Detection of virulence factors and antimicrobial resistance patterns in shiga toxin-producing Escherichia coli isolates from sheep

Abstract: In order to detect virulence factors in Shiga toxin-producing Escherichia coli (STEC) isolates and investigate the antimicrobial resistance profile, rectal swabs were collected from healthy sheep of the races Santa Inês and Dorper. Of the 115 E. coli isolates obtained, 78.3% (90/115) were characterized as STEC, of which 52.2% (47/90) carried stx1 gene, 33.3% (30/90) stx2 and 14.5% (13/90) both genes. In search of virulence factors, 47.7% and 32.2% of the isolates carried the genes saa and cnf1. According to the analysis of the antimicrobial resistance profile, 83.3% (75/90) were resistant to at least one of the antibiotics tested. In phylogenetic classification grouped 24.4% (22/90) in group D (pathogenic), 32.2% (29/90) in group B1 (commensal) and 43.3% (39/90) in group A (commensal). The presence of several virulence factors as well as the high number of multiresistant isolates found in this study support the statement that sheep are potential carriers of pathogens threatening public health.

The Shiga toxin 2 B subunit inhibits net fluid absorption in human colon and elicits fluid accumulation in rat colon loops

Shiga toxin (Stx)-producing Escherichia coli (STEC) colonizes the large intestine causing a spectrum of disorders, including watery diarrhea, bloody diarrhea (hemorrhagic colitis), and hemolytic-uremic syndrome. It is estimated that hemolytic-uremic syndrome is the most common cause of acute renal failure in infants in Argentina. Stx is a multimeric toxin composed of one A subunit and five B subunits. In this study we demonstrate that the Stx2 B subunit inhibits the water absorption (Jw) across the human and rat colonic mucosa without altering the electrical parameters measured as transepithelial potential difference and short circuit current. The time-course Jw inhibition by 400 ng/ml purified Stx2 B subunit was similar to that obtained using 12 ng/ml Stx2 holotoxin suggesting that both, A and B subunits of Stx2 contributed to inhibit the Jw. Moreover, non-hemorrhagic fluid accumulation was observed in rat colon loops after 16 h of treatment with 3 and 30 ng/ml Stx2 B subunit. These changes indicate that Stx2 B subunit induces fluid accumulation independently of A subunit activity by altering the usual balance of intestinal absorption and secretion toward net secretion. In conclusion, our results suggest that the Stx2 B subunit, which is non-toxic for Vero cells, may contribute to the watery diarrhea observed in STEC infection. Further studies will be necessary to determine whether the toxicity of Stx2 B subunit may have pathogenic consequences when it is used as a component in an acellular STEC vaccine or as a vector in cancer vaccines.

Molecular screening of bovine raw milk for the presence of Shiga toxin-producing Escherichia coli (STEC) on dairy farms

Milkborne transmission of Shiga toxin- producing Escherichia coli (STEC) has raised considerable concern due to recent outbreaks worldwide and poses a threat to public health. The aim of this study was to develop a sensitive and specific multiplex PCR assay to detect the presence of STEC in bovine raw milk. To identify E. coli (ATCC 25922) contamination, the gene uspA was used, and PCR sensitivity and specificity were accessed by testing diluted samples ranging from 2 to 2.0 × 10(6) CFU/mL. To detect STEC, the stx1 and stx2 genes were selected as targets. After reaction standardization, the multiplex assay was tested in raw milk collected from 101 cows on dairy farms. PCR assay for E. coli detection had a specificity of 100% and sensitivity of 79% (P<0.0001), with a lower detection limit of 2 CFU/mL. Multiplex PCR assay had 100% sensitivity for E. coli positive raw milk samples, and 31.1% were contaminated with STEC, 28.3% of stx2, and 1.9% of stx1. The multiplex PCR assay described in the present study can be employed to identify and screen E. coli harboring stx1 and stx2 genes in raw milk on dairy farms and in industries.

Survival of Shiga toxin-producing Escherichia coli O157:H7 in Minas frescal cheese

Shiga toxin-producing Escherichia coli (STEC) O157:H7 strains (isolated by cattle’s faeces and a reference strain, EDL933), were inoculated into pasteurized milk (102 and 103 cells.mL–1) to prepare the Minas frescal cheese. As control was used uninfected milk. Physicochemical and microbiological analyses were performed to milk and elaborated cheese. The O157:H7 strains were quantified in the stages of cheese processing and during 0, 2, 4, 5, 7, 10 and 15 storage days at 8 °C onto Sorbitol MacConkey Agar supplemented with potassium tellurite and cefixime (CT-SMAC). O157:H7 was not present in the pasteurised milk prior to the artificial inoculation. At the end of the processing the cheese had 10 to 100 times more STEC O157:H7 than the initial inoculum. During the storage, the Minas frescal cheese exhibited the largest population increase on the 4th and 5th day when inoculated with 102 and 103 cells.mL–1, respectively. Additionally, viable cells were found up to the 10th and 15th day, according to the amount of initial inoculum. This number of cells is able to cause infection in humans, and therefore, Minas frescal cheese, even when stored under refrigeration, is a potential vehicle of disease caused by STEC O157:H7.

Étude d'un variant de la toxine STb produite par Escherichia coli

Les E. coli entérotoxinogènes (ETEC) sont souvent la cause de diarrhée post-sevrage chez le porc. Deux types d’entérotoxines sont retrouvées chez les ETEC, soit les thermolabiles, comme la toxine LT, et les thermostables, comme EAST-1, STa et STb. Cette dernière est composée de 48 acides aminés et est impliquée dans la pathologie causée par les ETEC. Pour la première fois un variant de la toxine STb fut découvert dans une étude. Nous avons alors émis l’hypothèse qu’il y a présence de variants dans la population de souches ETEC du Québec. Dans les 100 souches STb+ analysées, 23 possédaient le gène de la toxine avec une variation dans la séquence génétique : l’asparagine était présente en position 12 remplaçant ainsi l’histidine. Une corrélation entre la présence du variant et la présence de facteurs de virulence retrouvés dans ces 100 souches ETEC étudiées a été effectuée. Ce variant semble fortement associé à la toxine STa puisque toutes les souches variantes ont hybridé avec le gène codant pour cette dernière. Étant donné sa présence répandue dans la population de souches ETEC du Québec, nous avons de plus émis l’hypothèse que ce variant a des caractéristiques biologiques altérées par rapport à la toxine sauvage. L’analyse par dichroïsme circulaire a montré que le variant et la toxine sauvage ont une structure secondaire ainsi qu’une stabilité similaires. Par la suite, l’attachement au récepteur de la toxine, le sulfatide, a été étudié par résonnance plasmonique de surface (biacore). Le variant a une affinité au sulfatide légèrement réduite comparativement à la toxine sauvage. Puisque l’internalisation de la toxine fut observée dans une étude précédente et qu’elle semble liée à la toxicité, nous avons comparé l’internalisation du variant et de la toxine sauvage à l’intérieur des cellules IPEC-J2. L’internalisation du variant dans les cellules est légèrement supérieure à l’internalisation de la toxine sauvage. Ces résultats suggèrent que le variant est biochimiquement et structurellement comparable à la toxine sauvage.

Rôle des facteurs physico-chimiques du micro-environnement intestinal et des boucles inter-hélicales du Domaine I dans l’activité de la toxine insecticide Cry9Ca du bacille de Thuringe

Une fois ingérées par un insecte sensible, les toxines insecticides du bacille de Thuringe doivent être activées par les protéases intestinales de cet insecte. Leur premier domaine, un ensemble de sept hélices-α amphipathiques, est responsable de leur insertion dans la membrane luminale de certaines cellules de l’intestin médian, ce qui crée des pores peu sélectifs. La toxicité et la capacité à former des pores d’une telle toxine, la Cry9Ca, de ses mutants simples R164A et R164K et d’un fragment de 55 kDa résultant d’un clivage protéolytique au niveau de son résidu 164 ont été étudiées à l’aide d’une combinaison de modélisation par homologie, de bioessais, d’expériences de gonflement osmotique avec des vésicules de membrane en bordure en brosse de larves de sphinx du tabac et de mesures électrophysiologiques sur des intestins isolés. Ni les mutations simples ni le clivage protéolytique n’ont altéré la toxicité de la Cry9Ca. Dans une solution à faible force ionique, toutefois, la formation des pores dépend fortement du pH : une augmentation de celui-ci de 6,5 à 10,5 a entraîné une baisse irrégulière et par étapes successives de la perméabilité membranaire. Les quatre préparations de toxine ont néanmoins dépolarisé la membrane apicale d’intestins médians fraîchement isolés baignant dans une solution contenant 122 mM de KCl à pH 10,5. L’activité de la Cry9Ca, et des mutants R164A et R164K, a été grandement stimulée lorsque les expériences ont été effectuées en présence de suc intestinal, de lipides extraits d’un volume équivalent de suc intestinal ou d’un cocktail d’inhibiteurs de protéases solubles dans l’eau. De plus, le rôle des boucles inter-hélicales du Domaine I lors de l’insertion dans la membrane a été étudié avec des mutants doubles de la Cry9Ca dont les mutations introduisaient, neutralisaient ou renversaient une charge électrique. À l’exception de trois d’entres eux, tous ces mutants ont conservé une toxicité et une capacité à former des pores comparables à celles de la toxine parentale. L’ensemble de ces résultats suggère que le micro-environnement de l’intestin médian contribue à minimiser l’influence des charges de surface portées par les résidus des boucles inter-hélicales du Domaine I sur la capacité des toxines du bacille de Thuringe à former des pores. Il indique aussi que, d’une part, selon le site de clivage et les conditions expérimentales utilisées, des protéolyses supplémentaires de la toxine Cry9Ca activée peuvent soit stimuler, soit nuire à son activité et que, d’autre part, le suc intestinal du sphinx du tabac contient probablement un inhibiteur de protéases qui pourrait jouer un rôle important dans l’activité des toxines du bacille de Thuringe.

Importance de l'hélice a[alpha]4 et des boucles inter-hélicales du domaine I dans le mécanisme de formation de pores par la toxine Cry1Aa du bacille de Thuringe

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Caractérisation de l'effet des adjuvants CpG et toxine choléra sur la réponse immunitaire générée par le fimbriae F4 administré oralement chez le porc

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

Propriétés électrophysiologiques des canaux ioniques formés par la toxine nématicide Cry5Ba du bacille de Thuringe dans les bicouches lipidiques planes

Les toxines Cry sont des protéines synthétisées sous forme de cristaux par la bactérie bacille de Thuringe pendant la sporulation. Elles sont largement utilisées comme agents de lutte biologique, car elles sont toxiques envers plusieurs espèces d’invertébrées, y compris les nématodes. Les toxines Cry5B sont actives contre certaines espèces de nématodes parasites, y compris Ankylostoma ceylanicum un parasite qui infeste le système gastro-intestinal des humains. Jusqu’au présent, le mode d’action des toxines Cry nématicides reste grandement inconnu, sauf que leurs récepteurs spécifiques sont des glycolipides et qu’elles causent des dommages importants aux cellules intestinales. Dans cette étude, on démontre pour la première fois que la toxine nématicide Cry5Ba, membre de la famille des toxines à trois domaines et produite par la bactérie bacille de Thuringe, forme des pores dans les bicouches lipidiques planes en absence de récepteurs. Les pores formés par cette toxine sont de sélectivité cationique, à pH acide ou alcalin. Les conductances des pores formés sous conditions symétriques de 150 mM de KCl varient entre 17 et 330 pS, à pH 6.0 et 9.0. Les niveaux des conductances les plus fréquemment observés diffèrent les uns des autres par environ 17 à 18 pS, ce qui est compatible avec l’existence d’arrangement d’un nombre différent de pores élémentaires similaires, activés de façon synchronisée, ou avec la présence d’oligomères de tailles variables et de différents diamètres de pores.

Mode d’action moléculaire de la toxine anti-tumorale : PS1Aa2 du bacille de Thuringe

Les parasporines sont des toxines Cry du bacille de Thuringe actives contre des cellules tumorales. Ce travail montre que la parasporine PS1Aa2 (Cry31Aa2) forme des pores dans des membranes artificielles, comme de nombreuses toxines Cry. Ceux-ci ont plusieurs niveaux de conductance dont les plus fréquents étaient de 11, 16 et 21 pS dans une solution de 150 mM KCl. Nos résultats de microspectrofluorométrie avec la sonde Fura-2 montrent que la présence de la PS1Aa2 peut produire des augmentations du calcium intracellulaire, la plupart du temps sous la forme d’oscillations calciques et parfois des augmentations soutenues. Ces réponses ont été observées en présence et en absence de calcium extracellulaire, dans les lignées tumorales HeLa et HepG2 et dans la lignée non tumorale HEK 293. Bien que quelques études aient montré que le calcium semble intervenir dans leur mode d’action, de telles oscillations calciques n’ont jamais été décrites auparavant pour des toxines Cry. Les expériences ont dû être faites à des concentrations beaucoup plus élevées de toxine que prévues sur la base des résultats publiés de cytotoxicité. Malgré la présence des fragments identifiés auparavant comme actifs, sa faible efficacité semble liée à la présence d’ADN dans les préparations qui entraîne la précipitation de la protéine. Les travaux futurs sur cette toxine seraient donc grandement facilités par une amélioration de sa méthode de préparation.

Pectins and pectic-oligosaccharides inhibit Escherichia coli O157 : H7 Shiga toxin as directed towards the human colonic cell line HT29

Pectins and pectic-oligosaccharides, as derived by controlled enzymatic hydrolysis, were evaluated for their ability to interfere with the toxicity of Shiga-like toxins from Escherichia coli O157:H7. Both types of material resulted in some degree of protection but this was significantly higher (P > 0.01) with the oligosaccharide fractions (giving 90-100% cell survival, compared to 70-80% with the polymer). An effect of methylation on the protective effect was detected with lower degrees being more active. The pectic-oligosaccharides and galabiose, the minimum toxin receptor analogue, were shown to inhibit toxicity and were both protective at 10 mg ml(-1), but not at lower concentrations. (C) 2002 Federation of European Microbiological Societies. Published by Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Development and validation of a qPCR-based method for quantifying Shiga toxin-encoding and other lambdoid bacteriophages

P>To address whether seasonal variability exists among Shiga toxin-encoding bacteriophage (Stx phage) numbers on a cattle farm, conventional plaque assay was performed on water samples collected over a 17 month period. Distinct seasonal variation in bacteriophage numbers was evident, peaking between June and August. Removal of cattle from the pasture precipitated a reduction in bacteriophage numbers, and during the winter months, no bacteriophage infecting Escherichia coli were detected, a surprising occurrence considering that 1031 tailed-bacteriophages are estimated to populate the globe. To address this discrepancy a culture-independent method based on quantitative PCR was developed. Primers targeting the Q gene and stx genes were designed that accurately and discriminately quantified artificial mixed lambdoid bacteriophage populations. Application of these primer sets to water samples possessing no detectable phages by plaque assay, demonstrated that the number of lambdoid bacteriophage ranged from 4.7 x 104 to 6.5 x 106 ml-1, with one in 103 free lambdoid bacteriophages carrying a Shiga toxin operon (stx). Specific molecular biological tools and discriminatory gene targets have enabled virus populations in the natural environment to be enumerated and similar strategies could replace existing propagation-dependent techniques, which grossly underestimate the abundance of viral entities.

The role of type 1 and curli fimbriae of Shiga toxin-producing Escherichia coli in adherence to abiotic surfaces

Biofilm formation on abiotic surfaces may provide a source of microbial contamination and may also enhance microbial environmental survival. The role of fimbrial expression by Shiga toxin-producing Escherichia coli (STEC) in biofilm formation is poorly understood. This study aimed to investigate the role of STEC type 1 and curli fimbriae in adhesion to and biofilm formation on abiotic surfaces. None of 13 O157:H7 isolates expressed either fimbrial type whereas 11 of 13 and 5 of 13 non-O157 STEC elaborated type 1 fimbriae and curli fimbriae, respectively. Mutants made by allelic exchange of a diarrhoeal non-O157 STEC isolate, O128:H2 (E41509), unable to elaborate type 1 and curli fimbriae were made for adherence and biofilm assays. Elaboration of type 1 fimbriae was necessary for the adhesion to abiotic surfaces whereas curliation was associated with both adherence and subsequent biofilm formation. STEC O157:H7 adhered to thermanox and glass but poorly to polystyrene. Additionally, STEC O157:H7 failed to form biofilms. These data indicate that certain STEC isolates are able to form biofilms and that the elaboration of curli fimbriae may enhance biofilm formation leading to possible long-term survival and a potential source of human infection.

Interaction with avian cells and colonisation of specific pathogen free chicks by Shiga-toxin negative Escherichia coli O157:H7 (NCTC 12900)

The prevalence of Escherichia coli O157:H7 infection in birds is low but several deliberate inoculation studies show that poultry are readily and persistently infected by this organism indicating a possible threat to public health. The mechanisms of colonisation of poultry are not understood and the aim is to establish models to study the interaction of E. coli O157:H7, at the cellular and whole animal levels. A non-toxigenic E. coli O157:H7 (NCTC 12900) was used in adherence assays with an avian epithelial cell line (Div-1) and used to inoculate 1-day-old SPF chicks. In vitro, NCTC 12900 induced micro-colonies associated with cytoskeletal arrangements and pedestal formation with intimate bacterial attachment. In the 1-day-old SPF chick, a dose of 1 x 10(5) cfu resulted in rapid and extensive colonisation of the gastrointestinal tract and transient colonisation of the liver and spleen. The number of E. coli O157:H7 organisms attained approximately 10(8) cfu/ml caecal homogenate 24 h after inoculation and approximately 10(7) cfu/ml caecal homogenate was still present at day 92. Faecal shedding persisted for 169 days, ceasing 9 days after the birds came into lay and 6% of eggs were contaminated on the eggshell. Histological analysis of tissue samples from birds dosed with 1 x 10(7) cfu gave evidence for E coli O157:H7 NCTC 12900 induced micro-colonies on the caecal mucosa, although evidence for attaching effacing lesions was equivocal. These models may be suitable to study those factors of E. coli O157:H7 that mediate persistent colonisation in avian species.