TY - THES A1 - Strehl, Christoph-Peter T1 - Evolution of colony characteristics in the harvester ant genus Pogonomyrmex T1 - Evolution von Kolonie-Charakteristika in der Ernteameisen-Gattung Pogonomyrmex N2 - Die Gattung Pogonomyrmex ist besonders gut geeignet, um die Evolution der Charakteristika von Ameisenkolonien allgemein zu untersuchen, und insbesondere deren soziogenetische Struktur, da die Biologie für einige ihrer Arten sehr gut bekannt ist, und eine Diversität an Paarungshäufigkeiten und Könniginnenzahlen vorkommt. Diese Variation in der soziogenetischen Struktur der Kolonien erzeugt eine hohe Varianz an Verwandschaftsgraden innerhalb von Kolonien, und kann eine Hauptkomponente darstellen, welche die Evolution verschiedenster Koloniecharakteristika vorantreibt. Um die Variabilität intrakolonialer Verwandschaftsgrade innerhalb der Gattung Pogonomyrmex genau zu bestimmen, wurde für ausgewählte Mitglieder der Gattung, nämlich für P. (sensu stricto) rugosus, P. (sensu stricto) badius and P. (Ephebomyrmex) pima, mit Hilfe der Technik des DNA-Fingerabdruckes die Anzahl an Matrilinien und Patrilinien bestimmt. Es wurde versucht die Evolution dieser Koloniecharakteristika vor dem Hintergrund einer Phylogenie zu erklären. Zu diesem Zweck wurde ein Gen-Stammbaum für 39 Arten der Gattung Pogonomyrmex erstellt. Die Artabdeckung betrug 83% bei den Nord-Amerikanischen, und 43% bei den Süd-Amerikanischen Arten. Effektive Mehrfachpaarung von Königinnen wurde für P. rugosus (me=4.1) und P. badius (me=6.7) bestätigt. Zusätzlich wurde gezeigt, dass beide Arten monogyn sind. Diese Ergebnisse bestätigen Verhaltensbeobachtungen von Mehrfachpaarungen in diesen Arten. Mittlerweile ist Mehrfachpaarung in 9 Pogonomyrmex Arten bekannt (bei 3 Arten durch Verhaltensbeobachtungen – bei 6 Arten durch genetischen Nachweis). In P. (E.) pima hingegen waren alle der untersuchten Königinnen einfach gepaart (me=1.0). Daher könnte es sein, dass Mehrfachpaarung entweder früh in der Evolution der Gattung Pogonomyrmex entstand und nachträglich in der Untergattung Ephebomyrmex verloren wurde (Plesiomorphie-Hypothese), oder sie entstand zum ersten mal in der Untergattung Pogonomyrmex sensu stricto (Apomorphie-Hypothese). In P. huachucanus, einer Art, die basal zu dem Nord-Amerikanischen sensu stricto Komplex ist, könnten die im Vergleich zu ihren sensu stricto Verwandten geringeren effektiven Paarungshäufigkeiten der Königinnen (J. Gadau and C.-P. Strehl, unveröffentlicht) einen Wechsel von Monandrie zu Polyandrie im Verlauf der Entstehung der fortschrittlicheren sensu stricto Arten widerspiegeln, was die Apomorphie-Hypothese unterstützen würde. Die intrakolonialen Verwandtschaftsgrade sind dennoch in P. (E.) pima niedrig. Dies ist möglicherweise auf mehrere reproduktive Königinnen (Polygynie) zurückzuführen. Polygynie ist ebenfalls dokumentiert für mindestens vier weitere Arten der Untergattung Ephebomyrmex, mit genetischer Evidenz allerdings bisher nur für P. (E.) pima. Es könnte sein, dass es einen evolutionären Ausgleich (trade-off) zwischen Polyandrie und Polygynie innerhalb der Untergattung Ephebomyrmex gab, und daher beide Untergattungen eine hohe genetische Vielfalt innerhalb der Kolonien behielten. Diese hohe genetische Vielfalt könnte einer der Gründe sein für den Erfolg und die Radiation der Gattung Pogonomyrmex in Trockengebieten. Evolution könnte eine hohe genetische Vielfalt von Pogonomyrmex Kolonien begünstigt haben, da sie den Kolonien hilft die Organisation der Kolonie und die Effizienz mit der externe Aufgaben ausgeführt werden zu verbessern. Wenigstens in P. badius konnte eine Verknüpfung zwischen Patrilinien und physischem Polyethismus gefunden werden, was auf eine Verbesserung der Kolonieorganisation mit Hilfe von Polyandrie hindeutet. Darüber hinaus könnten die dargelegten extremen Polyandrie- Werte den P. badius-Weibchen helfen die Möglichkeit der Inzucht aufgrund eingeschränkter Ausbreitung zu bewältigen. Eine eingeschränkte Ausbreitung wird auch in P. (E.) pima durch flügellose, intermorphe Königinnen beobachtet. Jedoch wird bei P. (E.) pima die Inzucht durch Auskreuzen mittels Männchen möglicherweise verhindert, da keine signifikante Inzucht gefunden wurde. In den vorliegenden Gen-Stammbäumen war die Untergattung Pogonomyrmex Ephebomyrmex von der Untergattung Pogonomyrmex sensu stricto getrennt. Daher könnte es sein, dass P. Ephebomyrmex in den Status einer Gattung erhoben wird, auch aufgrund distinkter morphologischer und lebensgeschichtlicher Charaktere. Für eine präzise taxonomische Revision müsste allerdings eine breite Ergänzung an Arten vorgenommen werden. Es wurde in P. rugosus Kolonien normalerweise eine geringe Anzahl von unverwandten Arbeiterinnen vorgefunden, die möglicherweise aus Brutraub ausgewachsener Kolonien auf Gündungs-Kolonien stammen. Es ist allseits bekannt, dass die meisten Gründungskolonien von benachbarten, ausgewachsenen Kolonien der eigenen Art zerstört werden, aber es wurde bisher angenommen, dass die Brut dieser Kolonien ebenfalls zerstört wurde. Dieser oft vernachlässigte Aspekt könnte einen wichtigen Stärke-Bonus für ausgewachsene Kolonien darstellen. N2 - The genus Pogonomyrmex is predisposed for analyzing the evolution of ant colony characteristics in general and the sociogenetic structure in particular, due to the renowned biology of several species and the diversity of mating frequency and queen number. This variation in the sociogenetic structure of colonies produces a high variance in intracolonial relatedness which can be a major component driving the evolution of various colony characteristics. To exactly determine the variability of the intracolonial relatedness in the genus Pogonomyrmex both were analyzed, the number of matrilines and patrilines, in selected members of Pogonomyrmex, namely P. (sensu stricto) rugosus, P. (sensu stricto) badius and P. (Ephebomyrmex) pima using DNA fingerprint techniques. The evolution of these colony characteristics were tried to be explained within a phylogenetic framework. For that purpose we constructed a gene-tree of 39 species of the genus Pogonomyrmex. The taxon sampling covered about 83 % of the North American species and 43 % of the South American species. Effective multiple mating of queens was confirmed for P. rugosus (me=4.1) and P. badius (me=6.7). Additionally, both species are monogynous. These results corroborate behavioral observations of multiple mating for these species. Multiple mating is now known from 9 Pogonomyrmex species (behavioral evidence for 3 species – genetic evidence for 6 species). However, in P. (E.) pima all queens that were analyzed were single mated (me=1.0). Therefore, multiple mating may have either evolved early during the evolution of the genus Pogonomyrmex and has subsequently been lost in the subgenus Ephebomyrmex (plesiomorphic hypothesis), or it has first been evolved in the subgenus Pogonomyrmex sensu stricto (apomorphic hypothesis). In P. huachucanus, a species basal to the North- American sensu stricto complex, smaller effective mating number of queens compared to its sensu stricto relatives (J. Gadau and C.-P. Strehl, unpublished) probably do mirror a change from monandry to polyandry during the evolution of more advanced sensu stricto species, which would support the apomorphic hypothesis. The intracolonial relatedness in P. (E.) pima is however rather low. This is probably the result of multiple reproducing queens (polygyny). Polygyny is also documented for at least four other species of the subgenus Ephebomyrex, but so far P. (E.) pima is the only species with genetic evidence. It might be that there was an evolutionary trade-off within the subgenus Ephebomyrmex between polyandry and polygyny. Therefore, both subgenera retained a high intracolonial genetic diversity. This high genetic diversity might be one cause for the success and radiation of the genus Pogonomyrmex in arid environments. Evolution might have favored high genetic diversity of Pogonomyrmex colonies, because it helps colonies to improve their colonial organization and efficiency in performing external tasks. At least in P. badius a link between patrilines and physical polyethism was found, indicative of an improvement of colonial organization via polyandry. Furthermore, the documented extreme levels of polyandry might help P. badius females to overcome the possibility of inbreeding due to restricted dispersal. Restricted dispersal is also found in P. (E.) pima due to wingless, intermorphic queens. However, in P. (E.) pima inbreeding is probably prevented by outcrossing via males because no significant inbreeding is found. In the presented gene trees the subgenus Pogonomyrmex Ephebomyrmex was separated from the subgenus Pogonomyrmex sensu stricto. Therefore, P. Ephebomyrmex might be elevated to generic status, also due to its distinct morphological and life history characters. Nevertheless, for a precise taxonomic revision a broader complement of species has to be applied. Regularly a low number of unrelated workers was found in P. rugosus colonies, which probably stem from brood raids between mature and founding colonies. It is well known that most founding colonies are destroyed by neighboring conspecific mature colonies, but so far it was assumed that the brood of these colonies was also destroyed. This often neglected aspect might be an important fitness token for mature colonies. KW - Pogonomyrmex KW - Phylogenie KW - Koloniebildung KW - Phylogenie KW - Mehrfachpaarung KW - Pogonomyrmex rugosus KW - Pogonomyrmex badius KW - Ephebomyrmex pima KW - phylogeny KW - polyandry KW - Pogonomyrmex rugosus KW - Pogonomyrmex badius KW - Ephebomyrmex pima Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-14324 ER - TY - THES A1 - Lechner, Melanie T1 - Charakterisierung des Umweltkeims Bordetella petrii. Untersuchungen zur genomischen Variabilität und zum Bvg Regulon T1 - Characerisation of the environmental bacterium Bordetella petrii. Investigation of genomic variability and the Bvg reguoln. N2 - Die 2001 beschriebene Art B. petrii stellt den ersten Umweltkeim der Gattung Bordetella dar, welcher aus einer anaeroben, dechlorinierenden Anreicherungskultur aus Flusssediment isoliert wurde. Phylogenetisch wird B. petrii an die Basis der Gattung Bordetella eingeordnet und ist in evolutionärer Hinsicht deshalb interessant, weil er sowohl für orthologe Gene bestimmter Virulenzfaktoren der pathogenen Bordetellen kodiert als auch typische Eigenschaften von Umweltkeimen aufweist und somit eine Art Bindeglied darstellt. Da B. petrii ein orthologes BvgAS-System besitzt (der Hauptregulator der Virulenzgenexpression in den pathogenen Bordetellen), wurde dessen Struktur im Rahmen dieser Arbeit mittels in silico Analysen untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass eine Konservierung nur auf Aminosäureebene deutlich zu erkennen ist und der Response Regulator BvgA von B. petrii die stärkste Konservierung aufweist. Desweiteren besitzt B. petrii Gene für zwei Histidinkinasen, BvgS1 und BvgS2, sowie ein separates Gen, welches für eine Hpt-Domäne kodiert. Weitere putative Virulenzfaktoren von B. petrii gehören in die Gruppe der Adhäsionsfaktoren. Diese Faktoren spielen bei den „klassischen“ Bordetellen im Infektionszyklus eine wichtige Rolle für die Anheftung z.B. an die Epithelzellen des Respirationstraktes. Um ein mögliches pathogenes Potential von B. petrii abschätzen zu können, wurden vergleichende Zellkulturstudien mit B. bronchiseptica durchgeführt. Dabei konnte gezeigt werden, dass B. petrii um den Faktor 7,5 weniger in Makrophagen aufgenommen wird. Hinweise auf die Funktionalität des BvgAS-Systems in B. petrii wurden durch Proteomstudien mit einer BvgA-Mutante erhalten, und deuten darauf hin, dass das BvgAS-System in B. petrii möglicherweise eine Funktion in der Respirationskontrolle haben könnte. Im Rahmen der Genomsequenzierung wurden acht genomische Inseln beschrieben, die in dieser Arbeit hinsichtlich ihrer Struktur und ihrem Excisionsverhalten untersucht wurden. Es konnte gezeigt werden, dass die genomischen Inseln, mit Ausnahme der Insel GI0, in verschiedenen Kombinationen, als ringförmige Intermediate aus dem B. petrii Genom ausgeschnitten werden können. Vier der genomischen Inseln (GI1-GI3 und GI6) weisen strukturelle Ähnlichkeiten zu einer Familie syntenischer genomischer Inseln auf, zu denen auch das clc-Element von Pseudomonas sp. Strain B13 zählt. Die größte Ähnlichkeit zum clc-Element weist die Insel GI3 von B. petrii auf. Diese beiden Inseln haben annähernd die gleiche Größe und besitzen Gene zu Abbau von 3-Chlorobenzoat (3-CBA). Die Untersuchung der Stabilität von GI3 ergab, dass nach 125-150 Generationen nur noch 1,5 % der Bakterien die Insel GI3 enthielten. Desweiteren konnte die Übertragung der Insel GI3 von B. petrii auf B. bronchiseptica PS2 gezeigt und der Integrationsbereich bestimmt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde auch ein neuer Stammbaum der Gattung Bordetella erstellt, in welchen eine Reihe kürzlich neu beschriebener B. petrii Isolate mit aufgenommen wurden wodurch ein zu den pathogenen Bordetellen abgegrenztes Cluster gebildet wird. N2 - The in 2001 described species B. petrii represents the first environmental isolate of the genus Bordetella and was derived from an anaerobic, dechlorinating bioreactor culture enriched from river sediment. Phylogenetically B. petrii is placed at the root of the genus Bordetella. Since it possesses several orthologous genes to virulence factors of the pathogenic Bordetella species but also shows typical features of environmental bacteria, B. petrii might represent some sort of evolutionary missing link. A putative virulence factor in B. petrii is for example the BvgAS-system, which appears to be the master regulator for virulence gene expression in the pathogenic Bordetellae. In this work the structure of this BvgAS ortholog was to be investigated via in silico analyses. We could show that there is a clear conservation on amino acid level and that it is the response regulator BvgA that displays the strongest conservation. Furthermore B. petrii possesses two histidine kinase genes, bvgS1 and bvgS2, as well as a separate gene, coding for an Hpt-domain. Further putative virulence factors of B. petrii are adhesion factors. These play an important role in the infectious cycle of the classical Bordetellae to adhere e.g. to the epithelial cells of the respiratory tract. To assess a possible pathogenic potential of B. petrii, comparative cell culture studies with B. bronchiseptica were performed. They showed that the uptake of B. petrii into macrophages is 7,5 times less than the uptake of B. bronchiseptica. To learn about the function of the BvgAS-system in B. petrii, proteome studies with a BvgA-mutant were performed which indicate that the BvgAS-system in B. petrii might play a role in respiratory control and may react to changing oxygen availabilities. The genome sequencing project determined eight genomic islands which were investigated in this work regarding their structure and excision behaviour. We showed that all genomic islands, except island GI0, were able to excise from the B. petrii genome in different combinations and to form circular intermediates. Four of the genomic islands (GI1-GI3 and GI6) show structural similarity to a family of syntenic genomic islands also comprising the clc-element of Pseudomonas sp. strain B13. The island GI3 exhibits the highest similarity to the clc-element. Both islands are approximately of the same size and contain genes for 3-chlorobenzoate (3-CBA) degradation. Investigation of the GI3 stability revealed a loss of GI3 in 98,5 % of the bacteria after 125-150 generations. We further demonstrated the transfer of GI3 form B. petrii to B. bronchiseptica PS2 and also identified the integration site. In this work also a new phylogenetic tree of the genus Bordetella had to be created by integrating the recently described new B. petrii isolates which showed that the B. petrii isolates derived from different habitats form an independent cluster. KW - Mikrobiologie KW - Bordetella KW - Gentransfer KW - Bordetella petrii KW - genomische Inseln KW - BvgAS KW - Phylogenie KW - Integrase KW - Bordetella petrii KW - genomic island KW - BvgAS KW - phylogeny KW - integrase Y1 - 2008 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-34391 ER - TY - THES A1 - Dostal, Stefan T1 - Molekulare Differenzierung von Mykobakterien T1 - Molecular differentiation of Mycobacteria N2 - Die Differenzierung von Mykobakterien auf Speziesebene mithilfe von herkömmlichen biochemischen Testverfahren ist langwierig, was zu signifikanten Verzögerungen in der Diagnostik führt. Molekulare Identifizierung hingegen weist, verglichen mit der phänotypischen Identifizierung, zwei entscheidende Vorteile auf: es kommt dabei zu einem Geschwindigkeitszuwachs und zu einer höheren Genauigkeit des Diagnoseerfahrens. Der Informationsgehalt des 5’-Endes des 16S-rRNA-Gens ist ausreichend für die Identifizierung der meisten bakteriellen Spezies. Wegen der vielen fehlerhaften Datenbestände können öffentliche Sequenzdatenbanken die benötigten Referenzsequenzen jedoch nicht zur Verfügung stellen. Es wurde deshalb eigens eine Datenbank mit qualitativ hochwertigen Sequenzen geschaffen. Die Sequenzen beinhalten beide Stränge der 5’-16S-rDNA (E. coli-Position 54-510) von 125 Stammsammlungisolaten. Dabei wurden alle bis zum 31.03.2000 valide beschriebenen Arten (n=89) und einige weitere, bereits veröffentlichte Sequevare-Varianten eingeschlossen. Konnten Stämme anhand der 16S-Sequenzen nicht unterschieden werden, wurde zusätzlich die Sequenz der „Internal Transcribed Spacer Region“ bestimmt (n=45). Insgesamt existierten von den Stämmen, die anhand ihrer 16S-rDNA-Sequenz nicht eindeutig zu identifizieren waren, 77 Isolate in der öffentlichen Datenbank Genbank. Den neu analysierten Sequenzen gegenübergestellt weisen diese im paarweisen Vergleich eine durchschnittliche Diskrepanz von 4,31 Basen auf. Durch die vergleichende 5‘-16S-rDNA-Sequenzanalyse war es möglich 64 der 89 validen Spezies zu identifizieren (71.9%). Nach Hinzunahme der ITS-Sequenz war es möglich, weitere 15 Spezies zu differenzieren. Nur die Arten des M. tuberculosis complex, M. marinum und M. ulcerans und die M. avium Subspezies konnten weder durch 5‘16S-rDNA-Sequenzanalyse noch anhand der ITS-Sequenz differenziert werden. Die Sequenzen aller Stämme sind abrufbar in der Datenbank des RIDOM-Projekts (“Ribosomal Differentiation of Medical Microorganisms”). Weiterführende Informationen (z.B. taxonomischer oder medizinischer Art) vervollständigen zusammen mit einem Algorithmus zur genotypischen Identifizierung aller valide beschriebenen Mykobakterien dieses Angebot. Nach ausführlicher Analyse verschiedener Mykobakterien Spezies ist es nun in der Tat möglich, die meisten Mykobakterien Arten anhand der vergleichenden Seqenzanalyse der 16S-rDNA und ITS zu unterscheiden. Voraussetzung hierfür ist eine Datenbank mit qualitativ hochwertigen Referenzsequenzen. Bereits in naher Zukunft ist die Anwendung dieses Verfahrens im Routinebetrieb, v.a. in Referenzlaboratorien, denkbar. N2 - Differentiation of mycobacteria to the species level by conventional biochemical tests is laborious, leading to significant delays in diagnosis. Molecular identification on the other hand provides two primary advantages to phenotypic identification: rapid turn-around time and improved accuracy. The information content of the 5'-end of the 16S-rRNA gene is sufficient for identification of most bacterial species. However, sequence based identification is hampered by many faulty sequence entries in publicly accessible databases. In order to establish an improved 16S-rDNA sequence database for identification of clinical isolates both strands of the 5'-16S-rDNA (E. coli position 54-510) from 125 mycobacterial culture collection isolates were sequenced. All until 31.03.2000 valid described species (n=89) and some published sequevar variants were included. If the 16S rDNA sequences were not discriminatory enough, the internal transcribed spacer (ITS) region sequences (n=45) were also determined. In total 77 identical 16S-rDNA-strains had been sequenced by others before. Comparing these GenBank entries with our sequences, there were on average 4.31 differences. By 5'-16S-rDNA sequencing it was possible to identify 64 of 89 different mycobacterial species (71.9%). With the additional input of the ITS sequence, further 15 species could be differentiated. Only M. tuberculosis complex species, M. marinum and M. ulcerans and the M. avium subspecies could neither be differentiated by 5'-16S rDNA- nor by ITS-sequencing. The sequences are available for public similarity searches in the database of the RIDOM project (“Ribosomal Differentiation of Medical Microorganisms”). Further information (e.g. taxonomic, medical) together with an algorithm for genotypic identification of all mycobacteria complements this service. In conclusion, it could be shown in this exhaustive analysis of different mycobacterial species, that it is indeed possible to differentiate most mycobacterial species by sequence analysis of 16S-rDNA or ITS, if a high quality sequence reference database is available. This technique should be, therefore, considered for routine application especially in reference laboratories in the future. KW - Mykobakterien KW - molekulare Differenzierung KW - molekulare Identifizierung KW - Phylogenie KW - 16S-rDNA KW - Sequenzanalyse KW - Mycobacteria KW - molecular differentiation KW - molecular identification KW - phylogeny KW - 16S-rDNA KW - sequence analysis Y1 - 2001 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-3348 ER - 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 -