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  - Zude, Ingmar
T1  - Characterization of virulence-associated traits of Escherichia coli bovine mastitis isolates
T1  - Charakterisierung Virulenz-assozierter Eigenschaften von Escherichia coli Isolaten boviner Mastitis
N2  - Bacterial mastitis is caused by invasion of the udder, bacterial multiplication and induction of
inflammatory responses in the bovine mammary gland. Disease severity and the cause of disease are
influenced by environmental factors, the cow’s immune response as well as bacterial traits. Escherichia coli (E. coli) is one of the main causes of acute bovine mastitis, but although pathogenic E. coli strains can be classified into different pathotypes, E. coli causing mastitis cannot unambiguously be distinguished from commensal E. coli nor has a common set of virulence factors
been described for mastitis isolates. This project focussed on the characterization of virulence-
associated traits of E. coli mastitis isolates in comprehensive analyses under conditions either
mimicking initial pathogenesis or conditions that E. coli mastitis isolates should encounter while entering the udder. Virulence-associated traits as well as fitness traits of selected bovine mastitis or faecal E. coli strains were identified and analyzed in comparative phenotypic assays. Raw milk whey was introduced to
test bacterial fitness in native mammary secretion known to confer antimicrobial effects.
Accordingly, E. coli isolates from bovine faeces represented a heterogeneous group of which some
isolates showed reduced ability to survive in milk whey whereas others phenotypically resembled
mastitis isolates that represented a homogeneous group in that they showed similar survival and
growth characteristics in milk whey. In contrast, mastitis isolates did not exhibit such a uniform phenotype when challenged with iron shortage, lactose as sole carbon source and lingual
antimicrobial peptide (LAP) as a main defensin of milk. Reduced bacterial fitness could be related to LAP suggesting that bacterial adaptation to an intramammary lifestyle requires resistance to host
defensins present in mammary secretions, at least LAP.
E. coli strain 1303 and ECC-1470 lack particular virulence genes associated to mastitis isolates. To find out whether differences in gene expression may contribute to the ability of E. coli variants to cause mastitis, the transcriptome of E. coli model mastitis isolates 1303 and ECC-1470 were analyzed to
identify candidate genes involved in bacterium-host interaction, fitness or even pathogenicity during bovine mastitis.
DNA microarray analysis was employed to assess the transcriptional response of E. coli 1303 and
ECC-1470 upon cocultivation with MAC-T immortalized bovine mammary gland epithelial cells to
identify candidate genes involved in bacterium-host interaction. Additionally, the cell adhesion and invasion ability of E. coli strain 1303 and ECC-1470 was investigated. The transcriptonal response to the presence of host cells rather suggested competition for nutrients and oxygen between E. coli and MAC-T cells than marked signs of adhesion and invasion. Accordingly, mostly fitness traits that may also contribute to efficient colonization of the E. coli primary habitat, the gut, have been utilized by the mastitis isolates under these conditions. In this study, RNA-Seq was employed to assess the bacterial transcriptional response to milk whey.
According to our transcriptome data, the lack of positively deregulated and also of true virulence-associated determinants in both of the mastitis isolates indicated that E. coli might have adapted by other means to the udder (or at least mammary secretion) as an inflammatory site. We identified traits that promote bacterial growth and survival in milk whey. The ability to utilize citrate promotes fitness and survival of E. coli that are thriving in mammary secretions. According to our results, lactoferrin has only weak impact on E. coli in mammary secretions. At the same time bacterial determinants involved in iron assimilation were negatively regulated, suggesting that, at least during the first hours, iron assimilation is not a challenge to E. coli colonizing the mammary gland. It has been hypothesized that cellular iron stores cause temporary independency to extracellular accessible iron. According to our transcriptome data, this hypothesis was supported and places iron uptake
systems beyond the speculative importance that has been suggested before, at least during early
phases of infection. It has also been shown that the ability to resist extracytoplasmic stress, by oxidative conditions as well as host defensins, is of substantial importance for bacterial survival in mammary secretions.
In summary, the presented thesis addresses important aspects of host-pathogen interaction and
bacterial conversion to hostile conditions during colonization of the mastitis inflammatory site, the mammary gland.
N2  - Bei der bakteriellen Mastitis handelt es sich um eine Infektion der bovinen Milchdrüse, ausgelöst durch Eintritt und Wachstum der Bakterien im Euter der Kuh. Krankheitsverlauf und Ursache werden beeinflusst durch Umweltfaktoren, das Immunsystem des Wirtes und die Eigenschaften des bakteriellen Erregers. Die Spezies Escherichia coli (E. coli) ist einer der häufigsten Erreger der akuten bovinen Mastitis. Generell können pathogene E. coli -Stämme entsprechend ihres Infektionsortes in verschiedene Pathotypen klassifiziert werden, die durch eine individuelle Kombination verschiedener Virulenzfaktoren gekennzeichnet sind. Eine eindeutige Unterscheidung von E. coli –Mastitiserregern und kommensalen E. coli -Stämmen ist bisher nicht beschrieben. Diese Studie befasst sich mit der Charakterisierung virulenz-assozierter Eigenschaften von E. coli –Isolaten der bovinen Mastitis. Dazu wurden Untersuchungen unter Bedingungen durchgeführt, die denen während der Anfangsphase der Mastitis entsprechen. 
Die Virulenz und Fitness-assoziierten Eigenschaften ausgewählter E. coli Mastitis- und Fäkalisolate wurden in vergleichenden phenotypischen Assays identifiziert und analysiert. Zur Untersuchung der bakteriellen Fitness in Milchdrüsensekreten wurde native Molke mit antimikrobiellen Eigenschaften von Rohmilch genutzt. Dabei stellte sich heraus dass E. coli Fäkalisolate eine heterogene Gruppe bilden. Innerhalb dieser Gruppe wiesen einige Isolate eine verminderte Überlebensrate auf. Andere Fäkalisolate zeigten eine höhere Überlebensrate, ähnlich der Überlebensrate von Mastitiserregern. Im Gegensatz zum ihrem grundsätzlich guten  Überleben in Molke zeigten Mastitisisolate keine einheitlichen phänotypischen Merkmale bei Wachstum mit 1) Lactose als einziger Kohlenstoffquelle, 2) Eisenlimitierung, oder 3) unter Einfluss von lingualem antimikrobiellem Peptid (LAP), einem bedeutenden Defensin der Wirtsantwort im Euter. Die verminderte Fähigkeit in Milchdrüsensekreten zu überleben korrelierte mit der konzentrationsabhängigen Überlebensfähigkeit in Gegenwart von LAP. Dies lässt vermuten dass eine Anpassung der Bakterien an die Lebensbedingungen in der bovinen Milchdrüse der Resistenz gegenüber Defensinen (u.a. LAP) bedarf.
Den Mastitis-isolaten E. coli 1303 und ECC 1470 fehlen diverse Virulenzgene die bereits mit Mastitis assoziiert werden konnten. Um zu bestimmen ob Unterschiede in der Genexpression beider E. coli Isolate dazu beitragen Mastitis auszulösen, wurden Transkriptomanalysen durchgeführt. Dabei sollten vor allem Kandidatengene bestimmt werden, die an der Wirt-Pathogen-Interaktion beteiligt sind oder zur bakteriellen Fitness oder Virulenz der Erreger beitragen.
Auf der Basis von DNA Microarrays wurde die Genexpression von E. coli 1303 und ECC 1470 in Gegenwart von immortalisierten Zellen des bovinen Milchdrüsenepithels (MAC-T) bestimmt. Zusätzlich wurde die Fähigkeit zur Zelladhäsion und Internalisierung beider Isolate untersucht. Die bakterielle Transkriptionsantwort in Gegenwart der Wirtszellen ergab, dass Erreger und Wirtszellen eher um den Bedarf an Nährstoffen und Sauerstoff konkurrierten, anstatt deutliche Anzeichen der Zelladhäsion oder Invasion zu zeigen. Beide Isolate nutzten vornehmlich Fitnesseigenschaften, die auch bei der Besiedlung des Darms als dem primären Habitat von E. coli verwendet werden.
In dieser Studie wurde außerdem die Genexpression von E. coli 1303 und ECC 1470 in Reaktion auf Molke aus Rohmilch mittels Gesamt-Transkriptom-Sequenzierung (RNA Seq) untersucht. Die Transkriptomanalyse ergab keine wirklich deregulierten virulenz-assozierten Gene in einer der beiden E. coli Mastitis Isolate. Ferner konnten Eigenschaften identifiziert werden, die zum Wachstum und Überleben in nativer Molke beitragen. Die Fähigkeit, Citrat zu verwerten, begünstigt das erfolgreiche Überleben in Milchdrüsensekten und stellt einen wichtigen Fitnessfaktor dar. Unsere Transkriptomdaten bestätigen dass Lactoferrin nur geringen Einfluss auf das Wachstum, von E. coli in Milchdrüsensekreten, hat. Die Expression bakterieller Determinanten, die an der Aufnahme von Eisen beteiligt sind, wurde herunterreguliert. Dies lässt darauf schließen dass Eisenaufnahme in den ersten Stunden der Kolonisierung durch die Erreger keine essentielle Fitnesseigenschaft darstellt. Vermutlich reicht die intrazelluläre Menge an Eisen aus, um eine zeitweise Unabhängigkeit von extrazellular verfügbarem Eisen zu ermöglichen. Diese These konnte durch unsere Transkriptomdaten gestützt werden und stellt eine wichtige Entdeckung in Bezug auf die Verfügbarkeit von Eisen während der Kolonisierung der Milchdrüse dar. Unsere Daten zeigen, dass die Resistenz gegenüber extrazellulärem Stress durch oxidative Bedingungen und Defensine des Wirtes von großer Bedeutung für das bakterielle Überleben in Milchdrüsensekreten ist.
Die vorliegende Thesis befasst sich mit wichtigen Aspekten der Wirt-Pathogen-Interaktion und der Anpassung an die antimikrobiellen Bedingungen während der Kolonisierung der Milchdrüse als Ort der Infektion.
KW  - Escherichia coli
KW  - mastitis
KW  - infection
KW  - virulence
KW  - transcriptome analysis
KW  - Kuh
KW  - Brustdrüsenentzündung
KW  - Virulenz
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-100934
ER  -