TY  - THES
A1  - Leimbach, Andreas
T1  - Genomics of pathogenic and commensal \(Escherichia\) \(coli\)
T1  - Genomik pathogener und kommensaler \(Escherichia\) \(coli\)
N2  - High-throughput sequencing (HTS) has revolutionized bacterial genomics. Its unparalleled sensitivity has opened the door to analyzing bacterial evolution and population genomics, dispersion of mobile genetic elements (MGEs), and within-host adaptation of pathogens, such as Escherichia coli.

One of the defining characteristics of intestinal pathogenic E. coli (IPEC) pathotypes is a specific repertoire of virulence factors (VFs). Many of these IPEC VFs are used as typing markers in public health laboratories to monitor outbreaks and guide treatment options. Instead, extraintestinal pathogenic E. coli (ExPEC) isolates are genotypically diverse and harbor a varied set of VFs -- the majority of which also function as fitness factors (FFs) for gastrointestinal colonization.

The aim of this thesis was the genomic characterization of pathogenic and commensal E. coli with respect to their virulence- and antibiotic resistance-associated gene content as well as phylogenetic background. In order to conduct the comparative analyses, I created a database of E. coli VFs, ecoli_VF_collection, with a focus on ExPEC virulence-associated proteins (Leimbach, 2016b). Furthermore, I wrote a suite of scripts and pipelines, bac-genomics-scripts, that are useful for bacterial genomics (Leimbach, 2016a). This compilation includes tools for assembly and annotation as well as comparative genomics analyses, like multi-locus sequence typing (MLST), assignment of Clusters of Orthologous Groups (COG) categories, searching for protein homologs, detection of genomic regions of difference (RODs), and calculating pan-genome-wide association statistics.

Using these tools we were able to determine the prevalence of 18 autotransporters (ATs) in a large, phylogenetically heterogeneous strain panel and demonstrate that many AT proteins are not associated with E. coli pathotypes. According to multivariate analyses and statistics the distribution of AT variants is instead significantly dependent on phylogenetic lineages. As a consequence, ATs are not suitable to serve as pathotype markers (Zude et al., 2014).

During the German Shiga toxin-producing E. coli (STEC) outbreak in 2011, the largest to date, we were one of the teams capable of analyzing the genomic features of two isolates. Based on MLST and detection of orthologous proteins to known E. coli reference genomes the close phylogenetic relationship and overall genome similarity to enteroaggregative E. coli (EAEC) 55989 was revealed. In particular, we identified VFs of both STEC and EAEC pathotypes, most importantly the prophage-encoded Shiga toxin (Stx) and the pAA-type plasmid harboring aggregative adherence fimbriae. As a result, we could show that the epidemic was caused by an unusual hybrid pathotype of the O104:H4 serotype. Moreover, we detected the basis of the antibiotic multi-resistant phenotype on an extended-spectrum beta-lactamase (ESBL) plasmid through comparisons to reference plasmids. With this information we proposed an evolutionary horizontal gene transfer (HGT) model for the possible emergence of the pathogen (Brzuszkiewicz et al., 2011).

Similarly to ExPEC, E. coli isolates of bovine mastitis are genotypically and phenotypically highly diverse and many studies struggled to determine a positive association of putative VFs. Instead the general E. coli pathogen-associated molecular pattern (PAMP), lipopolysaccharide (LPS), is implicated as a deciding factor for intramammary inflammation. Nevertheless, a mammary pathogenic E. coli (MPEC) pathotype was proposed presumably encompassing strains more adapted to elicit bovine mastitis with virulence traits differentiating them from commensals.

We sequenced eight E. coli isolates from udder serous exudate and six fecal commensals (Leimbach et al., 2016). Two mastitis isolate genomes were closed to a finished-grade quality (Leimbach et al., 2015). The genomic sequence of mastitis-associated E. coli (MAEC) strain 1303 was used to elucidate the biosynthesis gene cluster of its O70 LPS O-antigen. We analyzed the phylogenetic genealogy of our strain panel plus eleven bovine-associated E. coli reference strains and found that commensal or MAEC could not be unambiguously allocated to specific phylogroups within a core genome tree of reference E. coli. A thorough gene content analysis could not identify functional convergence of either commensal or MAEC, instead both have only very few gene families enriched in either pathotype. Most importantly, gene content and ecoli_VF_collection analyses showed that no virulence determinants are significantly associated with MAEC in comparison to bovine fecal commensals, disproving the MPEC hypothesis. The genetic repertoire of bovine-associated E. coli, again, is dominated by phylogenetic background. This is also mostly the case for large virulence-associated E. coli gene cluster previously associated with mastitis. Correspondingly, MAEC are facultative and opportunistic pathogens recruited from the bovine commensal gastrointestinal microbiota (Leimbach et al., 2017). Thus, E. coli mastitis should be prevented rather than treated, as antibiotics and vaccines have not proven effective.

Although traditional E. coli pathotypes serve a purpose for diagnostics and treatment, it is clear that the current typing system is an oversimplification of E. coli's genomic plasticity. Whole genome sequencing (WGS) revealed many nuances of pathogenic E. coli, including emerging hybrid or heteropathogenic pathotypes. Diagnostic and public health microbiology need to embrace the future by implementing HTS techniques to target patient care and infection control more efficiently.
N2  - Eines der definierenden Charakteristika intestinal pathogener E. coli (IPEC) Pathotypen ist ein spezifisches Repertoire an Virulenzfaktoren (VFs). Viele dieser IPEC VFs werden als Typisierungsmarker benutzt. Stattdessen sind Isolate extraintestinal pathogener E. coli (ExPEC) genotypisch vielfältig und beherbergen verschiedenartige VF Sets, welche in der Mehrheit auch als Fitnessfaktoren (FFs) für die gastrointestinale Kolonialisierung fungieren.

Das Ziel dieser Dissertation war die genomische Charakterisierung pathogener und kommensaler E. coli in Bezug auf ihren Virulenz- und Antibiotikaresistenz-assoziierten Gengehalt sowie ihre phylogenetische Abstammung. Als Voraussetzung für die vergleichenden Analysen erstellte ich eine E. coli VF-Datenbank, ecoli_VF_collection, mit Fokus auf Virulenz-assoziierte Proteine von ExPEC (Leimbach, 2016b). Darüber hinaus programmierte ich mehrere Skripte und Pipelines zur Anwendung in der bakteriellen Genomik, bac-genomics-scripts (Leimbach, 2016a). Diese Sammlung beinhaltet Tools zur Unterstützung von Assemblierung und Annotation sowie komparativer Genomanalysen, wie Multilokus-Sequenztypisierung (MLST), Zuweisung von Clusters of Orthologous Groups (COG) Kategorien, Suche nach homologen Proteinen, Identifizierung von genomisch unterschiedlichen Regionen (RODs) und Berechnung Pan-genomweiter Assoziationsstatistiken.

Mithilfe dieser Tools konnten wir die Prävalenz von 18 Autotransportern (ATs) in einer großen, phylogenetisch heterogenen Stammsammlung bestimmen und nachweisen, dass viele AT-Proteine nicht mit E. coli Pathotypen assoziiert sind. Multivariate Analysen und Statistik legten offen, dass die Verteilung von AT-Varianten vielmehr signifikant von phylogenetischen Abstammungslinien abhängt. Deshalb sind ATs nicht als Marker für Pathotypen geeignet (Zude et al., 2014).

Während des bislang größten Ausbruchs von Shiga-Toxin-produzierenden E. coli (STEC) im Jahre 2011 in Deutschland waren wir eines der Teams, welches die genomischen Eigenschaften zweier Isolate analysieren konnte. Basierend auf MLST und Detektion orthologer Proteine zu bekannten E. coli Referenzgenomen konnte ihre enge phylogenetische Verwandschaft und Ähnlichkeit des gesamten Genoms zum enteroaggregativen E. coli (EAEC) 55989 aufgedeckt werden. Im Detail identifizierten wir VFs von STEC und EAEC Pathotypen, vor allem das Prophagen-kodierte Shiga-Toxin (Stx) und ein Plasmid des pAA-Typs kodierend für aggregative Adhärenz-Fimbrien. Die Epidemie wurde demnach durch einen ungewöhnlichen Hybrid-Pathotyp vom O104:H4 Serotyp verursacht. Zusätzlich identifizierten wir die Grundlage für den multiresistenten Phänotyp dieser Ausbruchsstämme auf einem Extended-Spektrum-beta-Laktamase (ESBL) Plasmid über Vergleiche mit Referenzplasmiden. Mit diesen Informationen konnten wir ein horizontales Gentransfer-Modell (HGT) zum Auftreten dieses Pathogenen vorschlagen (Brzuszkiewicz et al., 2011).

Ähnlich zu ExPEC sind E. coli Isolate boviner Mastitiden genotypisch und phänotypisch sehr divers, und viele Studien scheiterten am Versuch eine positive Assoziation vermeintlicher VFs nachzuweisen. Stattdessen gilt Lipopolysaccharid (LPS) als entscheidender Faktor zur intramammären Entzündung. Gleichwohl wurde ein mammärer pathogener E. coli (MPEC) Pathotyp vorgeschlagen, der mutmaßlich Stämme umfasst, welche eher geeignet sind eine bovine Mastitis auszulösen und über Virulenz-Merkmale von Kommensalen abgegrenzt werden können.

Wir sequenzierten acht E. coli Isolate aus serösem Eutersekret und sechs fäkale Kommensale (Leimbach et al., 2016). Bei zwei Mastitisisolaten wurden die Genome vollständig geschlossen (Leimbach et al., 2015). Anhand der genomischen Sequenz des Mastitis-assoziierten E. coli (MAEC) Stamms 1303 wurde das Gencluster zur Biosynthese seines O70 LPS O-Antigens aufgeklärt. Wir analysierten die phylogenetische Abstammung unserer Stammsammlung plus elf bovin-assoziierter E. coli Referenzstämme, aber konnten weder MAEC noch Kommensale bestimmten Phylogruppen innerhalb eines Core-Genom Stammbaums aus Referenz-E. coli eindeutig zuordnen. Eine ausführliche Gengehalt-Analyse konnte keine funktionelle Konvergenz innerhalb von Kommensalen oder MAEC identifizieren. Stattdessen besitzen beide nur sehr wenige Genfamilien, die bevorzugt in einer der beiden Pathotypen vorkommen. Weder eine Gengehalt- noch eine ecoli_VF_collection-Analyse konnte zeigen, dass eine signifikante Assoziation von bestimmten Virulenzfaktoren mit MAEC, im Vergleich zu bovinen fäkalen Kommensalen, besteht. Damit wurde die MPEC Hypothese widerlegt. Auch das genetische Repertoire von Rinder-assoziierten E. coli wird durch die phylogenetische Abstammung bestimmt. Dies ist überwiegend auch bei großen Virulenz-assoziierten Genclustern der Fall, die bisher mit Mastitis in Verbindung gebracht wurden. Dementsprechend sind MAEC fakultative und opportunistische Pathogene, die ihren Ursprung als Kommensale in der bovinen gastrointestinalen Mikrobiota haben (Leimbach et al., 2017).

Obwohl traditionelle E. coli Pathotypen in der Diagnostik und Behandlung einen Zweck erfüllen, ist es offensichtlich, dass das derzeitige Typisierungs-System die genomische Plastizität von E. coli zu sehr vereinfacht. Die Gesamtgenom-Sequenzierung (WGS) deckte viele Nuancen pathogener E. coli auf, einschließlich entstehender hybrider oder heteropathogener Pathotypen. Diagnostische und medizinische Mikrobiologie müssen einen Schritt in Richtung Zukunft gehen und HTS-Technologien anwenden, um Patientenversorgung und Infektionskontrolle effizienter zu unterstützen.
KW  - Escherichia coli
KW  - Autotransporter
KW  - STEC
KW  - Bovine Mastitis
KW  - high-throughput sequencing
KW  - virulence factors
KW  - pathotypes
KW  - phylogeny
KW  - ecoli_VF_collection
KW  - bac-genomics-scripts
KW  - autotransporter
KW  - entero-aggregative-haemorrhagic Escherichia coli (EAHEC)
KW  - mastitis-associated Escherichia coli (MAEC)
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-154539
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schiller, Roswitha Dorothee
T1  - Studien zu Virulenzeigenschaften typischer und atypischer uropathogener Escherichia coli
T1  - Studies on virulence properties of typical and atypical uropathogenic Escherichia coli
N2  - Die Forschungsergebnisse der letzten Jahre liefern immer mehr Hinweise darauf, dass eine klare Unterscheidung von Fitness- und Virulenzfaktoren in vielen Fällen, insbesondere bei extraintestinal pathogenen Escherichia coli, nicht möglich ist. So lässt sich auch bei Harnwegsinfektionen verursachenden E. coli den bakteriellen und teils stammspezifischen Faktoren oftmals nicht eindeutig eine typische Virulenz- oder Fitness-assoziierte Funktion zuordnen. Zudem werden in neueren Studien immer häufiger atypische uropathogene Isolate von E. coli beschrieben, die in ihrem „Virulenzrepertoire“ deutlich von typischen uropathogenen E. coli (UPEC) abweichen, da sie keine klassischen UPEC-Virulenzfaktoren aufweisen. In dieser Arbeit wurden daher Virulenzeigenschaften typischer als auch atypischer UPEC untersucht.
Der Effekt eines bestimmten bakteriellen Faktors auf den Wirtsorganismus wird teilweise indirekt durch sekundäre Modifikation bedingt. Dies offenbart sich beispielsweise am Autotransporterprotein AIDA-I, dessen Konformation durch posttranslationale Glykosylierung stabilisiert wird, wodurch es seine Funktionalität als Adhäsin erhält. Da bisherige Studien zum AIDA-I homologen Autotransporterprotein Antigen 43 (Ag43) auf der Analyse von künstlich glykosyliertem Protein basieren, lag ein Schwerpunkt dieser Arbeit auf der Untersuchung der natürlichen Glykosylierung von Ag43 in UPEC Stamm 536. Es zeigte sich, dass beide Ag43-Varianten von E. coli Stamm 536 natürlicherweise glykosyliert vorliegen, der Grad der Glykosylierung jedoch wesentlich geringer ausfällt als bei natürlich glykosyliertem AIDA-I. Inwieweit die natürliche Glykosylierung von Ag43 zu dessen Funktionalität beiträgt, kann erst durch die Identifizierung der für die Ag43-Glykosylierung verantwortlichen Glykosyltransferase geklärt werden. 
Die in silico-Analyse des Genoms von UPEC Stamm 536 für potentielle Glykosyltransferasen von Ag43 lieferte neun Kandidatengene. Die Gene wurde teils im Wildtyp-Hintergrund, teils im rfaH-negativen Hintergrund von E. coli Stamm 536 deletiert und die Mutanten im Anschluss phänotypisch charakterisiert. Die Deletion der Kandidatengene waaF, waaG und waaQ, die für Glykosyltransferasen des LPS-Biosynthesesystems kodieren, führte zu den deutlichsten Unterschieden in Bezug auf Motilität, Curli/Zellulose-Produktion, Hämolyseaktivität und Expression von Typ 1 Fimbrien. Der Einfluss des „knock-out“ der Kandidatengene auf die Glykosylierung von Ag43 muss in weiterführenden Studien untersucht werden.
Zur Charakterisierung des uropathogenen Virulenzpotentials verschiedener E. coli Stämme in vivo hat sich in den letzten Jahren das murine Modell der aufsteigenden Harnwegsinfektion etabliert. Mit Hilfe dieses Modells wurden in der vorliegenden Arbeit sowohl spezifische Deletionsmutanten prototypischer UPEC als auch atypische E. coli Harnwegsisolate bezüglich ihrer Urovirulenz getestet und verglichen. Bei der Untersuchung der klassischen UPEC lag der Fokus auf der möglichen Urovirulenzmodulation durch die folgenden spezifischen Faktoren: dem Autotransporterprotein Ag43, dem „Response regulator“ UvrY, dem Polyketid Colibactin sowie dem Exopolysaccharid poly-β-1,6-N-Acetylglucosamin (PGA). Für Ag43 war bei der Etablierung einer Harnwegsinfektion keine eindeutige Funktion feststellbar. Es ist jedoch denkbar, dass Ag43 zur Langzeitpersistenz im Harnwegstrakt beitragen kann, was in weiteren Studien belegt werden sollte. Die Expression von UvrY in der natürlichen uvrY-Deletionsmutante UPEC Stamm 536 ließ keine Erhöhung des Urovirulenzpotentials im Mausmodell erkennen. In diesem Zusammenhang konnte allerdings gezeigt werden, dass die Expression des Genotoxins Colibactin in UPEC Stamm 536 dessen Virulenz signifikant herabsetzte. Die Untersuchungen zur Relevanz des Exopolysaccharids PGA belegen deutlich, dass PGA für die Langzeitpersistenz von E. coli im murinen Harnwegstrakt benötigt wird. Für die initiale Kolonisierung scheint PGA hingegen keine Bedeutung zu haben. Für atypische UPEC Isolate, die Charakteristika von STEC und EAEC zeigen und sich in ihrem Virulenzmuster deutlich von prototypischen UPEC unterscheiden, ließ sich im murinen Modell der aufsteigenden Harnwegsinfektion, verglichen mit dem UPEC Modellorganismus 536, ein ähnliches, teils sogar erhöhtes uropathogenes Virulenzpotential nachweisen. 
Die Ergebnisse der Arbeit untermauern somit die heutige Vorstellung bezüglich der Entwicklung und Etablierung einer Harnwegsinfektion, dass verschiedene E. coli Stämme unterschiedliche (Kontroll-) Mechanismen entwickelt haben, um erfolgreich den Harnwegstrakt kolonisieren und eine Infektion auslösen zu können. Zudem weisen sie darauf hin, dass diese Fähigkeit nicht auf Isolate typischer phylogenetischer UPEC Entwicklungslinien beschränkt und auf das Vorhandensein charakteristischer UPEC Virulenzfaktoren angewiesen ist.
N2  - Research findings over the last years indicate that in many cases, including extraintestinal pathogenic Escherichia coli, a clear distinction between fitness and virulence factors is not possible. Accordingly, the classical distinction of often strain-specific virulence- and fitness-related traits of uropathogenic E. coli (UPEC) can often not be made. Furthermore, recent studies describe atypical UPEC isolates. These isolates remarkably differ in their “virulence repertoire” compared to typical UPEC, because they lack classical UPEC-related virulence factors. Therefore, the aim of the present study was the investigation of virulence properties of typical as well as atypical UPEC strains.
The effect of a certain bacterial factor upon the host organism is in part indirectly influenced by secondary modifications. For instance, the conformation of the autotransporter protein AIDA-I is stabilized by posttranslational glycosylation which in turn confers its functionality as an adhesin. Prior studies on the AIDA-I homologous autotransporter protein antigen 43 (Ag43) are based on the analysis of the artificially glycosylated protein. Thus, a key aspect of the current work was to elucidate the naturally occurring glycosylation of Ag43 in UPEC strain 536. For both Ag43 variants of E. coli 536 natural glycosylation was detected. However, Ag43 was less glycosylated than naturally glycosylated AIDA-I. The future identification of the glycosyltransferase responsible for natural glycosylation of Ag43 will help to determine the impact of this posttranslational modification on the functionality of Ag43.
In silico analysis of the UPEC strain 536 genome regarding potential glycosyltransferases of Ag43 revealed nine candidate genes. Corresponding deletion mutants of the identified genes were constructed in part in the wild type strain background and in part in the rfaH-negative background of UPEC 536. The most prominent differences concerning motility, curli/cellulose production, hemolytic activity and expression of type 1 fimbriae were observed upon deletion of the genes waaF, waaG or waaQ coding for glycosyltransferases of the LPS biosynthesis pathway. The impact of the deleted candidate genes on the glycosylation of Ag43 has to be further investigated.
In recent years the murine model of ascending urinary tract infection was established to characterize the uropathogenic potential of E. coli strains in vivo. By means of this model the uropathogenic potential of different specific “knock-out” mutants of prototypic UPEC strains as well as of atypical E. coli urinary tract isolates was tested and compared. 
The analysis of the impact of specific factors on the uropathogenic potential of classical UPEC strains focused on the autotransporter protein Ag43, the response regulator UvrY, the genotoxin colibactin, and the exopolysaccharide poly-β-1,6-N-acetylglucosamine (PGA). Ag43 did not exhibit a distinct function during the establishment of urinary tract infection in mice. However, it is conceivable that Ag43 can contribute to long-term persistence in the urinary tract, which should be covered in further studies. Expression of UvrY in the natural uvrY-negative UPEC strain 536 did not increase the uropathogenic potential. However, expression of the genotoxin colibactin significantly reduced the urovirulence of UPEC strain 536. The exopolysaccharide PGA was shown to contribute to long-term persistence of UPEC in the murine model of urinary tract infection. For the initial colonization of the urinary tract, PGA seems to be dispensable.
The atypical UPEC isolates investigated in this study display typical characteristics of STEC and EAEC and differ significantly in their virulence gene content compared to prototypic UPEC strains. Nevertheless, in the murine model of ascending UTI many atypical UPEC isolates exhibited a comparable and sometimes even increased uropathogenic potential relative to UPEC model strain 536.
The results of this work support the current idea regarding the development and establishment of a urinary tract infection that different E. coli strains have evolved diverse (control-) mechanisms to successfully colonize the urinary tract and provoke an infection. In addition, the findings point out that the ability to cause a urinary tract infection is not limited to phylogenetic lineages of classical UPEC isolates and the presence of characteristic UPEC virulence traits.
KW  - Escherichia coli
KW  - Harnwegsinfektion
KW  - Glykosylierung
KW  - UPEC
KW  - Autotransporterprotein
KW  - Glykosyltransferase
KW  - murines Modell der aufsteigenden Harnwegsinfektion
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-103907
ER  -