Molecular methods for the epidemiological analysis of methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) and Streptococcus pneumoniae

Methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) and Streptococcus pneumoniae are major health problems worldwide, both found in symptomless carriage but also causing even life-threatening infections. The aim of this thesis was to characterise MRSA and S. pneumoniae in detail by using several molecular typing methods for various epidemiological purposes: clonality analysis, epidemiological surveillance, outbreak investigation, and virulence factor analysis. The characteristics of MRSA isolates from the strain collection of the Finnish National Infectious Disease Register (NIDR) and pneumococcal isolates collected from military recruits and children with acute otitis media (AOM) were analysed using various typing techniques. Antimicrobial susceptibility testing, pulsed-field gel electrophoresis (PFGE), multilocus sequence typing (MLST), spa typing, staphylococcal cassette chromosome mec (SCCmec) typing, and the detection of Panton-Valentine leukocidin (PVL) genes were performed for MRSA isolates. Pneumococcal isolates were analysed using antimicrobial susceptibility testing, serotyping, MLST, and by detecting pilus islet 1 (PI-1) and 2 (PI-2) genes. Several international community- and hospital-associated MRSA clones were recognised in Finland. The genetic diversity among MRSA FIN-4 isolates and among FIN-16 isolates was low. Overall, MRSA blood isolates from 1997 to 2006 were genetically diverse. spa typing was found to be a highly discriminatory, rapid and accurate typing method and it also qualifies as the primary typing method in countries with a long history of PFGE-based MRSA strain nomenclature. However, additional typing by another method, e.g. PFGE, is needed in certain situations to be able to provide adequate discrimination for epidemiological surveillance and outbreak investigation. An outbreak of pneumonia was associated with one pneumococcal strain among military recruits, previously healthy young men living in a crowded setting. The pneumococcal carriage rate after the outbreak was found to be exceptionally high. PI-1 genes were detected at a rather low prevalence among pneumococcal isolates from children with AOM. However, the study demonstrated that PI-1 has existed among pneumococcal isolates prior to pneumococcal conjugate vaccine and the increased antimicrobial resistance era. Moreover, PI-1 was found to associate with the serotype rather than the genotype. This study adds to our understanding of the molecular epidemiology of MRSA strains in Finland and the importance of an appropriate genotyping method to be able to perform high-level laboratory-based surveillance of MRSA. Epidemiological and molecular analyses of S. pneumoniae add to our knowledge of the characteristics of pneumococcal strains in Finland.

Suolistopatogeenisten Escherichia coli -bakteerien esiintyvyys ripulipotilailla ja raa’oissa lihatuotteissa Burkina Fasossa sekä enterohemorraagisten E. coli -kantojen karakterisointi

Suolistopatogeeniset Escherichia coli -bakteerit eli ripulikolit aiheuttavat ihmisellä suolistoinfektioita. Kuten normaalimikrobiston E. coli -bakteerit, ne esiintyvät ihmisen lisäksi muiden nisäkkäiden, etenkin märehtijöiden, ja lintujen suolistossa. Lisäksi ne voivat esiintyä maaperässä ja vesistöissä. Ihminen voi saada tartunnan eläinperäisten elintarvikkeiden välityksellä tai juomalla eläinten tai ihmisen ulosteilla saastunutta vettä. Ripulikolit voidaan jakaa ainakin viiteen ryhmään perustuen niiden erilaisiin virulenssiominaisuuksiin: enteropatogeeninen E. coli (EPEC), enterotoksigeeninen E. coli (ETEC), enterohemorraaginen E. coli (EHEC), enteroinvasiivinen E. coli (EIEC) ja enteroaggregatiivinen E. coli (EAEC). EPEC aiheuttaa etenkin kehitysmaissa pikkulapsille ripulia. ETEC aiheuttaa turistiripulia ja vastasyntyneiden ripulia kehitysmaissa. EHEC aiheuttaa ripulia tai veriripulia, joka voi varsinkin pienillä lapsilla johtaa hemolyyttis-ureemiseen oireyhtymään (HUS) ja munuaisten vaurioitumiseen. EIEC aiheuttaa Shigellan kaltaista ripulia, joka voi olla veristä. EAEC on yhdistetty lähinnä pitkittyneisiin ripuleihin. Tutkimuksessa selvitettiin suolistopatogeenisten E. coli -bakteerien esiintyvyyttä Burkina Fasossa, josta ei ole saatavilla aikaisempaa tietoa ripulikolien esiintymisestä ihmisissä ja elintarvikkeissa. Ulostenäytteitä otettiin ripulia sairastavilta alle viisivuotiailta lapsilta maaseudulta kahdesta kylästä, Boromosta ja Gourcysta, ja maan pääkaupungista Ouagadougousta (110 näytettä). Lihanäytteitä (kanaa, nautaa, lammasta ja naudan suolta, jota käytetään ihmisravinnoksi) otettiin Ouagadougoun toreilla myytävistä kypsentämättömistä lihoista (120 näytettä). Näytteistä saadut bakteerisekaviljelmät tutkittiin monialukkeisella PCR-menetelmällä, joka tunnistaa viiden ripulikoliryhmän virulenssigeenejä. Lisäksi lihanäytteistä eristettiin 20 EHEC-kantaa shigatoksiinin stx-geenin havaitsemiseen perustuvalla pesäkehybridisaatiolla ja PCR-seulonnalla, ja karakterisoitiin mahdollisten virulenssiominaisuuksien selvittämiseksi. Tutkimus osoitti, että ripulikolien aiheuttamat suolistoinfektiot ovat yleisiä ripulia sairastavilla pikkulapsilla Burkina Fasossa. Ulostenäytteistä 59 % oli positiivisia. Useimmiten lapsilla esiintyi EAEC- (32 %) ETEC- (31 %) ja EPEC-patoryhmiä (20 %). EIEC- (2 %) ja EHEC-patoryhmiä (1 %) esiintyi vähän. Myös useamman patoryhmän sekainfektiot olivat yleisiä (24 %). Eri paikkakuntien välillä oli tilastollisesti merkitseviä eroja ripulikolien esiintymisessä. Gourcyssa ripulikoleja esiintyi useammin kuin Ouagadougoussa ja Boromossa. Tutkimuksessa kävi ilmi, että Ouagadougoun toreilla myytävissä lihoissa on paljon ripulikoleja. Lihanäytteistä 43 % oli positiivisia. Yleisimmin lihoissa esiintyi EHEC (28 %), EPEC (20 %), ETEC (8 %) ja EAEC (5 %). EIEC-ryhmää ei havaittu lihoissa. Myös useamman patoryhmän sekakontaminaatioita löytyi (17 %) lihoista. Ripulikolien esiintyvyydessä eri lihojen välillä ei ollut tilastollisesti merkitseviä eroja, kun tarkasteltiin kaikkia patoryhmiä yhdessä. Eri patoryhmien esiintyvyyttä tarkasteltaessa EHEC-patoryhmää ei esiintynyt ollenkaan kanassa ja ero oli tilastollisesti merkitsevä muihin lihoihin verrattuna. Lihoista eristetyt 20 EHEC-kantaa kuuluivat 14 eri serotyyppiin, joista osa on aikaisemmin eristetty suolistoinfektioihin ja HUSoireyhtymään sairastuneilta ihmisiltä. Kaikki kannat olivat stx1-positiivisia ja puolella oli lisäksi stx2-geeni, jota pidetään shigatoksiinin virulentimpana muotona. Kahdelta EHEC-kannalta löytyi myös ETECpatoryhmän lämpöstabiilin enterotoksiini Ia:n geeni eli kannat olivat kahden patoryhmän välimuotoa ja osoitus geenien siirtymisestä eri patoryhmien välillä. Vaikka nuorimmat näytteen antaneet lapsipotilaat tuskin söivät lihaa, sen voidaan ajatella silti olevan edustava näyte lasten elinympäristöstä, sillä lasten ruoka valmistetaan usein samoissa oloissa, joissa raakaa lihaa käsitellään. Saastunut liha voi siten olla pikkulasten ripulikoli-infektioiden aiheuttaja.

Moonlighting Proteins of Lactobacillus crispatus : Extracellular Localization, Cell Wall Anchoring and Interactions with the Host

Moonlighting functions have been described for several proteins previously thought to localize exclusively in the cytoplasm of bacterial or eukaryotic cells. Moonlighting proteins usually perform conserved functions, e. g. in glycolysis or as chaperonins, and their traditional and moonlighting function(s) usually localize to different cell compartments. The most characterized moonlighting proteins in Grampositive bacteria are the glycolytic enzymes enolase and glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH), which function in bacteria-host interactions, e. g. as adhesins or plasminogen receptors. Research on bacterial moonlighting proteins has focused on Gram-positive bacterial pathogens, where many of their functions have been associated with bacterial virulence. In this thesis work I show that also species of the genus Lactobacillus have moonlighting proteins that carry out functions earlier associated with bacterial virulence only. I identified enolase, GAPDH, glutamine synthetase (GS), and glucose-6-phosphate isomerase (GPI) as moonlighting proteins of Lactobacillus crispatus strain ST1 and demonstrated that they are associated with cell surface and easily released from the cell surface into incubation buffer. I also showed that these lactobacillar proteins moonlight either as adhesins with affinity for basement membrane and extracellular matrix proteins or as plasminogen receptors. The mechanisms of surface translocation and anchoring of bacterial moonlighting proteins have remained enigmatic. In this work, the surface localization of enolase, GAPDH, GS and GPI was shown to depend on environmental factors. The members of the genus Lactobacillus are fermentative organisms that lower the ambient pH by producing lactic acid. At acidic pH enolase, GAPDH, GS and GPI were associated with the cell surface, whereas at neutral pH they were released into the buffer. The release did not involve de novo protein synthesis. I showed that purified recombinant His6-enolase, His6-GAPDH, His6-GS and His6-GPI reassociate with cell wall and bind in vitro to lipoteichoic acids at acidic pH. The in-vitro binding of these proteins localizes to cell division septa and cell poles. I also show that the release of moonlighting proteins is enhanced in the presence of cathelicidin LL- 37, which is an antimicrobial peptide and a central part of the innate immunity defence. I found that the LL-37-induced detachment of moonlighting proteins from cell surface is associated with cell wall permeabilization by LL-37. The results in this thesis work are compatible with the hypothesis that the moonlighting proteins of L. crispatus associate to the cell wall via electrostatic or ionic interactions and that they are released into surroundings in stress conditions. Their surface translocation is, at least in part, a result from their release from dead or permeabilized cells and subsequent reassociation onto the cell wall. The results of this thesis show that lactobacillar cells rapidly change their surface architecture in response to environmental factors and that these changes influence bacterial interactions with the host.