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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-53483
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2011/5348/


Molecular Characterization of Enterohemorrhagic Escherichia coli (EHEC): 0 rough strains and the prevalence and importance of IS629 in E. coli O157:H7

Moleculare Charakterisierung von Enterohemorrhagischem Escherichia coli (EHEC): 0 rough Varianten und die Verteilung und Bedeutung von IS629 in E. coli O157:H7

Rump, Lydia Vanessa

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SWD-Schlagwörter: EHEC , Escherichia coli , Lebensmittelinfektion , STEC , Durchfall
Freie Schlagwörter (Deutsch): Enterohemorrhagische Colitis , HUS
Freie Schlagwörter (Englisch): Enterohemorrhagic Colitis
Basisklassifikation: 42.20 , 42.21 , 42.30
Institut: Chemie
DDC-Sachgruppe: Naturwissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Fischer, Markus, (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 16.09.2011
Erstellungsjahr: 2011
Publikationsdatum: 14.10.2011
Kurzfassung auf Englisch: Enterohemorrhagic Escherichia coli (EHEC) 0157:H7 is the most frequent cause of hemorrhagic colitis (HC) and haemolytic-uremic syndrome (HUS) worldwide. The definitive identification of E. coli O157:H7 in clinical or food samples is done serologically by testing for the presence of somatic O157 and flagellar H7 antigens. One atypical stx2 producing E. coli strain (MA6) was isolated from beef in Malaysia. It reacted positively for the H7 antigen, however negatively for the presence of the O157 antigen, yet carries the rfbE gene necessary for O157 biosynthesis. Therefore, MA6 is an E. coli O157:H7 strain genetically, however an O rough:H7 strain serologically. This trait makes it undetectable or unidentifiable with most serological assays used in clinical or food sample screening for E. coli O157:H7. The source of the lack of O157 antigen expression in MA6 was unknown. After PCR screening of genes involved in the O157 synthesis a 1,310 bp insertion, homologous to IS629, was observed within its gne gene, encoding an epimerase enzyme essential for the synthesis of an oligosaccharide subunit in the O157 antigen. Trans-complementation with a functional gne gene from O157:H7 restored O157 antigen expression in MA6. Shiga-toxigenic E. coli strains that are O rough:H7 due to inactivation of gne by IS629 (gne::IS629) were thought to be rare and to have unknown pathogenic potential. However recently, another O rough:H7 strain caused by gne::IS629 was isolated from a hemorrhagic colitis patient, suggesting that these strains are pathogenic and may not be as rare as previously thought. Insertion elements (IS) are known to play an important role in the evolution and genomic diversification of Escherichia coli O157:H7 lineages. In particular, IS629 has been found in multiple copies in the E. coli O157:H7 genome and is one of the most prevalent ISs in this serotype. Numerous IS629 insertion sites which are not uniformly distributed among strains were found in 4 E. coli O157:H7 genome and plasmid sequences. Although highly prevalent in E. coli O157:H7 genomes, IS629 is absent in SFO157 which are on a divergent pathway in the emergence of O157:H7. Although IS629 deficient, it permits IS629 transposition with an excision frequency higher than ancestral O55:H7 strains but significantly lower than highly pathogenic O157:H7 strains. Thus, high IS629 prevalence and high excision frequency in the O157:H7 genomes suggest that IS629 might not only contribute to the appearance of atypical pathogenic strains like O rough:H7 (IS629::gne mutant), but also might play an integral role in divergence, genome plasticity, and possibly the pathogenicity of this important and dangerous bacterial pathogen.
Kurzfassung auf Deutsch: Enterohemorrhagische Escherichia coli (EHEC) des Serotyps O157:H7 sind weltweit bekannt als die häufigste Ursache einer hämorrhagischen Colitis (HC) und Hauptauslöser des lebensbedrohlichen hämolytisch-urämischen Syndroms (HUS). E. coli O157:H7 wird in Routineuntersuchungen von Lebensmitteln und klinischen Proben mit Antiseren gegen das somatische O157 und das Geißel H7 Antigen nachgewiesen. Kürzlich wurde in Malaysia ein atypischer, Shiga-Toxin produzierender E. coli O157:H7 Stamm -MA6- aus Rindfleisch isoliert. Sowohl das H7 Antigen als auch das für die O157 Antigen Biosynthese spezifische rfbE Gen konnten in MA6 nachgewiesen werden, jedoch reagierte MA6 negativ für das O157 Antigen. Daher handelt es sich bei MA6 genetisch um einen O157:H7 Stamm, serologisch jedoch um einen O rough:H7 Stamm. Aufgrund dieser Eigenschaft ist MA6 mit den meisten serologischen E. coli O157:H7 Tests nicht identifizierbar oder nicht nachweisbar. Die Ursache für die Abwesenheit des O157 Antigens war jedoch unklar. Bei der Analyse aller in die O157 Biosynthese involvierten Gene wurde eine Einschiebung der Insertionssequenz (IS) IS629 in das offene Leseraster des gne Gens, welches essenziell für die Synthese einer Oligosaccharid Unterheinheit des O157 Antigens ist, detektiert. Die Trans-Komplementierung von MA6 mit einem funktionellen gne Gen stellte die O157 Antigen Synthese in diesem Stamm wieder her. Atypische, Stx-produzierende 0 rough:H7 E. Coli Stämme, die aufgrund einer gne::IS629 Mutation kein O157 Antigen aufweisen, sind bisher selten und von unbekannter Pathogenität. Allerdings wurde kürzlich ein 0 rough:H7 Stamm von einem HC-Patienten in Deutschland isoliert, was darauf schließen lässt, dass 0 rough:H7 Stämme pathogen und möglicherweise nicht so selten sind, wie zuvor angenommen, ISs sind dafür bekannt, eine wichtige Rolle in der Entwicklung und Diversifizierung von E. coli O157:H7 zu spielen. Das E. coli O157:H7 Genom trägt mehrere IS629 Kopien und ist außerdem das am Häufigsten vorhandene IS in diesem Serotyp. Es wurden zahlreiche IS629 Insertionsstellen in 4 E. coli O157:H7 Genom und Plasmiden identifiziert, die jedoch in den Stämmen ungleichmäßig verteilt sind. Darüber hinaus ist IS629 einzigartig für Nicht-Sorbitol fermentierende (NSF O157) O157:H7 Klone und konnte in den nah verwandten Sorbitol fermentierenden (SF O157) O157:H- Klonen, die sich auf einem divergenten Weg in der Entstehung von den heutigen O157:H7 Klonen ("E. coli O157:H7 stepwise model of evolution") befinden, nicht nachgewiesen werden. Die Abwesenheit von IS629 in den SF O157-Klonen ist aufgrund der nahen Verwandtschaft zu NSF O157 überraschend. Jedoch ist die Fähigkeit von IS629 sich zu mobilisieren, in den SF O157 nicht eingeschränkt. Erstaunlicherweise mobilisiert sich IS629 in den SF O157 Klonen sogar mit einer größeren Häufigkeit als in den O55:H7 Vorfahren, jedoch mit einer deutlich geringeren Häufigkeit als in den pathogenen O157:H7 Klonen. Die hohe Prävalenz von IS629 und die erhöhte IS629-Mobilisierung in O157:H7 könnte daher nicht nur eine wichtige Rolle in der Genom-Plastizität und der Divergenz von O157:H7 spielen, sondern auch zu der Entstehung von atypischen, pathogenen Stämmen wie O rough:H7 (gne::IS629) beitragen.

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