 1 1 4 ( R o s e n e t a l . , 1 9 9 4 ) . T h e a p p a r e n t m o l e c -

masses o f t h e s e p r o t e a s e s r a n g e d f r o m 9 1 t o 2 2 8 k D a .o f c r u d e b a c t e r i a l o u t e r s h e a t h s p r e p a r e d b yf r e e z i n g a n d t h a w i n g r e v e a l e d t h a t t h e p r o t e a s e s maya s s o c i a t e d w i t h t h i s s u b c e l l u l a r c o m p a r t m e n t . T h e p r o t e a s -d i s p l a y e d s u b s t r a t e s p e c i f i c i t y t o w a r d f i b r i n o g e n , were s u s -t o s u l f h y d r y l g r o u p r e a g e n t s , a n d h a d a p H o p t i m u m7 a n d 8 . B y i m m u n o b l o t t i n g u s i n g s p e c i f i c a n t i b o d i e se t a l . , 1 9 9 9 a ) , we h a v e f u r t h e r i d e n t i f i e d t h e 1 6 0 - , 1 9 0 - ,d 2 7 0 - k D a o u t e r s h e a t h p r o t e a s e s o f T . d e n t i c o l a A T C C 3 5 4 0 4b e m u l t i p l e f o r m s o f t h e m a j o r 9 1 - k D a p h e n y l a l a n i n e p r o -( P A P ) . T h e p u r i f i e d P A P c o m p l e t e l y d e g r a d e d k e r a t i n ,was u n a b l e t o d e g r a d e n a t i v e a c t i n ( R o s e n e t a l . , 1 9 9 9 a ) .T h e p u r i f i e d e n z y m e c o n s i s t e d o f 3 p o l y p e p t i d e s ( 3 8 , 4 3 ,d 7 2 k D a ) , e x h i b i t e d s p e c i f i c i t y f o r p e p t i d e b o n d s c o n t a i n i n ga n d p r o l i n e , a n d was c l a s s i f i e d as a s e r i n e p r o -

on t h e b a s i s o f i n h i b i t i o n s t u d i e s . N a t u r a l l y o c c u r r i n g p r o -i n h i b i t o r s s u c h as a l p h a l - a n t i t r y p s i n a n d a l p h a l - a n t i c h y -h a d no e f f e c t on e n z y m a t i c a c t i v i t y . M u l t i p l e f o r m st h e p h e n y l a l a n i n e p r o t e a s e were a l s o f o u n d i n t wo o t h e r T .s t r a i n s s t u d i e d : A T C C 3 3 5 2 0 a n d t h e c l i n i c a l i s o l a t eP r o t e i n , p r o t e o l y t i c , a n d W e s t e r n b l o t a n a l y s e s w i t h u s ea n t i b o d i e s a g a i n s t t h e P A P a n d t h e b a c t e r i a l m a j o r s u r f a c ei n d i c a t e d t h a t t h e 1 9 0 - a n d 2 7 0 - k D a p r o t e a s e s were p r o -c o m p l e x e s f o r m e d b y t h e M s p a n d t h e P A P . T h e a s s o c i a t i o nt h e M s p a d h e s i n w i t h a p r o t e a s e c a p a b l e o f d e g r a d i n g h o s tp r o t e i n s may b e n e f i t t h e a t t a i n m e n t o f p r o t e i n - b a s e dn e c e s s a r y t o s u p p o r t t h e g r o w t h o f t h e b a c t e r i a . T h e s emay a l s o p l a y a r o l e i n t h e s t r u c t u r a l o r g a n i z a t i o n o fT . d e n t i c o l a o u t e r s h e a t h . T h e a b i l i t y o f w h o l e c e l l s o f T . d e n -A T C C 3 5 4 0 5 t o h y d r o l y z e s u b s t a n c e P , b r a d y k i n i n , a n dI was a l s o e x a m i n e d f o r assessment o f t h e r o l e o fc h y m o t r y p s i n - l i k e m e m b r a n e - a s s o c i a t e d p r o t e i n a s e i n i n a c -o f b i o a c t i v e p e p t i d e s ( M a k i n e n PL e t a l . , 1 9 9 5 ) .P was a t t a c k e d p r i m a r i l y b y t h e c h y m o t r y p s i n - l i k eB r a d y k i n i n was c l e a v e d b y t h e e n d o p e p t i d a s e ( F A L -a n d t h e p r o l y l o l i g o p e p t i d a s e ( P O P a s e ) , w h i l eI was r a p i d l y c o n v e r t e d t o a n g i o t e n s i n I I b y t h ep r o t e a s e , a n d b o t h a n g i o t e n s i n I a n dI I were f u r t h e r h y d r o l y z e d b y t h e P O P a s e . T h e

m e m b r a n e o f T . d e n t i c o l a may t h e r e f o r e t a k e p a r t i n t h ea n d i n a c t i v a t i o n o f b i o a c t i v e p e p t i d e s a n d o t h e rc a t a l y s e s i n t h e p e r i o d o n t i u m . T h e e n z y m e ' s a b i l i -o h y d r o l y z e h u m o r a l p r o t e i n s a n d p r o t e a s e i n h i b i t o r s mayn v o l v e d i n b a c t e r i a l i n v a s i v e n e s s a n d t i s s u e d e s t r u c t i o n .T h e r o l e o f t h e p r o l y l - p h e n y l a l a n i n e - s p e c i f i c s e r i n e p r o -( d e n t i l i s i n ) i n t h e p h y s i o l o g y a n d v i r u l e n c e o f T . d e n t i c o -s e x a m i n e d b y a r e c e n t l y c o n s t r u c t e d d e n t i l i s i n - d e f i c i e n t( I s h i h a r a e t a l . , 1 9 9 8 ) .Not o n l y was no c h y m o t r y p s i n - l i k e p r o t e a s e a c t i v i t y d e t e c t -i n t h e d e n t i l i s i n - d e f i c i e n t m u t a n t , b u t a l s o t h e h i g h - m o l e c u -o l i g o m e r i c p r o t e i n c h a r a c t e r i s t i c o f t h e o u t e r s h e a t h o fo r g a n i s m was d e c r e a s e d i n t h e m u t a n t . F u r t h e r m o r e , t h e

P -IRmF i g u r e 2 . S c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o g r a p h o f T d e n t i c o l o a n de x t r a c e l l u l a r v e s i c l e s ( - ) .h y d r o p h o b i c i t y o f t h e m u t a n t was r e d u c e d a n d c o - a g g r e g ao f t h e m u t a n t w i t h F u s o b a c t e r i u n m n u c l e a t i o n i i was e n h a n c e dp a r e d w i t h t h e w i l d - t y p e o r g a n i s m . T h e v i r u l e n c e o f t h e mui n a mouse a b s c e s s m o d e l was a t t e n u a t e d i n r e l a t i o n t o t ht h e w i l d - t y p e o r g a n i s m . T h e s e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t d e n t ia c t i v i t y p l a y s a m a j o r r o l e i n t h e s t r u c t u r a l o r g a n i z a t i o n oo u t e r s h e a t h o f T . d e n t i c o l a , w h i l e t h e l o s s o f d e n t i l i s i n a c ta n d t h e s t r u c t u r a l c h a n g e i n t h e o u t e r s h e a t h a f f e c t b a c tp a t h o g e n i c c a p a c i t y ( I s h i h a r a e t a l . , 1 9 8 8 ; I s h i h a r a a n d O k1 9 9 9 ) .A n e u t r a l p h o s p h a t a s e g e n e , p h o N , f r o m T . d e nA T C C 3 5 4 0 5 was i s o l a t e d f r o m a c l o n e b a n k c o n s t r u c t et h e m e d i u m - c o p y - n u m b e r p l a s m i d v e c t o r ( I s h i h a r aK u r a m i t s u , 1 9 9 5 ) .E n z y m e - c o n t a i n i n g e x t r a c e l l u l a r v e s i c l e s ( F i g . 2 ) c as e e n bound t o t h e b a c t e r i a l s u r f a c e o r f r e e i n t h e s u r r o u nmedium o f T . d e n t i c o l a ( R o s e n e t a l . , 1 9 9 5 ) . P r o t e i n a n d p r ol y t i c p a t t e r n s o f t h e v e s i c l e s w e r e f o u n d t o b e v e r y s i m i l at h o s e o f i s o l a t e d T . d e n t i c o l a o u t e r s h e a t h s . T h e y w e r e e n r iw i t h t h e m a j o r o u t e r s h e a t h p o l y p e p t i d e s ( m o l e c u l a r s i z e s ,t o 2 3 4 k D a ) a n d w i t h C T L P . A r e c e n t s t u d y o f t h e e n z y ma c t i v i t y o f p e r i o d o n t o p a t h i c b a c t e r i a c l a i m s t h a t T . d e i i t i c o l au n a b l e t o d e g r a d e I g A , I g G , o r a l b u m i n , w h i l e a s t r a i n o f P .g i v a l i s c o m p l e t e l y h y d r o l y z e d t h e s e p r o t e i n s ( H o l l m a n n

( 2 0 0 1 ) Crit Rev Oral BiolMed( 2 0 0 1 ) C r i t R c v O r a l B i o l Mcdby guest on December 12, 2011 For personal use only. No other uses without permission.cro.sagepub.comDownloaded from


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V a n d e r H o e v e n , 1 9 9 9 ) , s u g g e s t i n g t h a t , i n t h e p e r i o d o n t a lp o c k e t , T . d e n t i c o l a d e p e n d s on p r o t e i n a s e s f r o m o t h e r b a c t e r i af o r u t i l i z a t i o n o f t h e a v a i l a b l e s e r u m p r o t e i n s . T h i s i s i n a c c o r -d a n c e w i t h t h e c l i n i c a l d a t a ( s e e a b o v e ) s h o w i n g a c l o s e r e l a -t i o n s h i p b e t w e e n T . d e n t i c o l a a n d s t r o n g l y p r o t e o l y t i c b a c t e r i a ,s u c h a s P . g i n g i v a l i s a n d B . f o r s y t h u s ( P e d e r s o n e t a l . , 1 9 9 4 ) . O f t h ea n a e r o b i c o r a l b a c t e r i a c a p a b l e o f d e g r a d i n g e x t r a c e l l u l a rm a t r i x p r o t e i n s , T . d e n t i c o l a a n d P . g i n g i v a l i s h a v e b e e n s h o w n t op o s s e s s t h e h i g h e s t p r o t e o l y t i c a c t i v i t y ( U i t t o e t a l . , 1 9 8 8 ) . B o t hc o n t a i n s e v e r a l s u r f a c e membrane p r o t e a s e s t h a t may b er e l e a s e d i n t h e b a c t e r i a l v i c i n i t y t h r o u g h e x t r a c e l l u l a r v e s i c l e s( R o s e n e t a l . , 1 9 9 5 ) . W h i l e t h e P . g i n g i v a l i s e n z y m e s a r e c y s t e i n ep r o t e i n a s e s w i t h s p e c i f i c i t y t o w a r d a r g i n i n e a n d l y s i n e , t h e T .d e n t i c o l a o u t e r s h e a t h p r o t e a s e s a p p e a r t o b e l o n g t o t h e s e r i n ef a m i l y . T h e s e d i f f e r e n c e s i n e n z y m a t i c s p e c i f i c i t y may b e o fg r e a t i m p o r t a n c e i n t h e m u t u a l c o - e x i s t e n c e o f t h e s e two b a c t e -r i a i n t h e c y t o p a t h i c e v e n t s t h a t a c c o m p a n y p e r i o d o n t a l d i s -e a s e s . F u r t h e r m o r e , t h e s e e n z y m a t i c d i f f e r e n c e s may b e u s e d i nd i f f e r e n t i a t i n g b e t w e e n t h e t w o p e r i o d o n t a l p a t h o g e n s i n t h ep e r i o d o n t a l p o c k e t . I n a d d i t i o n t o t h e M s p a n d t h e e n z y m e s d i s -c u s s e d a b o v e , T . d e n t i c o l a p o s s e s s s e v e r a l l i p o p r o t e i n s a n d al i p o - o l i g o s a c c h a r i d e ( L O S ) w i t h a m o l e c u l a r mass o f 1 4 kDa( S e l a e t a l . , 1 9 9 7 ) . T . d e n t i c o l a A T C C 3 5 4 0 4 a n d t h e c l i n i c a l i s o l a t eG M - 1 w e r e e x t r a c t e d w i t h T r i t o n X - 1 1 4 . T h e e x t r a c t w a s p h a s e -s e p a r a t e d a n d d e - l i p i d a t e d t o re mo v e n o n - c o v a l e n t l y - b o u n dl i p i d ( d e - l i p i d a t e d l i p o p r o t e i n = d L P P ) . P o l y a c r y l a m i d e e l e c -t r o p h o r e t i c s e p a r a t i o n f o l l o w e d b y a u t o r a d i o g r a p h y o f T . d e n t i -c o l a A T C C 3 5 4 0 4 s h o w e d [ 3 H ] - c i s - 9 - o c t a d e c e n o i c a c i d i n c o r p o -r a t i o n i n b a n d s w i t h a p p a r e n t m o l e c u l a r masses o f 1 4 , 2 0 , 2 6 ,3 1 , 3 8 , 7 2 , a n d 8 5 k D a a n d a b r o a d b a n d r u n n i n g f r o m 1 1 3 kDat o t h e t o p o f t h e g e l . T h i s l a s t b a n d r e s o l v e d i n t o a 5 3 - k D a [ 3 H ] -c i s - 9 - o c L U d e c e n o i c a c i d b a n d when h e a t e d . I n t h e G M - 1 s t r a i n ,[ 3 H ] - c i s - 9 - o c L . 1 e c e n o i c a c i d i n c o r p o r a t i o n w as o b s e r v e d i n t h e1 1 6 - k D a a n d 1 4 - k D a b a n d s . C h e m i c a l a n a l y s i s s h o w e d t h a th e x a d e c a n o i c a c i d w a s t h e p r e d o m i n a n t f a t t y a c i d b o u n d t o T .d e n t i c o l a . C o m p a r i s o n o f t h e p r o t e i n p a t t e r n o f t h e d e t e r g e n tp h a s e f r a c t i o n w i t h t h a t o f i s o l a t e d o u t e r s h e a t h s f r o m T . d e n t i -c o l a A T C C 3 5 4 0 4 ( R o s e n e t a l . , 1 9 9 4 ) s h o w e d , i n b o t h f r a c t i o n s ,h i g h - m o l e c u l a r - w e i g h t o l i g o m e r i c p r o t e i n s t h a t s e e m e d t o b ee n r i c h e d b y d i f f e r e n t p o l y p e p t i d e s . W h e n e i t h e r t h e T r i t o n X 1 1 4p h a s e o r t h e o u t e r s h e a t h s were h e a t e d , a m a j o r 5 3 - k D a p r o t e i na p p e a r e d i n b o t h c a s e s . T h e same m e t h o d o l o g y w as u s e d t os e p a r a t e t h e m a j o r o u t e r s h e a t h p r o t e i n f r o m t h e 9 5 - k D a p r o -t e a s e ( F e n n o e t a l . , 1 9 9 8 a ) .W h i l e M s p w a s f o u n d m a i n l y i n t h e a q u e o u s p h a s e , t h ep r o t e a s e p a r t i t i o n e d i n t h e d e t e r g e n t p h a s e ( R o s e n e t a l . , 1 9 9 4 ;F e n n o e t a l . , 1 9 9 8 a ) . I t i s e v i d e n t f r o m t h e s e r e s u l t s t h a t t h e h i g h -m o l e c u l a r - w e i g h t [ 3 H ] - c i s 9 - o c t a d e c e n o i c a c i d - l a b e l e d p r o t e i n sf o u n d i n t h e T r i t o n X - 1 1 4 p h a s e o f s t r a i n A T C C 3 5 4 0 4 a r e d i f f e r -e n t f r o m t h e M s p ( w h i c h s e g r e g a t e d t o t h e a q u e o u s p h a s e ) .F u r t h e r m o r e , s e q u e n c e a n a l y s i s o f t h e Ms p h a d a t y p i c a lp r o k a r y o t i c s i g n a l s e q u e n c e w i t h a p o t e n t i a l c l e a v e g e s i t e f o rs i g n a l p e p t i d a s e I ( F e n n o e t a l . , 1 9 9 6 ) . On t h e o t h e r h a n d ,n u c l e o t i d e s e q u e n c e a n a l y s i s o f t h e DNA f r a g m e n t e n c o d i n g f o rt h e T . d e n t i c o l a J o h n s o n 5 3 - k D a p r o t e i n r e v e a l e d a s i g n a l p e p t i d et h a t w a s h o m o l o g o u s t o t h a t o f b a c t e r i a l l i p o p r o t e i n s( M i y a m o t o e t a l . , 1 9 9 1 ) . A p r o b e ( t d p A ) e n c o d i n g f o r t h e 5 3 - k D ap o l y p e p t i d e h y b r i d i z e s i n t e n s i v e l y w i t h DNA o b t a i n e d f r o ms e v e r a l T . d e n t i c o l a s t r a i n s , i n c l u d i n g A T C C 3 5 4 0 4 , 3 5 4 0 5 , a n d3 3 5 2 0 ( M a c D o u g a l l a n d S a i n t G i r o n s , 1 9 9 5 ) . T a k e n t o g e t h e r ,t h e s e f i n d i n g s s u g g e s t t h a t more t h a n one c l a s s o f 5 3 - k D a p r o -t e i n s e x i s t s i n t h e b a c t e r i a . T h e e f f e c t s o f T . d e n t i c o l a l i p o p r o t e i n s

o n h o s t immune c e l l s , e . g . , P M N s a n d m a c r o p h a g e s , i n r e l a t i ot o o t h e r p a t h o g e n i c s p i r o c h e t e s w i l l b e d i s c u s s e d i n t h e n e x t s et i o n s . I t w a s r e c e n t l y p r o p o s e d t h a t t h e LOS m o l e c u l e e x t r a c t ef r o m s e v e r a l s t r a i n s o f T . d e n t i c o l a i s a ne w t y p e o f o u t e r m e mb r a n e l i p i d ( S c h u l t z e t a l . , 1 9 9 8 ) . W h i l e t h e c h e m i c a l a n a l y s i s oLOS p l a c e s t h i s m o l e c u l e c l o s e t o l i p o t e i c h o i c a c i d s o f G r a mp o s i t i v e b a c t e r i a , i t s b i o p h y s i c a l membrane b e h a v i o r i s s i m i l at o t h a t o f L P S o f G r a m - n e g a t i v e b a c t e r i a . T h e p r e s e n c e ol i p o p o l y s a c c h a r i d e s e e m s t o b e d i v e r s e among s p i r o c h e t as p e c i e s . T h e s t e p l a d d e r b a n d i n g o b s e r v e d i n E . c o l i L

role of treponema in periodontal diseases

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