Étude transcriptionnelle d'une souche pathogène aviaire de Escherichia coli (APEC) et son mutant Pst (phosphate specific transport)

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Étude du rôle spécifique du système à deux composantes PhoBR et du système Pst (phosphate specific transport) dans la virulence d’une souche pathogène aviaire de Escherichia coli (APEC)

Les souches d’Escherichia coli pathogènes aviaires (APEC) sont responsables d’infections respiratoires et de septicémies chez la volaille. Le régulon Pho est contrôlé conjointement par le système à deux composantes PhoBR et par le système de transport spécifique du phosphate (Pst). Afin de déterminer l’implication de PhoBR et du système Pst dans la pathogenèse de la souche APEC O78 χ7122, différentes souche mutantes phoBR et pst ont été testées pour divers traits de virulence in vivo et in vitro. Les mutations menant à l’activation constitutive du régulon Pho rendaient les souches plus sensibles au peroxyde d’hydrogène et au sérum de lapin comparativement à la souche sauvage. De plus, l’expression des fimbriae de type 1 était affectée chez ces souches. L’ensemble des mutants Pho-constitutifs étaient aussi significativement moins virulents que la souche sauvage dans un modèle de coinfection de poulet, incluant les souches avec un système Pst fonctionnel. De plus, l’inactivation du régulateur PhoB chez un mutant Pst restaure la virulence. Par ailleurs, l’inactivation de PhoB n’affecte pas la virulence de la souche χ7122 dans notre modèle. De manière intéressante, le degré d’atténuation des souches mutantes corrèle directement avec le niveau d’activation du régulon Pho. Globalement, les résultats indiquent que l’activation du régulon Pho plutôt que le transport du phosphate via le système Pst joue un rôle majeur dans l’atténuation des APEC.

Potential pathogenicity and antimicrobial resistance of Escherichia coli from pig and poultry feces on-farm and carcasses at the abattoir in Vietnam

E. coli avec potentiel zoonotique pourrait éclore dans les réservoirs porcins et avicoles. Cette étude consiste à examiner la présence de souches E. coli porteuses de gènes virulents associés aux STEC (E. coli producteurs de Shiga-toxines), EPEC (E. coli entéropathogène), et ExPEC (E. coli pathogène extra-intestinal) chez les porcs et volailles élevés au Vietnam. Des prélèvements d’excréments et de carcasses ont été effectués dans des fermes et abattoirs porcins et avicoles sélectionnés où les animaux ont été suivis de l’élevage à l’abattage. Un total de 13,1% des souches, toutes sources confondues, ont été catégorisées comme potentiellement contaminées par ExPEC, possédant un ou plusieurs gènes de virulence iucD, tsh, papC et cnf. Peu d’isolats d’autres pathotypes ont été observés. Tous les gènes de virulence ExPEC, à l’exception de cnf, ont été identifiés plus fréquemment dans les isolats de fèces et carcasses avicoles que dans les isolats porcins. Même constatation pour le groupe du phylogénétique D. Une multirésistance aux médicaments a été régulièrement observée chez les deux isolats ExPEC. Les isolats de fèces de volailles ont souvent été associés à une résistance à l’acide nalidixique et à la ciprofloxacine (P<0.05), de même qu’au gène blaTEM, alors que les gènes qnr et aac(6’)-Ib ont peu été rencontrés des deux côtés. Cette étude démontre que les isolats ExPEC avicoles sont potentiellement plus pathogèniques que ceux porcins et que les isolats ExPEC de carcasses porcines et avicoles peuvent provenir de leurs excréments par la contamination associée au processus d'abattage. Ainsi, la volaille, particulièrement, serait un facteur de transmission de souches ExPEC zoonotiques.

Interaction d'Escherichia coli entérohémorragique (EHEC) avec Acanthamoeba castellanii et rôle du régulon Pho chez les EHEC

Les EHEC de sérotype O157:H7 sont des agents zoonotiques d’origine alimentaire ou hydrique. Ce sont des pathogènes émergeants qui causent chez l’humain des épidémies de gastro-entérite aiguë et parfois un syndrome hémolytique-urémique. Les EHEC réussissent leur transmission à l’humain à partir de leur portage commensal chez l’animal en passant par l’étape de survie dans l’environnement. L’endosymbiose microbienne est une des stratégies utilisées par les bactéries pathogènes pour survivre dans les environnements aquatiques. Les amibes sont des protozoaires vivants dans divers écosystèmes et connus pour abriter plusieurs agents pathogènes. Ainsi, les amibes contribueraient à transmettre les EHEC à l'humain. La première partie de mon projet de thèse est centrée sur l'interaction de l’amibe Acanthamoeba castellanii avec les EHEC. Les résultats montrent que la présence de cette amibe prolonge la persistance des EHEC, et ces dernières survivent à leur phagocytose par les amibes. Ces résultats démontrent le potentiel réel des amibes à héberger les EHEC et à contribuer à leur transmission. Cependant, l’absence de Shiga toxines améliore leur taux de survie intra-amibe. Par ailleurs, les Shiga toxines sont partiellement responsables de l’intoxication des amibes par les EHEC. Cette implication des Shiga toxines dans le taux de survie intracellulaire et dans la mortalité des amibes démontre l’intérêt d’utiliser les amibes comme modèle d'interaction hôte/pathogène pour étudier la pathogénicité des EHEC. Durant leur cycle de transmission, les EHEC rencontrent des carences en phosphate inorganique (Pi) dans l’environnement. En utilisant conjointement le système à deux composantes (TCS) PhoB-R et le système Pst (transport spécifique de Pi), les EHEC détectent et répondent à cette variation en Pi en activant le régulon Pho. La relation entre la virulence des EHEC, le PhoB-R-Pst et/ou le Pi environnemental demeure inconnue. La seconde partie de mon projet explore le rôle du régulon Pho (répondant à un stress nutritif de limitation en Pi) dans la virulence des EHEC. L’analyse transcriptomique montre que les EHEC répondent à la carence de Pi par une réaction complexe impliquant non seulement un remodelage du métabolisme général, qui est critique pour sa survie, mais aussi en coordonnant sa réponse de virulence. Dans ces conditions le régulateur PhoB contrôle directement l’expression des gènes du LEE et de l’opéron stx2AB. Ceci est confirmé par l’augmentation de la sécrétion de l’effecteur EspB et de la production et sécrétion de Stx2 en carence en Pi. Par ailleurs, l’activation du régulon Pho augmente la formation de biofilm et réduit la motilité chez les EHEC. Ceci corrèle avec l’induction des gènes régulant la production de curli et la répression de la voie de production d’indole et de biosynthèse du flagelle et du PGA (Polymère β-1,6-N-acétyle-D-glucosamine).

Influence du microbiote intestinal sur le métabolisme et la virulence des Escherichia coli entérohémorragiques

Les Escherichia coli entérohémorragiques (EHEC) représentent un problème majeur de santé publique dans les pays développés. Les EHEC sont régulièrement responsables de toxi-infections alimentaires graves chez l’humain et causent des colites hémorragiques et le symptôme hémolytique et urémique, mortel chez les enfants en bas âge. Les EHEC les plus virulents appartiennent au sérotype O157:H7 et le bovin constitue leur réservoir naturel. À ce jour il n’existe aucun traitement pour éviter l’apparition des symptômes liés à une infection à EHEC. Par conséquent, il est important d’augmenter nos connaissances sur les mécanismes employés par le pathogène pour réguler sa virulence et coloniser efficacement la niche intestinale. Dans un premier temps, l’adaptation de la souche EHEC O157:H7 EDL933 à l’activité métabolique du microbiote intestinal a été étudiée au niveau transcriptionnel. Pour se faire, EDL933 a été cultivée dans les contenus caecaux de rats axéniques (milieu GFC) et dans ceux provenant de rats colonisés par le microbiote intestinal humain (milieu HMC). Le HMC est un milieu cécal conditionné in vivo par le microbiote. Dans le HMC par rapport au GFC, EDL933 change drastiquement de profile métabolique en réponse à l’activité du microbiote et cela se traduit par une diminution de l’expression des voies de la glycolyse et une activation des voies de l’anaplérose (voies métaboliques dont le rôle est d’approvisionner le cycle TCA en intermédiaires métaboliques). Ces résultats, couplés avec une analyse métabolomique ciblée sur plusieurs composés, ont révélé la carence en nutriments rencontrée par le pathogène dans le HMC et les stratégies métaboliques utilisées pour s’adapter au microbiote intestinal. De plus, l’expression des gènes de virulence incluant les gènes du locus d’effacement des entérocytes (LEE) codant pour le système de sécrétion de type III sont réprimés dans le HMC par rapport au GFC indiquant la capacité du microbiote intestinal à réprimer la virulence des EHEC. L’influence de plusieurs composés intestinaux présents dans les contenus caecaux de rats sur l’expression des gènes de virulence d’EDL933 a ensuite été étudiée. Ces résultats ont démontré que deux composés, l’acide N-acétylneuraminique (Neu5Ac) et le N-acétylglucosamine (GlcNAc) répriment l’expression des gènes du LEE. La répression induite par ces composés s’effectue via NagC, le senseur du GlcNAc-6-P intracellulaire et le régulateur du catabolisme du GlcNAc et du galactose chez E. coli. NagC est un régulateur transcriptionnel inactivé en présence de GlcNAc-6-P qui dérive du catabolisme du Neu5Ac et du transport GlcNAc. Ce travail nous a permis d’identifier NagC comme un activateur des gènes du LEE et de mettre à jour un nouveau mécanisme qui permet la synchronisation de la virulence avec le métabolisme chez les EHEC O157:H7. La concentration du Neu5Ac et du GlcNAc est augmentée in vivo chez le rat par le symbiote humain Bacteroides thetaiotaomicron, indiquant la capacité de certaines espèces du microbiote intestinal à relâcher les composés répresseurs de la virulence des pathogènes. Ce travail a permis l’identification des adaptations métaboliques des EHEC O157:H7 en réponse au microbiote intestinal ainsi que la découverte d’un nouveau mécanisme de régulation de la virulence en réponse au métabolisme. Ces données peuvent contribuer à l’élaboration de nouvelles approches visant à limiter les infections à EHEC.

Highly discriminatory single-nucleotide polymorphism interrogation of Escherichia coli by use of allele-specific real-time PCR and eBURST analysis

In total, 782 Escherichia coli strains originating from various host sources have been analyzed in this study by using a highly discriminatory single-nucleotide polymorphism (SNP) approach. A set of eight SNPs, with a discrimination value (Simpson's index of diversity [D]) of 0.96, was determined using the Minimum SNPs software, based on sequences of housekeeping genes from the E. coli multilocus sequence typing (MLST) database. Allele-specific real-time PCR was used to screen 114 E. coli isolates from various fecal sources in Southeast Queensland (SEQ). The combined analysis of both the MLST database and SEQ E. coli isolates using eight high-D SNPs resolved the isolates into 74 SNP profiles. The data obtained suggest that SNP typing is a promising approach for the discrimination of host-specific groups and allows for the identification of human-specific E. coli in environmental samples. However, a more diverse E. coli collection is required to determine animal- and environment-specific E. coli SNP profiles due to the abundance of human E. coli strains (56%) in the MLST database.

Development and validation of novel methods for microbial source tracking based on Escherichia coli as an indicator of water quality

Microbial pollution in water periodically affects human health in Australia, particularly in times of drought and flood. There is an increasing need for the control of waterborn microbial pathogens. Methods, allowing the determination of the origin of faecal contamination in water, are generally referred to as Microbial Source Tracking (MST). Various approaches have been evaluated as indicatorsof microbial pathogens in water samples, including detection of different microorganisms and various host-specific markers. However, until today there have been no universal MST methods that could reliably determine the source (human or animal) of faecal contamination. Therefore, the use of multiple approaches is frequently advised. MST is currently recognised as a research tool, rather than something to be included in routine practices. The main focus of this research was to develop novel and universally applicable methods to meet the demands for MST methods in routine testing of water samples. Escherichia coli was chosen initially as the object organism for our studies as, historically and globally, it is the standard indicator of microbial contamination in water. In this thesis, three approaches are described: single nucleotide polymorphism (SNP) genotyping, clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR) screening using high resolution melt analysis (HRMA) methods and phage detection development based on CRISPR types. The advantage of the combination SNP genotyping and CRISPR genes has been discussed in this study. For the first time, a highly discriminatory single nucleotide polymorphism interrogation of E. coli population was applied to identify the host-specific cluster. Six human and one animal-specific SNP profile were revealed. SNP genotyping was successfully applied in the field investigations of the Coomera watershed, South-East Queensland, Australia. Four human profiles [11], [29], [32] and [45] and animal specific SNP profile [7] were detected in water. Two human-specific profiles [29] and [11] were found to be prevalent in the samples over a time period of years. The rainfall (24 and 72 hours), tide height and time, general land use (rural, suburban), seasons, distance from the river mouth and salinity show a lack of relashionship with the diversity of SNP profiles present in the Coomera watershed (p values > 0.05). Nevertheless, SNP genotyping method is able to identify and distinquish between human- and non-human specific E. coli isolates in water sources within one day. In some samples, only mixed profiles were detected. To further investigate host-specificity in these mixed profiles CRISPR screening protocol was developed, to be used on the set of E. coli, previously analysed for SNP profiles. CRISPR loci, which are the pattern of previous DNA coliphages attacks, were considered to be a promising tool for detecting host-specific markers in E. coli. Spacers in CRISPR loci could also reveal the dynamics of virulence in E. coli as well in other pathogens in water. Despite the fact that host-specificity was not observed in the set of E. coli analysed, CRISPR alleles were shown to be useful in detection of the geographical site of sources. HRMA allows determination of ‘different’ and ‘same’ CRISPR alleles and can be introduced in water monitoring as a cost-effective and rapid method. Overall, we show that the identified human specific SNP profiles [11], [29], [32] and [45] can be useful as marker genotypes globally for identification of human faecal contamination in water. Developed in the current study, the SNP typing approach can be used in water monitoring laboratories as an inexpensive, high-throughput and easy adapted protocol. The unique approach based on E. coli spacers for the search for unknown phage was developed to examine the host-specifity in phage sequences. Preliminary experiments on the recombinant plasmids showed the possibility of using this method for recovering phage sequences. Future studies will determine the host-specificity of DNA phage genotyping as soon as first reliable sequences can be acquired. No doubt, only implication of multiple approaches in MST will allow identification of the character of microbial contamination with higher confidence and readability.

Yersinia high pathogenicity island genes modify the Escherichia coli primary metabolome independently of siderophore production

Bacterial siderophores may enhance pathogenicity by scavenging iron, but their expression has been proposed to exert a substantial metabolic cost. Here we describe a combined metabolomic-genetic approach to determine how mutations affecting the virulence-associated siderophore yersiniabactin affect the Escherichia coli primary metabolome. Contrary to expectations, we did not find yersiniabactin biosynthesis to correspond to consistent metabolomic shifts. Instead, we found that targeted deletion of ybtU or ybtA, dissimilar genes with similar roles in regulating yersiniabactin expression, were associated with a specific shift in arginine pathway metabolites during growth in minimal media. This interaction was associated with high arginine levels in the model uropathogen Escherichia coli UTI89 compared to its ybtU and ybtA mutants and the K12 strain MG1655, which lacks yersiniabactin-associated genes. Because arginine is not a direct yersiniabactin biosynthetic substrate, these findings show that virulence-associated secondary metabolite systems may shape bacterial primary metabolism independently of substrate consumption

Metabolomic analysis of siderophore cheater mutants reveals metabolic costs of expression in uropathogenic escherichia coli

Bacterial siderophores are a group of chemically diverse, virulence-associated secondary metabolites whose expression exerts metabolic costs. A combined bacterial genetic and metabolomic approach revealed differential metabolomic impacts associated with biosynthesis of different siderophore structural families. Despite myriad genetic differences, the metabolome of a cheater mutant lacking a single set of siderophore biosynthetic genes more closely approximate that of a nonpathogenic K12 strain than its isogenic, uropathogen parent strain. Siderophore types associated with greater metabolomic perturbations are less common among human isolates, suggesting that metabolic costs influence success in a human population. Although different siderophores share a common iron acquisition function, our analysis shows how a metabolomic approach can distinguish their relative metabolic impacts in E.coli.

The complete genome sequence of Escherichia coli EC958: a high quality reference sequence for the globally disseminated multidrug resistant E. coli O25b:H4-ST131 clone

Escherichia coli ST131 is now recognised as a leading contributor to urinary tract and bloodstream infections in both community and clinical settings. Here we present the complete, annotated genome of E. coli EC958, which was isolated from the urine of a patient presenting with a urinary tract infection in the Northwest region of England and represents the most well characterised ST131 strain. Sequencing was carried out using the Pacific Biosciences platform, which provided sufficient depth and read-length to produce a complete genome without the need for other technologies. The discovery of spurious contigs within the assembly that correspond to site-specific inversions in the tail fibre regions of prophages demonstrates the potential for this technology to reveal dynamic evolutionary mechanisms. E. coli EC958 belongs to the major subgroup of ST131 strains that produce the CTX-M-15 extended spectrum β-lactamase, are fluoroquinolone resistant and encode the fimH30 type 1 fimbrial adhesin. This subgroup includes the Indian strain NA114 and the North American strain JJ1886. A comparison of the genomes of EC958, JJ1886 and NA114 revealed that differences in the arrangement of genomic islands, prophages and other repetitive elements in the NA114 genome are not biologically relevant and are due to misassembly. The availability of a high quality uropathogenic E. coli ST131 genome provides a reference for understanding this multidrug resistant pathogen and will facilitate novel functional, comparative and clinical studies of the E. coli ST131 clonal lineage.

Role of capsule and O antigen in the virulence of uropathogenic Escherichia coli

Urinary tract infection (UTI) is one of the most common bacterial infections in humans, with uropathogenic Escherichia coli (UPEC) the leading causative organism. UPEC has a number of virulence factors that enable it to overcome host defenses within the urinary tract and establish infection. The O antigen and the capsular polysaccharide are two such factors that provide a survival advantage to UPEC. Here we describe the application of the rpsL counter selection system to construct capsule (kpsD) and O antigen (waaL) mutants and complemented derivatives of three reference UPEC strains: CFT073 (O6:K2:H1), RS218 (O18:K1:H7) and 1177 (O1:K1:H7). We observed that while the O1, O6 and O18 antigens were required for survival in human serum, the role of the capsule was less clear and linked to O antigen type. In contrast, both the K1 and K2 capsular antigens provided a survival advantage to UPEC in whole blood. In the mouse urinary tract, mutation of the O6 antigen significantly attenuated CFT073 bladder colonization. Overall, this study contrasts the role of capsule and O antigen in three common UPEC serotypes using defined mutant and complemented strains. The combined mutagenesis-complementation strategy can be applied to study other virulence factors with complex functions both in vitro and in vivo.

Global dissemination of a multidrug resistant Escherichia coli clone

Escherichia coli sequence type 131 (ST131) is a globally disseminated, multidrug resistant (MDR) clone responsible for a high proportion of urinary tract and bloodstream infections. The rapid emergence and successful spread of E. coli ST131 is strongly associated with several factors, including resistance to fluoroquinolones, high virulence gene content, the possession of the type 1 fimbriae FimH30 allele, and the production of the CTX-M-15 extended spectrum β-lactamase (ESBL). Here, we used genome sequencing to examine the molecular epidemiology of a collection of E. coli ST131 strains isolated from six distinct geographical locations across the world spanning 2000–2011. The global phylogeny of E. coli ST131, determined from whole-genome sequence data, revealed a single lineage of E. coli ST131 distinct from other extraintestinal E. coli strains within the B2 phylogroup. Three closely related E. coli ST131 sublineages were identified, with little association to geographic origin. The majority of single-nucleotide variants associated with each of the sublineages were due to recombination in regions adjacent to mobile genetic elements (MGEs). The most prevalent sublineage of ST131 strains was characterized by fluoroquinolone resistance, and a distinct virulence factor and MGE profile. Four different variants of the CTX-M ESBL–resistance gene were identified in our ST131 strains, with acquisition of CTX-M-15 representing a defining feature of a discrete but geographically dispersed ST131 sublineage. This study confirms the global dispersal of a single E. coli ST131 clone and demonstrates the role of MGEs and recombination in the evolution of this important MDR pathogen.

F9 fimbriae of uropathogenic Escherichia coli are expressed at low temperature and recognise Galβ1-3GlcNAc-containing glycans

Uropathogenic Escherichia coli (UPEC) is the leading causative agent of urinary tract infections (UTI) in the developed world. Among the major virulence factors of UPEC, surface expressed adhesins mediate attachment and tissue tropism. UPEC strains typically possess a range of adhesins, with type 1 fimbriae and P fimbriae of the chaperone-usher class the best characterised. We previously identified and characterised F9 as a new chaperone-usher fimbrial type that mediates biofilm formation. However, the regulation and specific role of F9 fimbriae remained to be determined in the context of wild-type clinical UPEC strains. In this study we have assessed the distribution and genetic context of the f9 operon among diverse E. coli lineages and pathotypes and demonstrated that f9 genes are significantly more conserved in a UPEC strain collection in comparison to the well-defined E. coli reference (ECOR) collection. In the prototypic UPEC strain CFT073, the global regulator protein H-NS was identified as a transcriptional repressor of f9 gene expression at 37°C through its ability to bind directly to the f9 promoter region. F9 fimbriae expression was demonstrated at 20°C, representing the first evidence of functional F9 fimbriae expression by wild-type E. coli. Finally, glycan array analysis demonstrated that F9 fimbriae recognise and bind to terminal Galβ1-3GlcNAc structures.