Dissertation submitted to the Faculty of Health Sciences, University of the Witwatersrand, Johannesburg, in fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science in Medicine. Johannesburg, 2015 / Pertussis, caused by Bordetella pertussis, is a vaccine-preventable disease affecting persons of all ages. Despite vaccination with either the whole-cell or acellular vaccine, the burden of pertussis has increased worldwide. The acellular vaccine was licensed in South Africa in 2009, replacing the whole-cell vaccine; however, due to no active surveillance, pertussis is underestimated in this country. This study describes the burden of disease caused by B. pertussis and other Bordetella species in patients with severe respiratory illness (SRI), influenza-like illness (ILI) and controls. Prospective, active surveillance was conducted amongst SRI and ILI patients and controls at two sentinel sites in South Africa. Patients who met the case definitions were enrolled from May 2012 to October 2014. Clinical and demographic data were collected. Induced sputum was collected from SRI patients only and combined nasopharyngeal/oropharyngeal specimens were collected from all patients and controls. Real-time polymerase chain reaction (PCR) was used to target the insertion sequences IS481, pIS1001, hIS1001 and pertussis toxin gene ptxS1. All data were analysed in Microsoft Excel (Microsoft Corporation). Statistical significance was determined using the chi-squared test and univariate logistic regression at p <0.05 for all parameters. Of 8569 cases that were enrolled and tested, 118 [1.4%, 118/8569 (95% CI 1.1 – 1.6)] were positive for B. pertussis of which 2% [80/3982 (95% CI 1.6 – 2.5)] presented with SRI, 1% [32/3243 (95% CI 0.7 – 1.4)] with ILI and 0.4% [6/1344 (95% CI 0.2 – 1.0)] were asymptomatic. Positive cases were stratified into confirmed pertussis and probable pertussis based on cycle threshold (Ct) value cut-offs generated by real-time PCR for IS481. Within the SRI population, there were more probable than confirmed pertussis cases [51/3982, 1.3% vs. 29/3982, 0.7%; p=0.02] and within the ILI group there were 0.5% confirmed and probable cases, respectively [15/3243, 0.5% vs. 17/3243, 0.5%; p=0.86]. The highest detection rate of pertussis in SRI positive cases was in the ≥65 year olds (2.8%, 6/208) and for the ILI positive cases the highest detection rate was in the 1-4 year olds (1.5%, 9/614). Pertussis disease was observed mainly in the winter and spring months with a 15% increase in disease detected in August 2014. The B. pertussis attributable fraction was 67% (95% confidence interval [CI] 18.49 – 86.63) for SRI positive cases. Fifty-eight percent (46/80) of B. pertussis positive cases were co-infected with respiratory bacteria (Streptococcus pneumoniae, Haemophilus influenzae, Legionella spp. or Mycoplasma pneumoniae) or viruses (influenza, respiratory syncytial virus (RSV), human metapneumovirus or other viruses (adenovirus, enterovirus, parainfluenza or rhinovirus). HIV status and full pertussis vaccination for age did not affect B. pertussis positivity. B. parapertussis was detected in 1% [40/3982 (95% CI 0.7 – 1.4)] of the SRI population, 0.6% [18/3243 (95% CI 0.3 – 0.9)] of the ILI population and in 0.1% [2/1344 (0.02 – 0.5)] of asymptomatic individuals. The highest detection rate for the SRI (1.6%, 8/497) and ILI (1.5%, 9/614) positive cases were in the 1-4 year olds. The B. parapertussis attributable fraction was 80% (95% confidence interval [CI] 12.52 – 95.38) for SRI cases. Four cases tested positive for B. bronchiseptica, of which one individual was HIV positive. B. pertussis, B. parapertussis and B. bronchiseptica were detected despite the case definitions not being ideal for the detection of these pathogens. Bordetella spp. was detected in all age groups tested. This study generates baseline data for pertussis in South Africa and surveillance is ongoing.

Universiẗat, Diss., 2007--Würzburg.

Bordetellen sind Gram-negative Kokkobazillen, die phylogenetisch zu den β-Proteobakterien zählen und in der Familie der Alcaligenaceae eingeordnet sind. Der bedeutendste Vertreter der Gattung, die nach heutigem Kenntnisstand neun Arten umfasst, ist Bordetella pertussis, der Erreger des Keuchhustens. Der Keim ist obligat humanpathogen und besitzt zahlreiche Virulenzfaktoren, um die Epithelzellen des Respirationstraktes zu besiedeln und zu zerstören, wodurch es zu dem charakteristischen Krankheitsverlauf kommt. Neben B. pertussis werden noch B. bronchiseptica und B. parapertussis dem sogenannten B. bronchiseptica-Cluster zugeteilt. Alle Vertreter des B. bronchiseptica-Clusters sind in der Lage, bei verschiedenen Wirtsspezies respiratorische Erkrankungen mit unterschiedlichem Schweregrad auszulösen. Dabei weist B. bronchiseptica ein breiteres Wirtsspektrum auf und kann Atemwegserkrankungen in einer Vielzahl von Säugetieren auslösen, wohingegen B. parapertussis vornehmlich Schafe und Menschen infiziert und bei letzteren eine schwächere Form des Keuchhustens bewirkt. Das Hfq-Protein wurde ursprünglich als Wirtsfaktor identifiziert, welcher für die Replikation des RNA-Phagen Qβ in Escherichia coli benötigt wird (host factor for Qβ oder HF-1). Es ist in Struktur und Funktion homolog zu den Sm-Proteinen aus Eukaryoten, die am Splicing von mRNAs involviert sind. Die Beteiligung des Hfq-Proteins an regulatorischen Vorgängen, die durch kleine nicht-kodierende RNAs (sRNAs) vermittelt werden, wurde erstmals in einer Studie zum Mechanismus der rpoS-Regulation durch die kleine regulatorische RNA OxyS ersichtlich. Seitdem konnte für eine Vielzahl an sRNAs gezeigt werden, dass sie an Hfq gebunden vorliegen und die Hilfe des Proteins bei der post-transkriptionellen Kontrolle ihrer Ziel-mRNAs benötigen. In dieser Hinsicht übernimmt Hfq die Rolle eines RNA-Chaperons, indem es trans-kodierte sRNAs stabilisiert und die Basenpaarung mit ihren Ziel-mRNAs fördert. Dabei beeinflusst die Bindung der sRNA-Regulatoren an ihre Ziel-mRNAs deren Translation, sowohl aktivierend als auch inhibierend. Bislang wurden Hfq-Homologe in der Hälfte aller sequenzierten Gram-positiven und Gram-negativen Bakterienarten gefunden. Eine BLAST-Analyse ergab, dass B. pertussis und B. bronchiseptica Homologe zum Hfq-Protein aufweisen und diese in der veröffentlichten Genomsequenz bereits als Hfq-Protein annotiert sind. Fokus dieser Arbeit war weitestgehend, die Funktion des Hfq-Proteins in B. pertussis und vergleichend in B. bronchiseptica zu charakterisieren. Mittels Primer Extension-Analyse konnte zunächst der Startpunkt des hfq-Transkripts in B. pertussis und B. bronchiseptica unter logarithmischen Wachstumsbedingungen bestimmt werden. Dieser Startpunkt war zudem unter stationären Wachstumsbedingungen und nach Hitzestress aktiv, was in Diskrepanz zur Beobachtung in E. coli steht. Ferner konnte festgestellt werden, dass die hfq-Transkription nach Induktion verschiedener Stressformen in beiden Organismen erhöht war. Nach Generierung der jeweiligen Δhfq-Mutanten in beiden Organismen wurden diese charakterisiert. Die B. pertussis Δhfq-Mutante zeigte ein deutliches Wachstumsdefizit gegenüber dem Wildtyp, im Gegensatz zu B. bronchiseptica Δhfq, die sich im Wachstum wie der Wildtyp verhielt. Beide Mutanten zeigten sich sensitiver gegenüber H2O2-Stress als der Wildtyp, nicht jedoch gegenüber weiteren oxidativen Stressbedingungen oder Membranstress induzierenden Substanzen. Die Δhfq-Mutante in B. pertussis war zudem in ihrer Fähigkeit zur Biofilmbildung beeinträchtigt, was jedoch nicht für B. bronchiseptica Δhfq galt. Da Hfq an sRNA-mRNA-Interaktionen, welche die Translation der mRNAs beeinflussen, beteiligt ist, sollte über 2D-Gelelektrophorese das Hfq-regulierte Proteom in B. pertussis und B. bronchiseptica bestimmt werden. Auffällig war, dass viele periplasmatische Transport-bindeproteine von der Δhfq-Mutation betroffen waren. Es zeigten sich aber auch Stoffwechselenzyme und wichtige Housekeeping-Faktoren, wie z. B. der Elongationsfaktor EF-Tu und das Chaperon GroEL, in der Δhfq-Mutante dereguliert. Generell scheint das Hfq-regulierte Proteom in B. pertussis und B. bronchiseptica nur einen kleinen Teil des gesamten Proteoms auszumachen. Zudem ist das Hfq-regulierte Proteom variabel zwischen verschiedenen Wachstumsbedingungen, aber auch zwischen den beiden Organismen trotz der engen Verwandtschaft. Die Expression ausgewählter Virulenzfaktoren zeigte keinen Unterschied zwischen Δhfq-Mutante und B. pertussis-Wildtyp. / Bordetellae are Gram-negative coccobacilli phylogenetically belonging to the β-group of proteobacteria and therein to the family of Alcaligenaceae. The most prominent member of the genus comprising nine species so far is Bordetella pertussis, the etiological agent of whooping cough. This organism is an obligatory human pathogen and expresses a variety of virulence factors in order to colonize and destroy the epithelial cells of the respiratory tract causing the characteristic symptoms of the disease. In addition to B. pertussis, B. bronchiseptica and B. parapertussis are assigned to the so-called B. bronchiseptica-cluster. All members of the B. bronchiseptica-cluster have the ability to cause respiratory symptoms with varying severity. B. bronchiseptica exhibits a broad host range causing respiratory symptoms in a variety of mammals, whereas B. parapertussis infects sheep and humans causing a milder form of whooping cough in the latter. The Hfq protein was originally identified as a host factor necessary for the replication of the RNA-phage Qβ in Escherichia coli (host factor for Qβ or HF-1). It is functionally and structurally homologous to Sm-proteins involved in splicing of mRNAs in eukaryotes. The involvement of Hfq in regulatory processes caused by small non-coding RNAs (sRNAs) was first recognized in a study on the mechanism of rpoS-regulation by the small regulatory RNA OxyS. Since then a variety of sRNAs were shown to be bound to Hfq and require its help for post-transcriptional control of their target-mRNAs. In this regard, Hfq functions as an RNA-chaperone by stabilizing trans-encoded sRNAs and their basepairing to target-mRNAs. Binding of the sRNA-regulators to their target-mRNAs thereby either activates or inhibits their translation. To date Hfq homologues were identified in half of all sequenced Gram-positive and Gram-negative bacterial species. BLAST analysis revealed that B. pertussis and B. bronchiseptica possess an Hfq homologue which has already been annotated as such in the published genome sequence. The main focus of this work was to characterize the function of the Hfq protein in B. pertussis as well as in B. bronchiseptica. By primer extension analysis we could identify the start of the hfq-transcript in B. pertussis and B. bronchiseptica under logarithmic growth conditions. This transcriptional start site was also active under stationary growth conditions and after heat shock which is discrepant from the observations in E. coli. Furthermore, it could be shown that the hfq-transcription was elevated in both B. pertussis and B. bronchiseptica under various stress conditions. Δhfq-mutants were established and characterized in both organisms. The Δhfq-mutant of B. pertussis exhibited a pronounced growth deficit in comparison to the wildtype whereas the Δhfq-mutant of B. bronchiseptica showed the same growth properties as the wildtype. Both Δhfq-mutants expressed a higher sensitivity to stress caused by H2O2 compared to the wildtype. However, there was no increased sensitivity of the Δhfq-mutants to other oxidative stress agents or membrane stress inducing agents. Furthermore, the Δhfq-mutant of B. pertussis but not the Δhfq-mutant of B. bronchiseptica was impaired in its ability to form biofilms. Since Hfq is involved in sRNA-mRNA-interactions affecting the efficient translation of mRNAs, the Hfq-regulated proteome of B. pertussis and B. bronchiseptica was determined by 2D-gelelectrophoresis. Strikingly, a variety of periplasmic binding proteins involved in transport were affected by the Δhfq-mutation. In addition, enzymes of various metabolic pathways and important housekeeping factors, such as elongation factor EF-Tu and the protein chaperone GroEL, were deregulated in the Δhfq-mutant. The Hfq-regulated proteome comprises generally only a small part of the complete proteome in B. pertussis and B. bronchiseptica. Furthermore, this Hfq-regulated proteome differs between certain growth conditions as well as between the two closely related organisms. No difference could be observed in the expression of selected virulence factors between B. pertussis Δhfq and wildtype.

ASTMH 64th Annual Meeting. October 25-29, 2015 Philadelphia Marriott Downtown Philadelphia, Pennsylvania USA / Acute respiratory infections (ARI) are the main cause of morbidity and mortality in children under 5 years worldwide. Bordetella pertussis is a highly contagious bacterium that can cause serious illness, and approximately half of infected infants less than 1 year old are hospitalized. Also, pertussis immunization series is not completed until six months of age, leaving young infants vulnerable to pertussis. In Peru, pertussis is an increasing health problem despite immunization efforts, and the role of B. pertussis in ARI is unknown. We determined the prevalence of B. pertussis among children under 5 years old admitted to Hospital Nacional Cayetano Heredia in Lima with diagnosis of ARI between Jan-2009 and Dec 2010. Epidemiological and clinical features were collected, and presence of B. pertussis was determined by PCR (pertussis toxin and IS481 gene). A total of 596 nasopharyngeal samples among children under 5 years were analyzed. In 114 (19.1%) samples were positive for B. pertussis. 32.5% of sample positive to B. pertussis were diagnosed as viral pneumonia at diagnosis. Importantly, 71.9% of cases were under 12 months of age and 58.8% have been contact with other ARI infected people. Significant differences in clinical symptoms between the total ARI cases and B. pertussis cases were not found. The most frequent symptoms in B. pertussis cases were fever (100%), rhinorrhea 78%, cough 71.9% and respiratory distress 60.5%. One child died due to the infection. B. pertussis cases showed a seasonal distribution with peaks during the months March June and November. This study shows the high prevalence of B. pertussis in infants who were hospitalized due to severe acute respiratory infections in Lima, Peru. Epidemiologic surveillance programs for B. pertussis are essential in the future in Peru

joruiz@clinic.ub.es / Objective: To characterize two Achromobacter xylosoxidans recovered from 2 patients diagnosed with pertussis during a Bordetella pertussis surveillance program. Methods: Nasopharyngeal swabs from 2 children under 1 year of age with clinical suspicion of pertussis were analyzed by culture and PCR. Results: Two Achromobacter xylosoxidans A8, closely related to Bordetella spp. were recovered from 2 patients diagnosed of pertussis, both carrying the ptxA gene and IS418 the pertussis toxin encoding gene. Subsequently, antibiotic susceptibility was evaluated by disk-diffusion method and by PCR. Conclusions: Although more detailed studies are needed, the present data highlight the possibility that Achromobacter xylosoxidans, closely related Bordetella pertussis microorganisms and not covered under the vaccine umbrella, might also result in cases of whooping cough. Thereby further surveillance is necessary to determine the extension and relevance of their pathogenic role in order to discriminate their real public health implication.

Die Histidin-Kinase BvgS des BvgAS-Zwei-Komponentensystems gehört zu den unorthodoxen Histidin-Kinasen, die im Gegensatz zu den klassischen Sensorkinasen durch eine komplexere Domänen-Struktur gekennzeichnet ist. Schon seit längerem ist bekannt, dass BvgS durch niedrige Temperaturen oder die Anwesenheit von chemischen Substanzen, wie Sulfationen oder Nikotinsäure inaktiviert wird. Zudem konnte in vitro gezeigt werden, dass die Autophosphorylierungs-Aktivität der BvgS Histidin-Kinase nach Inkubation mit oxidiertem Ubichinon inhibiert wird (Bock & Gross, 2002). Bislang ist weitgehend unklar, welche Bedeutung die zusätzlichen Domänen, wie die periplasmatische-, PAS- bzw. HPt-Domäne für die Signalwahrnehmung besitzen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde deshalb nach Erstellung einer B. bronchiseptica spezifischen Genbank mit Hilfe des GAL4-Yeast Two-Hybrid (YTH) Systems nach Interaktionspartnern der einzelnen BvgS-Domänen gesucht. Nach dem Ausschluss von falsch-positiven Klonen und dem Durchlauf entsprechender Kontrollen konnten im YTH-System für die periplasmatische und die PAS-Domäne von BvgS insgesamt vier Interaktionspartner identifiziert werden. Für die HPt-Domäne konnte mit Hilfe des YTH-Systems kein möglicher Interaktionspartner gefunden werden. Als ein putativer Interaktionspartner der BvgS-PAS-Domäne wurde das BB0602-Protein identifiziert, das ein ATP-Bindeprotein darstellt, welches als Bestandteil eines ABC-Transport-System für den Transport von verzweigten Aminosäuren verantwortlich gemacht wird. Diese Interaktion konnte mittels eines GST-Pulldownassays bestätigt werden. Der biochemische Nachweis der übrigen identifizierten Protein-Interaktionen konnte im Rahmen dieser Arbeit nicht erbracht werden. Die Ergebnisse des YTH-Screenings deuten darauf hin, dass die Aktivität der BvgS Histidin-Kinase und damit die Virulenzgenexpression durch die An- bzw. Abwesenheit von verzweigten Aminosäuren beeinflusst werden könnte. Im Rahmen dieser Arbeit konnte die Relevanz der Interaktion zwischen der PAS-Domäne und dem ATP-Bindeprotein BB0602 nicht näher charakterisiert werden, so dass in Zukunft unter anderem die Konstruktion einer B. bronschiseptica bb0602-Deletionsmutante geplant ist, um somit mögliche Auswirkungen auf die Expression von bvg-abhängigen Genen zu beobachten. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit lag in der Struktur-Funktionsanalyse des Response Regulators BvgA aus B. holmesii (BvgABH). Kürzlich konnte gezeigt werden, dass trotz der umfangreichen Sequenzkonservierung der BvgA-Proteine aus B. holmesii und B. pertussis, eine B. pertussis bvgA-Mutante nicht durch den bvgA-Lokus aus B. holmesii komplementiert werden konnte (Gerlach et al., 2004). Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein hybrider Response Regulator BvgAfus konstruiert, der aus der Receiver- und Linker-Domäne des BvgABH-Proteins und der Output-Domäne von BvgABP zusammengesetzt ist. Voraussetzung hierfür war die Kenntnis der einzelnen Domänengrenzen und die Sequenz des Linker-Bereiches des Response Regulators BvgA aus B. pertussis (BvgABP), welche durch limitierte Proteolyse und massenspektrometrische Methoden identifiziert wurden (Bantscheff et al., 2000). Im Falle des hybriden Proteins konnte im Gegensatz zu BvgABH eine Bindung an BvgABP-abhängige Promotorsequenzen beobachtet werden. Zudem war BvgAfus in der Lage, die Expression BvgABP-abhängiger Gene in vivo zu induzieren. Allerdings war es in seiner Phosphorylierungseffizienz im Vergleich zum wildtypischen Response Regulator-Protein aus B. holmesii eingeschränkt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die wenigen Abweichungen zwischen den Aminosäuresequenzen der Output-Domänen dafür verantwortlich sind, dass das BvgABH-Protein die Funktion von BvgABP in vivo und in vitro nicht übernehmen kann. So unterscheiden sich die Output-Domänen der Response Regulatoren aus B. pertussis und B. holmesii in zehn Aminosäureaustauschen, wobei davon vier Aminosäuren innerhalb des Helix-Turn-Helix-Motives verändert sind. Um zu untersuchen, ob die unterschiedlichen DNA-Binde- und transkriptionsaktivierenden Eigenschaften von BvgABH im Besonderen auf diese Aminosäureunterschiede zurückzuführen sind, wurden mittels ortspezifischer Mutagenese die Aminosäuresequenz innerhalb des Helix-Turn-Helix-Motives an die Sequenz aus B. pertussis angeglichen. Das resultierende Protein BvgABH* zeigte eine dem wildtypischen BvgABH-Protein ähnliche Phosphorylierungseffizienz, war aber nicht in der Lage, BvgABP-abhängige Zielsequenzen spezifisch zu erkennen bzw. die Funktion des BvgABP-Proteins in vivo zu ersetzen. Dieses Ergebnis lässt vermuten, dass die wenigen Aminosäureunterschiede der Output-Domäne außerhalb der DNA-Binderegion zwar nicht im Zusammenhang mit der Phosphorylierungseffizienz stehen, jedoch die DNA-Bindeeigenschaften beeinflussen. / The BvgS protein of the BvgAS two-component system belongs to the family of unorthodox histidine-kinases, which are characterized by a more complex domain-structure compared to the classical sensor proteins. Since a long time it is known that the activity of BvgS can be modulated by several external stimuli. At low temperature or in the presence of nicotinic acid or sulfate, the protein is inactivated in vivo and therefore the respective system is switched off under these conditions. Moreover, it has been shown that the incubation of BvgS with oxidized ubichinone had an inhibitory effect on the autophosphorylation activity of the kinase (Bock & Gross, 2002). So far, the relevance for the signal perception of the additional BvgS-domains, like the periplasmic, the PAS- or the HPt-domain is still unclear. Therefore in this work a self-constructed Bordetella bronchiseptica specific gene bank was screened with the periplasmic, the PAS- and the HPt-Domain of BvgS for protein-interactions in the GAL4-yeast two-hybrid (YTH) system. All together four putative protein-interactions were found in the case of the periplasmic and the PAS domain after exclusion of false-positive clones and after going through corresponding controls, while on the other hand no protein interaction could be detected for the HPt domain. Among the detected putative protein interactions of the PAS domain the protein BB0602 was identified as an ATP binding protein of an ABC transport system for branched chain amino acids. This interaction could also be verified by GST-pull down assay. The biochemical proof for the other protein interactions still remains to be done. The results of the YTH screening indicate that the activity of BvgS and therefore the virulence gene expression might be influenced by the presence or absence of branched chain amino acids. Among others characterization of a B. bronchiseptica bb0602 deletion mutant with respect to the possible effect on the expression of bvg-dependent genes will further elucidate the relevance of the detected protein interaction between the BvgS-PAS domain and the BB0602 protein. Another aim of this work was the structural and functional characterization of the response regulator BvgA of B. holmesii (BvgABH). Recently, it was shown that despite extensive sequence conservation between the response regulator BvgA of B. holmesii and BvgA of B. pertussis (BvgABP), the BvgABH protein is not able to replace the function of the BvgABP protein in vitro and in vivo (Gerlach et al., 2004). Therefore in this work a hybrid response regulator protein BvgAfus was constructed, which contains the receiver and the linker domain of BvgABH and the output domain of BvgABP. A Prerequisite for this experiment was the knowledge of domain borders and linker sequences of BvgABP, which have been identified by means of limited proteolysis in combination with mass spectrometric methods (Bantscheff et al., 2000). In contrast to the BvgABH protein, the hybrid response regulator BvgAfus showed binding to BvgABP-dependent promoter sequences. Additionally, BvgAfus was able to induce the expression of BvgABP-dependent genes in vivo. But compared to the wild-type protein BvgABH the hybrid response regulator BvgAfus was limited in its phosphorylation efficiency. These results indicate that the inability of BvgABH to complement BvgABP in B. pertussis is due to the small number of sequence variations present in its output domain. The output domains of BvgABH and BvgABP differ in ten amino acids of which four amino acid substitutions are located in the helix-turn-helix motif (HTH). To investigate whether the different binding and transcription activating properties of BvgABH are due to the sequence variations in the HTH, the sequence was adjusted as compared to BvgABP by means of site directed mutagenesis. The resulting protein BvgABH* showed similar phosphorylation efficiency compared to the wild-type protein BvgABH but no specific binding to BvgABP-dependent promoter sequences and was not able to replace BvgABP functionally in vivo. This result indicates that the few additional amino acid differences outside of the HTH present in the output domain of BvgABH which do not interfere much with the phosphorylation efficiency of the protein influence its DNA binding properties. The identification of further BvgABH regulated genes of B. holmesii and the characterization of BvgABH binding sites will help to further clarify the functional differences between the orthologous BvgA proteins of B. holmesii and B. pertussis.

Zur Gattung Bordetella gehören mehrere zum Teil sehr eng miteinander verwandte Keime, die bislang, mit Ausnahme des Umweltisolats B. petrii, ausschließlich in Assoziation mit einem Wirtsorganismus nachgewiesen werden konnten. Hierzu gehören zum einen die „klassischen“ Arten, deren pathogenes Potential vom obligat humanpathogenen Erreger des Keuchhustens, B. pertussis, dem ebenfalls humanpathogenen Keim B. parapertussis bis hin zu B. bronchiseptica, dem Erreger von Atemwegserkrankungen in verschiedenen Säugetieren, reicht. Zum anderen wurde dieser Gattung mit B. avium, B. hinzii, B. trematum, B. holmesii und B. petrii in den letzten Jahren „neue“ Arten zugeordnet, die zum Teil humanpathogenes, zum Teil tierpathogenes Potential besitzen. Da die evolutionären Beziehungen der „neuen“ Bordetella-Arten innerhalb der Gattung Bordetella bislang noch wenig untersucht wurden, wurde im Rahmen dieser Arbeit die Verbreitung und Konservierung von bekannten Bordetella-Genen und IS-Elementen bei den „neuen“ Bordetella-Arten untersucht. Aufgrund der vermehrten Hinweise auf ein humanpathogenes Potential von B. holmesii und seiner Assoziation mit einem dem Keuchhusten ähnlichen Krankheitsbild wurde der Schwerpunkt dieser Untersuchungen auf die Analyse der phylogenetischen Beziehungen zwischen B. holmesii und dem B. bronchiseptica-Cluster gelegt. Während durch den Nachweis der bei dem B. bronchiseptica-Cluster vorkommenden IS-Elemente IS481 und IS1001 die durch die 16S rDNA-Sequenz ermittelte Position von B. holmesii innerhalb des B. bronchiseptica-Clusters bestätigt werden konnte, ergab eine vergleichende Sequenzanalyse der in der Gattung Bordetella hoch konservierten Proteine OmpA, BvgA und BvgS die interessante Beobachtung, dass dieser Organismus in dieser Hinsicht viel mehr Ähnlichkeiten zu den „neuen“ Bordetella-Arten besitzt und in diesem Zusammenhang phylogenetisch eher im Umfeld von B. avium anzusiedeln ist. Bei der Charakterisierung von vier unterschiedlichen B. holmesii-Blutisolaten wurden im Rahmen dieser Arbeit zwei variante B. holmesii-Stämme identifiziert, die sich hinsichtlich der fehlenden Expression des intakten Response-Regulators BvgABH von wildtypischen B. holmesii-Isolaten unterscheiden. Im weiteren konnte gezeigt werden, dass bei diesen phasenvarianten Stämmen die fehlende Expression auf eine Punktmutation innerhalb der bvgABH-Nukleotidsequenz zurückzuführen ist. Diese wird in beiden Fällen an der selben Nukleotidposition durch die Insertion eines Adenosinrestes hervorgerufen. Obwohl dieser Sequenzabschnitt nicht durch eine repetitive Nukleotidfolge gekennzeichnet ist und somit keinerlei Ähnlichkeiten mit einer für Frameshift-Mutationen anfälligen Stelle besitzt, könnte es sich bei der identifizierten DNA-Region dennoch um einen „hot spot“ für eine Punktmutation handeln, da die zwei varianten B. holmesii-Stämmen unabhängig voneinander aus unterschiedlichen Blutkulturen isoliert wurden. Von besonderer Bedeutung war zudem die Beobachtung, dass sich unter diesen varianten Stämmen auch der bei den Stammsammlungen als Referenzstamm abgelegte B. holmesii-Stamm ATCC51541 befindet. Da im Rahmen dieser Arbeit keinerlei offensichtliche phänotypische Unterschiede zwischen den varianten und den wildtypischen B. holmesii-Stämmen festgestellt werden konnten, bleibt die Bedeutung der Phasenvariation bei B. holmesii bislang noch ungeklärt. Im weiteren wurde mit Hilfe eines „Genome Walks“ die an den bvgABH-Leserahmen angrenzenden DNA-Bereiche für B. holmesii ermittelt. Dabei konnte 5 bp nach dem bvgABH-Stoppcodon ein weiterer Leserahmen (bvgSBH) identifiziert werden, welcher Homologien zu der Histidinkinase BvgS aus B. pertussis besitzt. Interessanterweise stellte sich bei der Sequenzanalyse heraus, dass der Konservierungsgrad des bvgASBH-Locus aus B. holmesii und des bvgAS-Locus aus B. pertussis auf DNA-Ebene sehr gering ist. Diese Beobachtung erklärt wiederum, warum der bvgASBH-Genlocus aus B. holmesii früher nicht durch DNA/DNA- Hybridisierungs-Experimente mit einer B. pertussis spezifischen DNA-Sonde nachgewiesen werden konnte und sein Vorhandensein erst nach dem Einsatz von degenerierten Primern über PCR-Analysen detektiert werden konnte. Im weiteren konnte über den „Genome Walk“ gezeigt werden, dass die an dem bvgAS-Locus angrenzenden DNA-Bereiche innerhalb der Gattung Bordetella nicht konserviert sind. Zum einen ist der bvgASBH-Locus aus B. holmesii nicht wie bei dem B. bronchiseptica-Cluster in 5´-Richtung von dem fhaB-orthologen Genlocus benachbart, da sich an dieser Stelle ein weiterer, potentieller Response-Regulator befindet. Ebenso konnten stromaufwärts von bvgASBH keinerlei Hinweise auf das Vorhandensein eines, dem bvgR-Gen der „klassischen“ Arten orthologen Leserahmens erzielt werden. Über weitere Sequenzanalysen konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass der Promotorbereich des bvgASBH-Genlocus überraschenderweise keinerlei offensichtliche Sequenzhomologien zu dem entsprechenden Promotorbereich der bvgAup-Region der „klassischen“ Arten zeigt. Dennoch konnten über in silico-Analysen mehrere Sequenzmotive innerhalb der bvgABHup-Region identifiziert werden, die als „inverted repeat“-Strukturen angeordnet sind und die zum Teil eine hohe Übereinstimmung zu der für die „klassischen“ Bordetella-Arten beschriebene BvgA-Konsensussequenz 5´-T/A T T C C/T T A-3 besitzen. Während sich diese Wiederholungssequenzen hinsichtlich ihrer Symmetrie und ihrer Anordnung von denen innerhalb der für das B. bronchiseptica-Cluster beschriebenen bvgAup-Region unterscheiden, konnten auffällige Parallelen zu der Promotorregion des vag- (virulence activated gene) Gens bvgR festgestellt werden. Obwohl sowohl der Response-Regulator BvgABH aus B. holmesii als auch das BvgA-Protein aus B. pertussis in vitro an die „inverted repeat“ Strukturen der bvgABHup-Region binden kann, führte eine Analyse der GFP-Expression der Reportergenfusion bvgABHup-gfp zu der erstaunlichen Beobachtung, dass die Reportergenfusion in B. pertussis durch die Bindung des BvgA-Proteins reprimiert wird, während sie im Gegensatz dazu in B. holmesii durch die Bindung des BvgABH-Proteins aktiviert wird. Die molekulare Grundlage für diese unterschiedlichen Regulationsmechanismen konnte im Rahmen dieser Arbeit nicht ermittelt werden. Trotz einer umfangreichen Sequenzkonservierung zwischen dem Response-Regulator BvgABH aus B. holmesii und BvgA aus B. pertussis ist das BvgABH-Protein nicht in Lage, die Funktion des BvgA-Proteins aus B. pertussis in vitro bzw. in vivo zu ersetzen. Im Gegensatz dazu konnte mit Hilfe von Komplementationsexperimenten gezeigt werden, dass die Histidinkinase BvgSBH aus B. holmesii in der Lage ist, die Funktion des in dem B. pertussis Stamm 347 mutierten BvgS-Proteins zu übernehmen. Überraschenderweise unterschiedet sich jedoch das BvgSBH-Protein hinsichtlich der Wahrnehmung der Umweltstimuli von BvgS, da die Aktivität der Histidinkinase BvgSBH in dem hybriden B. pertussis Stamm BP 347 (pRK415-bvgASBH ATCC51541) nicht vollständig durch Sulfationen moduliert werden kann. Dies ist möglicherweise darauf zurückzuführen, dass im Gegensatz zu den cytoplasmatischen Regionen die BvgSBH- und BvgS- Sensorproteine vor allem in ihren sensorischen Bereichen einen sehr geringen Konservierungsgrad aufweisen. / Members of the genus Bordetella form a group of closely related organisms. With the exception of the environmental isolate B. petrii, Bordetella species were known until now exclusively in close association with host organsims. The three “classical” Bordetella species possess different pathogenic potential, ranging from the strictly human pathogen and etiological agent of whooping cough, B. pertussis and the likewise human pathogen B. parapertussis to B. bronchiseptica, which causes respiratory infections in a wide range of warm-blooded animals. On the other hand, within the past few years new species have been included in the genus Bordetella, namely, B. avium, B. hinzii, B. trematum, B. holmesii and B. petrii, which are pathogenic for human and/or animals. Since little is known about the phylogenetic relationship of the “new” Bordetella species within the genus Bordetella, these species were inverstigated considering the distribution and conservation of well-characterized Bordetella genes and IS elements. Because of the increasing indication of B. holmesii as an human pathogen and its association with pertussis-like symptomes these experiments were focused on the analysis of its phylogenetic relationship to the B. bronchiseptica cluster. Whereas the observation that the IS elements IS481 and IS1001, characteristic for the B. bronchiseptica cluster, are also found in B. holmesii, supports the 16S rDNA based close relationship of B. holmesii to the B. bronchiseptica cluster, the comparative analysis of OmpA, BvgA and BvgS protein sequences does not. In this regard, B. holmesii is more closely related to other “new” Bordetella species, being directly adjacent to B. avium. During the characterization of four different B. holmesii blood isolates, two variant B. holmesii strains were identified which differ from B. holmesii wild-type strains regarding the expression of the intact response regulator BvgABH. DNA sequence analysis revealed that the lack of expression of BvgABH arises from frameshift mutations which in both cases are due to the presence of an extra A residue within the bvgABH nucleotid sequence. Since the sequence around the site of this point mutation is not characterized by runs of a particular nucleotide there is no evidence for a “classical” context for frameshift mutations. Nevertheless, this DNA region may represent a “hot spot” for frameshift mutations as the two variant B. holmesii strains were isolated independently from different blood cultures. Remarkably, the type strain of B. holmesii is one of the two identified phasevariant strains. However, the role of phase variation in the natural biology of B. holmesii remains unclear since no obvious phenotypic differences could be detected between variant and wildtyp strains. Using the “genome walking” technique a bvgS orthologous gene (bvgSBH) was identified 5 bp downstream of the bvgABH stopcodon. DNA sequence analysis revealed that the bvgASBH locus of B. holmesii and the bvgAS locus of B. pertussis have very limited similarity at the DNA level explaining previous failures to identify the bvgASBH loci in B. holmesii using DNA/DNA hybridization studies and the necessity to make use of degenerate oligonucleotide primers to detect this orthologous genelocus via PCR. The “genom walking” approach further revealed that the flanking regions of the bvgAS loci are not conserved within the genus Bordetella since the bvgASBH locus is not immediately 5´ to the fhaB gene of B. holmesii. Instead, an open reading frame with similarity to a putative reponse regulator was detected upstream of bvgABH. Likewise no evidence of a bvgR homologous genlocus was detected downstream of bvgSBH. Further DNA sequence analysis additionally showed no obvious sequence similarities between the potential promoter region of the bvgASBH locus (bvgABHup) and the bvgAS promoter region of B. pertussis (bvgAup) but revealed the presence of several “inverted repeat” structures within the bvgABHup region which matches the BvgA binding site consensus sequence 5´-T/A T T C C/T T A-3. Whereas the symmetry and the organization of those structures are significantly different from those described within the bvgAup region, interessting similarities to the promoter region of the vag (virulene activated gene) gene bvgR could be identified. Although both, the response regulator BvgABH of B. holmesii and the BvgA protein of B. pertussis show nearly identical binding properties to the “inverted repeat” structures of the bvgABHup region in vitro, analysis of the reporter gene fusion bvgABHup-gfp leads to the observation that in B. pertussis binding of BvgA to the bvgABHup region results in repression of the reporter gene while, BvgABH binding activates GFP expression in B. holmesii. However, the molecular basis for these different regulatory mechanisms remain unclear. Despite extensive sequence conservation between the response regulator BvgABH of B. holmesii and BvgA of B. pertussis, the BvgABH protein is not able to replace the function of the BvgA protein in vitro and in vivo, respectively. In contrast, as was shown by complementation experiments, the histidine kinase BvgSBH of B. holmesii is able to replace the function of the mutated BvgS protein in the B. pertussis strain 347. Nevertheless, also interesting differences between the BvgSBH were identified considering signal recognition since the BvgSBH protein of the hybride B. pertussis strain BP 347 (pRK415-bvgASBH ATCC51541) is only weakly responsive to MgSO4. This may be due to the fact that, in contrast to the corresponding cytoplasmatic regions, the BvgSBH and BvgS sensor proteins are not well conserved in their predicted sensoric regions.

Thèse de doctorat : Sciences de la vie et de la santé. Biologie cellulaire et moléculaires des épithéliums : Paris 12 : 2004. / Version électronique uniquement consultable au sein de l'Université Paris 12 (Intranet). Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. : 332 réf.

Würzburg, Universiẗat, Diss., 2007. / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2006.

Würzburg, Univ., Diss., 2009. / Zsfassung in engl. Sprache.