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In this thesis, I present three microscopy studies of surface growing Escherichia coli (E. coli ) microcolonies. All experiments were carried out by growing microcolonies on agarose pads, and imaging their growth using phase contrast, fluorescence and confocal microscopy. In the first project, the importance of spatial structure and growth strategies between competing populations of E. coli was studied. An agarose pad was seeded with bacterial cells and their colonisation success tracked. Cell lag-times and local cell density were found to play important roles in determining the eventual success of a colony. Arrangements of neighbouring cells were found to be partially responsible at high cell densities. These results were reproduced using a simple simulation, which also highlighted the importance of exponential expansion in determining colonisation success. The second project investigates the effect of confinement on growing microcolonies restricted to one plane (2d growth). Colonies were grown in agarose microchannels with different aspect ratios, and in unconfined environments. In particular internal physical colony structure and genealogical structure was studied by using single-cell tracking. Results showed that relatedness between cells was directionally biased (cells tended to be more closely related to cells at their poles, than to their side) regardless of the amount of spatial restriction. Furthermore, confinement caused cells to align with each other more, and induced high cell velocities at the colony edges driven by cell expansion. In the final project, growth of secondary layers in growing colonies of E. coli was studied. Cells initially grew as a monolayer, before invading the agarose bulk, producing a secondary layer. By analysing time-lapse movies, this layer was found to initially expand rapidly well in excess of cell growth rates and initial colony expansion rates, before slowing down. The initial secondary growth rate likely depends on the colony area at agarose invasion. Furthermore, the colony area when colonies invaded the agarose depended on their rate of growth, suggesting a complex interplay between forces exerted by the agarose, and by the colony.

Avian pathogenic Escherichia coli (APEC) represent a subset of the so-called extraintestinal pathogenic Escherichia coli (ExPEC) pathotype that can cause various extraintestinal infections in humans and animals. APEC are the causative agent of localized colibacillosis or systemic infection in poultry. In this latter case, the syndrome starts as an infection of the upper respiratory tract and develops into a systemic infection. Generally, ExPEC are characterized by a broad variety of virulence-associated factors that may contribute to pathogenesis. Major virulence factors, however, that clearly define this pathotype, have not been identified. Instead, virulence-associated genes of ExPEC and thus also of APEC could be used in a mix-and-match-fashion. Both pathotypes could not be clearly distinguished by molecular epidemiology, and this suggested a hypothetical zoonotic risk caused by APEC. Accordingly, the main scientific question of this study was to characterize common traits as well as differences of APEC and human ExPEC variants that could either support the possible zoonotic risk posed by these pathogenic E. coli strains or indicate factors involved in host specificity. Comparative genomic analysis of selected APEC and human ExPEC isolates of the same serotype indicated that these variants could not be clearly distinguished on the basis of (i) general phenotypes, (ii) phylogeny, (iii) the presence of typical ExPEC virulence genes, and (iv) the presence of pathoadaptive mutations. Allelic variations in genes coding for adhesins such as MatB and CsgA or their regulators MatA and CsgD have been observed, but further studies are required to analyze their impact on pathogenicity. On this background, the second part of this thesis focused on the analysis of differences between human ExPEC and APEC isolates at the gene expression level. The analysis of gene expression of APEC and human ExPEC under growth conditions that mimick their hosts should answer the question whether these bacterial variants may express factors required for their host-specificity. The transcriptomes of APEC strain BEN374 and human ExPEC isolate IHE3034 were compared to decipher whether there was a specific or common behavior of APEC and human ExPEC, in response to the different body temperatures of man (37°C) or poultry (41°C). Only a few genes were induced at 41 °C in each strain relative to growth at 37 °C. The group of down-regulated genes in both strains was markedly bigger and mainly included motility and chemotaxis genes. The results obtained from the transcriptome, genomic as well as phenotypic comparison of human ExPEC and APEC, supports the idea of a potential zoonotic risk of APEC and certain human ExPEC variants. In the third part of the thesis, the focus was set on the characterization of Mat fimbriae, and their potential role during ExPEC infection. Comparison of the mat gene cluster in K-12 strain MG1655 and O18:K1 isolate IHE3034 led to the discovery of differences in (i) DNA sequence, (ii) the presence of transcriptional start and transcription factor binding sites as well as (iii) the structure of the matA upstream region that account for the different regulation of Mat fimbriae expression in these strains. A negative role of the H-NS protein on Mat fimbriae expression was also proven at 20 °C and 37 °C by real-time PCR. A major role of this fimbrial adhesin was demonstrated for biofilm formation, but a significant role of Mat fimbriae for APEC in vivo virulence could not yet be determined. Interestingly, the absence of either a functional matA gene or that of the structural genes matBCDEF independently resulted in upregulation of motility in E. coli strains MG1655 and IHE3034 by a so far unknown mechanism. In conclusion, the results of this thesis indicate a considerable overlap between human and animal ExPEC strains in terms of genome content and phenotypes. It becomes more and more apparent that the presence of a common set of virulence-associated genes among ExPEC strains as well as similar virulence gene expression patterns and phylogenetic backgrounds indicate a significant zoonotic risk of avian-derived E. coli isolates. In addition, new virulence factors identified in human ExPEC may also play a role in the pathogenesis of avian ExPEC. / Vogelpathogene Escherichia coli (APEC) sind eine Untergruppe der sogenannten extraintestinal pathogenen Escherichia coli (ExPEC), welche Infektionen außerhalb des Verdauungstraktes beim Menschen und vielen Tieren verursachen können. ExPEC sind durch eine Vielzahl Virulenz-assoziierter Faktoren charakterisiert, die zur Pathogenese beitragen können. Haupt-Virulenzfaktoren, die eine eindeutige Zuordnung zu diesem Pathotyp erlauben, wurden jedoch noch nicht identifiziert. Die Virulenz bei ExPEC und somit auch bei APEC scheint auf der kombinierten Expression von Virulenzfaktoren zu beruhen. Beide Pathotypen können daher nicht eindeutig aufgrund des Genomgehaltes sowie molekularer Epidemiologie voneinander unterschieden werden. In der vorliegenden Arbeit sollten Gemeinsamkeiten sowie Unterschiede bei ausgewählten APEC- und humanen ExPEC-Isolaten des gleichen Serotyps untersucht werden, um nähere Hinweise auf ein Zoonoserisiko zu erhalten oder um Faktoren zu charakterisieren, die zur Wirtsspezifität beitragen können. Vergleichende Analysen des Genomgehaltes zeigten, dass diese Varianten nicht aufgrund (i) genereller Phänotypen, (ii) ihrer Phylogenie, (iii) der Anwesenheit typischer Virulenz-assoziierter Gene sowie (iv) pathoadaptiver Mutationen voneinander unterschieden werden können. Interessanterweise wurden bei manchen Isolaten Allelvariationen in Genen beobachtet, die für Adhäsine wie MatB und CsgA sowie für ihre Regulatoren (MatA und CsgD) kodieren. Ihre mögliche Bedeutung für die Virulenz muß jedoch weiter analysiert werden. Im zweiten Abschnitt dieser Arbeit wurde untersucht, ob sich eng verwandte Vogel- und humane ExPEC-Isolate hinsichtlich ihrer Genexpression unterscheiden. Um zu untersuchen, ob die Körpertemperatur des Menschen (37 °C) oder von Geflügel (41 °C) einen unterschiedlichen Einfluß auf die bakterielle Genexpression hat und somit zur Wirtsspezifität beitragen kann, wurden die Transkriptome des APEC-Stammes BEN374 und des humanen ExPEC-Stammes IHE3034 nach Anzucht in vitro bei 37 °C bzw. 41 °C miteinander verglichen. Wachstum bei 41 °C führte nur bei wenigen Genen zu einer Induktion der Genexpression, wohingegen die Anzahl der reprimierten Gene bei dieser Temperatur in beiden Stämmen deutlich höher war und vor allem auf eine reduzierte Beweglichkeit und Chemotaxis hindeutete. Die Ergebnisse von vergleichender Genomik, Transkriptomik und Phänotypisierung humaner ExPEC- und APEC-Stämme unterstützen somit die Annahme, dass es ein Zoonoserisiko zwischen manchen APEC- und humanen ExPEC-Isolaten gibt. Im dritten Teil dieser Arbeit stand die Charakterisierung der Mat Fimbrien- Expression in E. coli sowie ihre Rolle bei der Infektion im Mittelpunkt. Der Vergleich der kodierenden matABCDEF Determinanten im E. coli K-12 Stamm MG1655 und im humanen ExPEC O18:K1 Isolat IHE3034 zeigte Unterschiede in (i) der jeweiligen Nukleotidsequenz, (ii) der Anwesenheit von Transkriptionsstartpunkten und Transkriptionsfaktor-Bindungsstellen sowie (iii) der Struktur der „Upstream“-Region des Genclusters auf, die zur unterschiedlichen Fimbrienexpression in beiden Stämmen beitragen können. Eine Repression der Mat Fimbrienexpression durch das H-NS Protein wurde nachgewiesen. Zudem wurde gezeigt, dass Mat Fimbrien signifikant zur Biofilmbildung beitragen, wohingegen ein Beitrag zur in vivo-Virulenz nicht festgestellt wurde. Interessanterweise beeinflusste der MatA Regulator, aber auch die Mat Fimbrien- Strukturgene, die Flagellenexpression: die Abwesenheit von matA bzw. von matBCDEF führte in beiden E. coli Stämmen zu einer Induktion der Flagellenexpression und Motilität. Der zugrundeliegende Mechanismus ist noch unbekannt. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass es eine beträchtliche Überlappung des Genomgehaltes und der Phänotypen bei ExPEC-Stämmen, die von Menschen oder Tieren isoliert wurden, gibt. Das Vorhandensein eines gemeinsamen Virulenzgenpools, ihre Phylogenie und ähnliche Genexpressionsprofile legen nahe, dass ein Zoonoserisiko von APEC-Isolaten ausgehen kann. Die Identifizierung bislang unbekannter Virulenzfaktoren humaner ExPEC-Stämme kann sich daher auch auf das Verständnis der Pathogenese von APEC-Isolaten auswirken. Die Ergebnisse dieser Arbeit belegen auch, wie am Beispiel der Mat Fimbrien gezeigt, dass unterschiedliche E. coli-Phänotypen nicht nur auf einen unterschiedlichen Genomgehalt, sondern auch auf die unterschiedliche Regulation konservierter Determinanten zurückgeführt werden kann.