Production of F4 Fimbrial Adhesin in Plants: a Model for Oral Porcine Vaccine against Enterotoxigenic Escherichia coli

F4 fimbriae of enterotoxigenic Escherichia coli (ETEC) are highly stable multimeric structures with a capacity to evoke mucosal immune responses. With these characters F4 offer a unique model system to study oral vaccination against ETEC-induced porcine postweaning diarrhea. Postweaning diarrhea is a major problem in piggeries worldwide and results in significant economic losses. No vaccine is currently available to protect weaned piglets against ETEC infections. Transgenic plants provide an economically feasible platform for large-scale production of vaccine antigens for animal health. In this study, the capacity of transgenic plants to produce FaeG protein, the major structural subunit and adhesin of F4 fimbria, was evaluated. Using the model plant tobacco, the optimal subcellular location for FaeG accumulation was examined. Targeting of FaeG into chloroplasts offered a superior accumulation level of 1% of total soluble proteins (TSP) over the other investigated subcellular locations, namely, the endoplasmic reticulum and the apoplast. Moreover, we determined whether the FaeG protein, when isolated from its fimbrial background and produced in a plant cell, would retain the key properties of an oral vaccine, i.e. stability in gastrointestinal conditions, binding to porcine intestinal F4 receptors (F4R), and inhibition of the F4-possessing (F4+) ETEC attachment to F4R. The chloroplast-derived FaeG protein did show resistance against low pH and proteolysis in the simulated gastrointestinal conditions and was able to bind to the F4R, subsequently inhibiting the F4+ ETEC binding in a dose-dependent manner. To investigate the oral immunogenicity of FaeG protein, the edible crop plant alfalfa was transformed with the chloroplast-targeting construct and equally to tobacco plants, a high-yield FaeG accumulation of 1% of TSP was obtained. A similar yield was also obtained in the seeds of barley, a valuable crop plant, when the FaeG-encoding gene was expressed under an endosperm-specific promoter and subcellularly targeted into the endoplasmic reticulum. Furthermore, desiccated alfalfa plants and barley grains were shown to have a capacity to store FaeG protein in a stable form for years. When the transgenic alfalfa plants were administred orally to weaned piglets, slight F4-specific systemic and mucosal immune responses were induced. Co-administration of the transgenic alfalfa and the mucosal adjuvant cholera toxin enhanced the F4-specific immune response; the duration and number of F4+ E. coli excretion following F4+ ETEC challenge were significantly reduced as compared with pigs that had received nontransgenic plant material. In conclusion, the results suggest that transgenic plants producing the FaeG subunit protein could be used for production and delivery of oral vaccines against porcine F4+ ETEC infections. The findings here thus present new approaches to develop the vaccination strategy against porcine postweaning diarrhea.

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.