Biomolecular Mechanisms of Pseudomonas aeruginosa and Escherichia coli Biofilm Formation

Pseudomonas aeruginosa and Escherichia coli are the most prevalent Gram-negative biofilm forming medical device associated pathogens, particularly with respect to catheter associated urinary tract infections. In a similar manner to Gram-positive bacteria, Gram-negative biofilm formation is fundamentally determined by a series of steps outlined more fully in this review, namely adhesion, cellular aggregation, and the production of an extracellular polymeric matrix. More specifically this review will explore the biosynthesis and role of pili and flagella in Gram-negative adhesion and accumulation on surfaces in Pseudomonas aeruginosa and Escherichia coli. The process of biofilm maturation is compared and contrasted in both species, namely the production of the exopolysaccharides via the polysaccharide synthesis locus (Psl), pellicle Formation (Pel) and alginic acid synthesis in Pseudomonas aeruginosa, and UDP-4-amino-4-deoxy-l-arabinose and colonic acid synthesis in Escherichia coli. An emphasis is placed on the importance of the LuxR homologue sdiA; the luxS/autoinducer-II; an autoinducer-III/epinephrine/norepinephrine and indole mediated Quorum sensing systems in enabling Gram-negative bacteria to adapt to their environments. The majority of Gram-negative biofilms consist of polysaccharides of a simple sugar structure (either homo- or heteropolysaccharides) that provide an optimum environment for the survival and maturation of bacteria, allowing them to display increased resistance to antibiotics and predation.

Détermination des effets de l'administration des probiotiques sur l'attachement d'Escherichia Coli Entérotoxinogène F4 et l'expression de cytokines chez le porcelet sevré

Les diarrhées post-sevrages causées par des infections à Escherichia coli entérotoxinogène positif pour le fimbriae F4 (ETEC F4), entraînent des pertes économiques importantes chez les producteurs de porc. Depuis quelques années, l’utilisation de probiotiques, comme additif alimentaire pour prévenir ce type d’infection entérique et réduire les traitements aux antimicrobiens, suscite un intérêt grandissant en production porcine. Le but du présent travail est de déterminer l’influence de l’administration des probiotiques Pediococcus acidilactici (PA) et Saccharomyces cerevisiae boulardii (SCB) sur la colonisation et l’attachement des ETEC F4, l’accumulation de fluide intestinal et l’expression de cytokines dans l’iléon de porcelets sevrés. Dès la naissance, différentes portées de porcelets ont été affectées aux traitements suivants : PA, SCB, PA + SCB, témoin et témoin avec antibiotiques (ATB). Une dose quotidienne de probiotiques (1 × 109 UFC) a été administrée aux porcelets des groupes probiotiques durant la lactation et après le sevrage. Sept jours après le sevrage, à 28 jours d’âge, des porcelets positifs pour le récepteur intestinal spécifique pour F4 ont été infectés oralement avec une souche ETEC F4. Les porcelets ont été euthanasiés 24 heures après l’infection (jour 29) et différents échantillons intestinaux ont été prélevés. Chez les porcelets recevant des probiotiques, l’attachement des ETEC F4 à la muqueuse iléale était significativement diminué chez les groupes PA ou SCB en comparaison avec le groupe ATB. Finalement, l’expression de cytokines intestinales était plus élevée chez les porcs du groupe PA + SCB en comparaison avec les porcelets témoins. En conclusion, les résultats de cette étude suggèrent que l’administration de probiotiques pourrait être une alternative pour limiter les infections à ETEC F4 chez le porc.

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.

Étude de la biogenèse de l'autotransporteur AIDA-I d'Escherichia coli

Les autotransporteurs monomériques, appartenant au système de sécrétion de type V, correspondent à une famille importante de facteurs de virulence bactériens. Plusieurs fonctions, souvent essentielles pour le développement d’une infection ou pour le maintien et la survie des bactéries dans l’organisme hôte, ont été décrites pour cette famille de protéines. Malgré l’importance de ces protéines, notre connaissance de leur biogenèse et de leur mécanisme d’action demeure relativement limitée. L’autotransporteur AIDA-I, retrouvé chez diverses souches d’Escherichia coli, est un autotransporter multifonctionnel typique impliqué dans l’adhésion et l’invasion cellulaire ainsi que dans la formation de biofilm et d’agrégats bactériens. Les domaines extracellulaires d’autotransporteurs monomériques sont responsables de la fonctionnalité et possèdent pratiquement tous une structure caractéristique d’hélice β. Nous avons mené une étude de mutagenèse aléatoire avec AIDA-I afin de comprendre la base de la multifonctionnalité de cette protéine. Par cette approche, nous avons démontré que les domaines passagers de certains autotransporteurs possèdent une organisation modulaire, ce qui signifie qu’ils sont construits sous la forme de modules fonctionnels. Les domaines passagers d’autotransporteurs peuvent être clivés et relâchés dans le milieu extracellulaire. Toutefois, malgré la diversité des mécanismes de clivage existants, plusieurs protéines, telles qu’AIDA-I, sont clivées par un mécanisme qui demeure inconnu. En effectuant une renaturation in vitro d’AIDA-I, couplée avec une approche de mutagenèse dirigée, nous avons démontré que cette protéine se clive par un mécanisme autocatalytique qui implique deux acides aminés possédant un groupement carboxyle. Ces résultats ont permis la description d’un nouveau mécanisme de clivage pour la famille des autotransporteurs monomériques. Une des particularités d’AIDA-I est sa glycosylation par une heptosyltransférase spécifique nommée Aah. La glycosylation est un concept plutôt récent chez les bactéries et pour l’instant, très peu de protéines ont été décrites comme glycosylées chez E. coli. Nous avons démontré que Aah est le prototype pour une nouvelle famille de glycosyltransférases bactériennes retrouvées chez diverses espèces de protéobactéries. La glycosylation d’AIDA-I est une modification cytoplasmique et post-traductionnelle. De plus, Aah ne reconnaît pas une séquence primaire, mais plutôt un motif structural. Ces observations sont uniques chez les bactéries et permettent d’élargir nos connaissances sur la glycosylation chez les procaryotes. La glycosylation par Aah est essentielle pour la conformation d’AIDA-I et par conséquent pour sa capacité de permettre l’adhésion. Puisque plusieurs homologues d’Aah sont retrouvés à proximité d’autotransporteurs monomériques putatifs, cette famille de glycosyltranférases pourrait être importante, sinon essentielle, pour la biogenèse et/ou la fonction de nombreux autotransporteurs. En conclusion, les résultats présentés dans cette thèse apportent de nouvelles informations et permettent une meilleure compréhension de la biogenèse d’une des plus importantes familles de protéines sécrétées chez les bactéries Gram négatif.

Mammite bovine à Escherichia coli : identification et caractérisation de la persistance

Escherichia coli est un agent de mammites environnementales. Par contre, E. coli peut persister dans la glande mammaire. Les objectifs de cette étude étaient de confirmer la présence d’infection persistante chez des vaches laitières canadiennes et d’identifier la possibilité de contagion entre les quartiers d’une vache dans une cohorte de 91 fermes suivies durant deux ans. De plus, les souches persistantes ont été comparées à des souches transitoires. Les profils génétiques ont été obtenus à l’aide de l’électrophorèse sur gel en champs pulsés. La détection de la résistance pour sept antibiotiques s’est faite par microdilution. Vingt-sept gènes de virulence ont été déterminés par hybridation sur colonies. De la persistance a été détectée chez 18 vaches et de la contagion entre quartiers, chez deux vaches. La proportion de résistance chez les E. coli persistants était de 0,0 % (enrofloxacin) à 27,8 % (ampicilline et tétracycline) et de 0,0 % (enrofloxacin) à 16,8 % (tétracycline) pour les E. coli transitoires. Pour chacune des résistances additionnelles, les probabilités d’être une souche persistante augmentaient par un facteur 1,6 (95% IC : 1.1, 2.4). Une souche résistante à l’ampicilline et à la céphalothine avait une plus forte probabilité d’être persistante. Une souche possédant le gène iroN avait 5.4 fois plus de probabilité (95% IC: 1.2, 24.0) d’être persistante. Aussi, une souche positive pour le gène sitA avait 8.6 fois plus de probabilité (95% IC: 2.8, 27.1) d’être persistante. En conclusion, cette étude confirme qu’E. coli peut persister dans la glande mammaire des vaches laitières canadiennes et que ces E. coli sont différents de ceux impliqués lors d’infection transitoire.

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.

Évaluation de l'acquisition de la résistance à la colistine chez Escherichia coli O149 chez le porc.

La diarrhée post-sevrage est une maladie d’importance dans l’industrie porcine et est principalement causée Escherichia coli O149. Le traitement habituellement utilisé est la néomycine. Cependant, en raison de l’antibiorésistance, les vétérinaires se tournent vers la colistine sulfate (CS). La CS lie les lipopolysaccharides (LPS) et provoque un déplacement des cations divalents causant la formation de pores entrainant la mort cellulaire. Le système à deux composantes PmrA/PmrB est le plus incriminé dans la résistance à la colistine en ajoutant un groupement 4-amino-4-déoxy-L-arabinose (L-Ara4N) au lipide A des LPS, augmentant ainsi la charge du LPS et diminuant son affinité pour la CS. L’objectif principal est d’évaluer l’acquisition de la résistance à la CS d’E. coli in vitro et dans un modèle in vivo. Nous avons utilisé des souches associées à des cas cliniques d’E. coli O149 et avons créé 22 mutants résistants à la CS. La concentration minimale inhibitrice (CMI) a été mesurée par une méthode de double dilution et comparée au seuil de résistance. Suite au séquençage des gènes pmrA/pmrB, nous avons identifié sept nouveaux polymorphismes, trois dans PmrA : A80V, N128I, S144G et quatre dans PmrB : V87E, D148Y, D148V et T156M. Pour l’essai in vivo, nous avons suivi une souche expérimentale ETEC:F4 (E. coli O149) et isolé des E. coli de la flore commensale. Le séquençage des gènes pmrA et pmrB de ces isolats a montré un polymorphisme spécifique, G15R et T156M respectivement. Cependant, plusieurs souches récoltées possédaient une résistance à la CS, mais sans polymorphisme de PmrA/PmrB, suggérant d’autre(s) mécanisme(s) de résistance.

Gastric stability and oral bioavailability of colistin sulfate in pigs challenged or not with Escherichia coli O149: F4 (K88)

The aim of the present study was to investigate the in vitro gastric stability of colistin sulfate (CS) and its antimicrobial activity against Escherichia coli and to study the impact of ETEC O149: F4 (K88) infection in pigs on CS intestinal absorption. The stability profile of CS was evaluated in a simulated gastric fluid (SGF). Antimicrobial activity of CS and its degradation products were examined in a 96-well polystyrene microplate model. The effect of experimental infection with ETEC O149: F4 on CS intestinal absorption was determined by quantification of CS systemic concentration using a validated LC–MS/MS method. A rapid degradation of CS accompanied by an increase in CS antimicrobial activity by comparison with non-degraded CS (P < 0.0001) was observed in SGF. Additionally, CS levels were not quantifiable in systemic circulation using a highly sensitive method and concurrent oral challenge did not affect CS absorption in an induction model of subclinical post-weaning diarrhea (PWD).

rRNA probes used to quantify the effects of glycomacropeptide and alpha-lactalbumin supplementation on the predominant groups of intestinal bacteria of infant rhesus monkeys challenged with enteropathogenic Escherichia coli

Objectives: Certain milk factors may help to promote the growth of a host-friendly colonic microflora (e.g. bifidobacteria, lactobacilli) and explain why breast-fed infants experience fewer and milder intestinal infections than those who are formula-fed. The effects of supplementation of formula with two such milk factors was investigated in this study. Materials and Methods: Infant rhesus macaques were breastfed, fed control formula, or formula supplemented with glycomacropeptide (GMP) or alpha-lactalburnin (alpha-LA) from birth to 5 months of age. Blood was drawn monthly and rectal swabs were collected weekly. At 4.5 months of age, 10(8) colonyforming units of enteropathogenic E.coli O127, strain 2349/68 (EPEC) was given orally and the response to infection assessed. The bacteriology of rectal swabs pre- and post-infection was determined by culture independent fluorescence in situ hybridization. Results: Post-challenge, breast-fed infants and infants fed alpha-LA-supplemented formula had no diarrhea, whilst those infants fed GMP-supplemented formula had intermittent diarrhea. In infants fed control formula the diarrhea was acute. Conclusions: Supplementation of infant formula with appropriate milk proteins may be useful for improving the infant's ability to resist acute infection caused by E.coli.

The effects of alpha-lactalbumin and glycomacropeptide on the association of CaCo-2 cells by enteropathogenic Escherichia coli, Salmonella typhimurium and Shigella flexneri

Two milk components, alpha-lactalbumin (alpha-La) and glycomacropeptide (GMP) may inhibit intestinal infection/intoxification. (3)[H] thymidine-labeled enteropathogenic Escherichia coli (EPEC), Salmonella typhimurium (ATCC 6994) or Shigella flexneri (ATCC 9199) were introduced to CaCo-2 cultures and their association with CaCo-2 cells was assessed. Undigested, pepsin-digested and pepsin- and pancreatin-digested alpha-lactalbumin and glycomacropeptide inhibited association. Thus, milk supplemented with alpha-lactalbumin and glycomacropeptide might be effective in inhibiting associations of the pathogens EPEC, Salmonella typhimurium, and Shigella flexneri to intestinal cells.

Escherichia coli O157:H7 colonization in small domestic ruminants

Enterohaemorrhagic Escherichia coli O157:H7 was first implicated in human disease in the early 1980s, with ruminants cited as the primary reservoirs. Preliminary studies indicated cattle to be the sole source of E. coli O157:H7 outbreaks in humans; however, further epidemiological studies soon demonstrated that E. coli O157:H7 was widespread in other food sources and that a number of transmission routes existed. More recently, small domestic ruminants (sheep and goats) have emerged as important sources of E. coli O157:H7 human infection, particularly with the widespread popularity of petting farms and the increased use of sheep and goat food products, including unpasteurized cheeses. Although the colonization and persistence characteristics of E. coli O157:H7 in the bovine host have been studied intensively, this is not the case for small ruminants. Despite many similarities to the bovine host, the pathobiology of E. coli O157:H7 in small domestic ruminants does appear to differ significantly from that described in cattle. This review aims to critically review the current knowledge regarding colonization and persistence of E. coli O157:H7 in small domestic ruminants, including comparisons with the bovine host where appropriate.

Genetic diversity among Escherichia coli O157 : H7 isolates and identification of genes linked to human infections

An Escherichia coli oligonucleotide microarray based on three sequenced genomes was validated for comparative genomic microarray hybridization and used to study the diversity of E. coli O157 isolates from human infections and food and animal sources. Among 26 test strains, 24 (including both Shiga toxin [Stx]-positive and -negative strains) were found to be related to the two sequenced E. coli O157:117 strains, EDL933 and Sakai. However, these strains showed much greater genetic diversity than those reported previously, and most of them could not be categorized as either lineage I or H. Some genes were found more often in isolates from human than from nonhuman sources; e.g., ECs1202 and ECs2976, associated with stx2AB and stx1AB, were in all isolates from human sources but in only 40% of those from nonhuman sources. Some (but not all) lineage I-specific or -dominant genes were also more frequently associated with isolates from human. The results suggested that it might be more effective to concentrate our efforts on finding markers that are directly related to infection rather than those specific to certain lineages. In addition, two Stx-negative O157 cattle isolates (one confirmed to be 117) were significantly different from other Stx-positive and -negative E. coli O157:117 strains and were more similar to MG1655 in their gene content. This work demonstrates that not all E. coli O157:117 strains belong to the same clonal group, and those that were similar to E. coli K-12 might be less virulent.

Escherichia coli isolates from extraintestinal organs of livestock animals harbour diverse virulence genes and belong to multiple genetic lineages

Escherichia coli, the most common cause of bacteraemia in humans in the UK, can also cause serious diseases in animals. However the population structure, virulence and antimicrobial resistance genes of those from extraintestinal organs of livestock animals are poorly characterised. The aims of this study were to investigate the diversity of these isolates from livestock animals and to understand if there was any correlation between the virulence and antimicrobial resistance genes and the genetic backbone of the bacteria and if these isolates were similar to those isolated from humans. Here 39 E. coli isolates from liver (n=31), spleen (n=5) and blood (n=3) of cattle (n=34), sheep (n=3), chicken (n=1) and pig (n=1) were assigned to 19 serogroups with O8 being the most common (n=7), followed by O101, O20 (both n=3) and O153 (n=2). They belong to 29 multi-locus sequence types, 20 clonal complexes with ST23 (n=7), ST10 (n=6), ST117 and ST155 (both n=3) being most common and were distributed among phylogenetic group A (n=16), B1 (n=12), B2 (n=2) and D (n=9). The pattern of a subset of putative virulence genes was different in almost all isolates. No correlation between serogroups, animal hosts, MLST types, virulence and antimicrobial resistance genes was identified. The distributions of clonal complexes and virulence genes were similar to other extraintestinal or commensal E. coli from humans and other animals, suggesting a zoonotic potential. The diverse and various combinations of virulence genes implied that the infections were caused by different mechanisms and infection control will be challenging.

The role of fimbriae and flagella in the colonization, invasion and persistence of Escherichia coli O78 : K80 in the day-old-chick model

To understand the role of flagella and fimbriae of Escherichia coli O78:K80 in avian colibacillosis, day-old chicks were dosed orally with defined afimbriate and or aflagellate mutants and colonization, invasion and persistence compared with that of the wild-type. In an invasion model, chicks were dosed with 1 x 10(5) c.f.u. of a single strain and mutants defective for type 1 fimbriae, curli fimbriae or flagella colonized livers by 24 h although the numbers of bacteria present were significantly less than the wild-type, Mutants colonized between 50 and 75 % of spleens whereas the wild-type colonized 100 % of spleens. Additionally, the numbers of mutant bacteria in colonized spleens were significantly less than the wild-type. Surprisingly, mutants defective for the elaboration of more than one appendage were no more attenuated than single mutants. In a persistence model, chicks were dosed with 1 x 10(2) c.f.u. of a single strain and mutants defective for type 1 or curli or flagella or any combination thereof persisted as assessed by cloacal swabbing for 5 weeks of the experiment less well than the wild-type. In an additional persistence model, chicks were dosed with 5 x 10(2) c.f.u. of each of wild-type and one mutant together. All mutants were significantly less persistent than the wild-type (P < 0.001) and one mutant which lacked type 1, curli and flagella, was eliminated within 2 weeks. Analysis of the trends of elimination indicated that flagella contributed to persistence more than curli, which contributed more than type 1 fimbriae. Here was evidence for a major role in colonization, invasion and persistence played by type 1, curli and flagella.

Bacillus subtilis spores competitively exclude Escherichia coli O78:K80 in poultry

Newly hatched specific pathogen-free chicks were dosed with a suspension of Bacillus subtilis spores prior to challenge with Escherichia coli O78:K80, a known virulent strain associated with avian colibacillosis. 24 h later. A single oral inoculum of 2.5 x 10(8) spores was sufficient to suppress all aspects of E. coli O78:K80 infection. Colonisation of deep organs was reduced by a factor of over 2 log(10) whilst colonisation of the intestine, as measured by direct caecal count, was reduced over 3 log(10). Shedding of E. coli O78:K80 was measured by semi-quantitative cloacal swabbing and was reduced significantly for the: duration of the experiment, 35 days. B, subtilis persisted in the intestine although with decreasing numbers over the same period. Challenge with the same dose 5 days after pre-dosing with spores overcame any suppressive effect of the spores. Crown Copyright (C) 2001 Published by Elsevier Science B.V. All rights reserved.