Diss. (sammanfattning) Stockholm : Karolinska institutet, 2007. / Härtill 4 uppsatser.

Diss. (sammanfattning) Stockholm : Karolinska institutet, 2007. / Härtill 4 uppsatser.

Diss. (sammanfattning) Linköping : Linköpings universitet, 2006. / Härtill 4 uppsatser.

Thesis (Ph. D.)--University of Washington, 1999. / Vita. Includes bibliographical references (leaves 111-124).

Salmonella enterica serovar Typhimurium genome encodes 13 fimbrial operons. Most of the fimbriae encoded by these operons are not produced under laboratory conditions but are likely to be synthesized in vivo. We used an in vivo expression technology (IVET) strategy to identify four fimbrial operons, agf, saf, sti, and stc that are expressed in the spleen. When any three of these operons were deleted, the strain retained wild-type virulence. However, when all four operons were deleted, the resulting strain was completely attenuated, indicating that these four fimbriae play functionally redundant roles critical for virulence. In mice, oral doses of as low as 1 x 10(5) CFU of the strain with four fimbrial operons deleted provided 100% protection against challenge with 1 x 10(9) CFU of wild-type S. Typhimurium. We also examined the possible effect of these fimbriae on the ability of a Salmonella vaccine strain to deliver a guest antigen. We modified one of our established attenuated vaccine strains, chi 9088, to delete three fimbrial operons while the fourth operon was constitutively expressed. Each derivative was modified to express the Streptococcus pneumoniae antigen PspA. Strains that constitutively expressed saf or stc elicited a strong Th1 response with significantly greater levels of anti-PspA serum IgG and greater protective efficacy than strains carrying saf or stc deletions. The isogenic strain in which all four operons were deleted generated the lowest anti-PspA levels and did not protect against challenge with virulent S. pneumoniae. Our results indicate that these fimbriae play important roles, as yet not understood, in Salmonella virulence and immunogenicity. IMPORTANCE Salmonella enterica is the leading cause of bacterial food-borne infection in the United States. S. Typhimurium is capable of producing up to 13 distinct surface structures called fimbriae that presumably mediate its adherence to surfaces. The roles of most of these fimbriae in disease are unknown. Identifying fimbriae produced during infection will provide important insights into how these bacterial structures contribute to disease and potentially induce protective immunity to Salmonella infection. We identified four fimbriae that are produced during infection. Deletion of all four of these fimbriae results in a significant reduction in virulence. We explored ways in which the expression of these fimbriae may be exploited for use in recombinant Salmonella vaccine strains and found that production of Saf and Stc fimbriae are important for generating a strong immune response against a vectored antigen. This work provides new insight into the role of fimbriae in disease and their potential for improving the efficacy of Salmonella-based vaccines.

La bactérie Salmonella enterica sérovar Typhi est l’agent responsable de la fièvre typhoïde qui cause 20 millions de cas et plus de 200 000 morts annuellement. Elle possède plusieurs facteurs de virulence y compris 14 fimbriae, des structures protéiques que l’on retrouve à la surface de certaines bactéries. Plusieurs facteurs impliqués dans la chaîne de transport d'électrons (CTE) influencent l’expression du fimbriae fim, tel que Ndh, une NADH déshydrogénase (NADH-2), qui accepte et transmet les électrons du complexe I au pool de quinones entre le complexe II et III, et est un facteur majeur de la respiration aérobie chez les bactéries qui régit l'équilibre entrele NADH et NAD, et YqiC, une protéine multifactorielle et un facteur accessoire des ubiquinones, ont été identifiés comme activateur du fimbriae Fim. Notre hypothèse est que la CTE est impliquée dans la régulation du fimbriae fim. Nous voulions déterminer si la CTE régule l’expression du fimbriae fim de façon directe ou indirecte. Pour ce faire, nous avons déterminé le rôle du complexe I ; l’effet du stress oxydatif; et le rôle de l’accepteur final d’électron. Plusieurs mutants ont été créés par échange allélique et l’expression de fim chez ces mutants est quantifiée à l’aide d’un gène rapporteur, soit une fusion du promoteur fim avec le gène rapporteur lacZ. Pour déterminer le rôle du complexe I de la CTE, nous avons testé le mutant NDH-1 et NDH-2, qui s’avère à jouer un rôle important essentiel pour la régulation de fim. Pour évaluer l’effet du stress oxydatif, nous avons testé les mutants OxyR, SodB, la catalase KatG et les 3 peroxydases (Tpx, AhpC et TsaA) qui détoxifient les espèces réactives d’oxygènes (ROS) produites lors de la respiration. L’absence combinée de la catalase KatG et de la peroxydase AhpC empêche totalement l’expression de fim. Le rôle de l’accepteur final d’électron a été évalué par la présence ou absence d’oxygène, avec ou sans ajout de nitrate, nous suggérant un rôle important de YqiC pour la synthèse des transporteurs d’électrons, la génération d’ATP et le maintien du métabolisme bactérien en cas de stress oxydatif. Cette étude a permis d’identifier Ndh (NDH-2) comme une cible thérapeutique potentielle puisqu’elle ne se retrouve pas dans la chaîne d’électron de la mitochondrie chez les mammifères, donc chez les humains. Aussi, cette étude a permis de cibler les gènes détoxifiant essentiels à la régulation de fim, devenant eux aussi des cibles thérapeutiques potentielles. / The bacterium Salmonella enterica serovar Typhi is the causative agent of typhoid fever, which causes 20 million cases and more than 200,000 deaths annually. It has several virulence factors including 14 fimbriae, protein structures found on the bacterial surface. Several factors involved in the electron transport chain (ETC) influence expression of the fim fimbriae, such as Ndh, an NADH dehydrogenase (NDH-2), which accepts and transports electrons from complex I to the quinone pool between the complex II and III, and is a major factor in aerobic respiration in bacteria that governs the balance between NADH and NAD, and YqiC, a multifactorial protein and an ubiquinone biosynthesis accessory factor, have been identified as an activator of Fim fimbriae . Our hypothesis is that ETC is involved in the regulation of the fim fimbriae. Our aim was to determine whether ETC regulates the expression of the fim fimbriae directly or indirectly. To do this, we determined the role of complex I; the effect of oxidative stress; and the role of the final electron acceptor. Several mutants were created by allelic exchange and fim expression in these mutants was quantified using a reporter gene, i.e. a fusion of the fim promoter with the lacZ reporter gene. To determine the role of ETC complex I, we tested the NDH-1 and NDH-2 mutants, which appears to play an important role essential for fim regulation. To assess the effect of oxidative stress, we tested mutants of OxyR, SodB, catalase KatG and the 3 peroxidases (Tpx, AhpC and TsaA) which detoxify reactive oxygen species (ROS) produced during respiration. When both the catalase KatG and the peroxidase AhpC were mutated, the fim expression was totally turned off. The role of the final electron acceptor was evaluated by the presence or absence of oxygen, with or without addition of nitrate, suggesting an important role of YqiC for electron carrier synthesis, the generation of ATP and the maintain bacterial metabolism in the event of oxidative stress. This study made it possible to identify Ndh (NDH-2) as a potential therapeutic target since it is not found in the electron chain of the mitochondria in mammals, therefore in humans. Also, this study made it possible to target the detoxifying genes essential to fim regulation, also becoming potential therapeutics targets.

Les Escherichia coli entérohémorragiques (EHEC) sont des pathogènes majeurs pour l’homme responsables de toxi-infections alimentaires pouvant évoluer vers des complications potentiellement mortelles. La pathogénicité de ces souches est essentiellement due à la production de Shiga-toxines (Stx), même si d’autres facteurs semblent jouer un rôle important dans la virulence, comme des facteurs d’adhésion. La survie et la régulation des facteurs de virulence des EHEC dans l’environnement digestif humain sont des facteurs clés dans la pathogénicité bactérienne, mais restent à ce jour mal décrits, essentiellement en raison d’un manque de modèles d’étude adaptés. De plus, l’absence de traitement spécifique a conduit à s’intéresser à des moyens préventifs et/ou curatifs alternatifs, comme l’utilisation de probiotiques. L’objectif de ce travail de thèse est (i) de mieux comprendre le comportement de la souche de référence EHEC O157:H7 EDL933 dans l’environnement digestif humain simulé, et en particulier ses interactions avec le microbiote résident et l’épithélium intestinal, et (ii) d’évaluer l’effet antagoniste d’une souche de levure probiotique vis-à-vis de la survie, la virulence et l’interaction du pathogène avec l’épithélium intestinal, à l’aide d’approches in vitro et in vivo complémentaires. En modèles digestifs in vitro, la souche EHEC survit dans l’estomac, voire se multiplie dans les parties distales de l’intestin grêle, alors qu’elle ne se maintient pas dans l’environnement colique. Les gènes de virulence codant les Stx et des adhésines majeurs (intimine et « Long Polar Fimbriae » ou Lpf) sont surexprimés dès les parties hautes du tractus digestifs, et ce, même en absence de cellules épithéliales. Les conditions rencontrées dans le tractus digestif supérieur de l’enfant, comparativement à celui de l’adulte, conduisent à une survie et un niveau d’expression des gènes codant les Stx et les Lpf plus élevés chez l’enfant, ce qui peut contribuer à expliquer la grande sensibilité de cette population aux infections à EHEC. Enfin, les Lpf semblent jouent un rôle clé dans le ciblage spécifique des cellules M et le tropisme des EHEC pour les plaques de Peyer, et ce, à la fois in vitro (cellules M en culture) et in vivo (anses iléales murines). Même si elle ne modifie pas la survie du pathogène dans l’environnement colique, la levure probiotique S. cerevisiae CNCM I-3856 a montré des propriétés antagonistes intéressantes vis-à-vis d’EHEC O157:H7 en (i) modulant favorablement l’activité fermentaire du microbiote intestinal, (ii) diminuant significativement l’expression des gènes codant les Stx et (iii) inhibant la translocation bactérienne au travers des plaques de Peyer et les lésions hémorragiques associées. Par ailleurs, l’effet du pathogène et des probiotiques sur le microbiote colique est individu dépendant, confortant l’hypothèse que des facteurs associés à l’hôte, comme le microbiote, pourraient conditionner l’évolution clinique des infections à EHEC et l’efficacité d’une stratégie probiotique.Ce travail de thèse contribue à une meilleure compréhension du comportement des EHEC dans l’environnement digestif humain et confirme l’intérêt d’une stratégie probiotique dans la lutte contre le pathogène. Une étude plus approfondie du transcriptome du pathogène dans l’environnement digestif et une analyse par des méthodes haut débit du microbiote intestinal permettraient de continuer à mieux décrire la physiopathologie des infections à EHEC et comprendre les mécanismes associés à l’effet antagoniste des probiotiques. / The enterohemorrhagic Escherichia coli (EHEC) are major zoonotic pathogens responsible for food-borne infectionwhich leads to life-threatening complications in humans. The main virulence determinant of EHEC is the production of Shigatoxins (Stx), even if other factors seem to play an important role in virulence, such as adhesion factors. Survival and virulenceof EHEC strains in the human digestive environment are a key factor in bacterial pathogenesis but remains unclear owing tolack of relevant model. Moreover, no specific treatment has led to interest in preventative and / or curative alternatives, suchas using probiotics. The objective of this study is to better understand the behavior of the reference strain EHEC O157:H7EDL933 in the entire digestive tract, and in particular its interaction with the resident microbiota and the intestinal epithelium,and to evaluate the antagonistic effect of the probiotic yeast, Saccharomyces cerevisiae CNCM I-3856, using in vitro and in vivo complementary approaches.In vitro, bacterial mortality was noticed in the stomach, whereas bacterial growth resumption was observed in thedistal parts of the small intestine and the pathogen was not able to maintain in the human colonic conditions. Virulence genesencoding Stx and adhesins (intimin and “Long polar fimbriae”) are upregulated in the upper parts of the digestive tract. A ten-time higher amount of cells was found in the ileal effluents of infant compared to adult. stx genes were over-expressed (up to25-fold) in infant conditions compared to the adult ones. This results show that differences in digestive physicochemicalparameters of the upper gastrointestinal tract may partially explain why infants are more susceptible to EHEC infection thanadults. And finally, Lpf seem to play a key role in the interactions of EHEC with murine Peyer’s patches and are needed for anactive translocation of the pathogen across M cells, and both in vitro (M cells culture) and in vivo (murine ileal loops).S. cerevisiae had not effect on EHEC survival in the colonic environment but (i) favorably influenced gut microbiotaactivity through beneficial modulation of short chain fatty acid production, (ii) leading to significantly decrease stx expressionand (iii) significantly reduced EHEC translocation through M cells and inhibited in vivo interactions of the pathogen withPeyer’s patches and the associated hemorrhagic lesions. Probiotic had donor-dependent effect on the gut microbiota strengthenthe hypothesis that host-associated factors such as microbiota could influence the clinical evolution of EHEC infection and theeffectiveness of a probiotic strategy.This work contributes to a better understanding of the behavior of EHEC in the human digestive environment andconfirms the interest of probiotic strategy in controlling EHEC infections. Further transcriptome studies are warranted for thepathogen in the human digestive environment, with or without probiotics for the better understanding of the pathophysiologyof EHEC and so on the mechanisms involved in the antagonistic effect of probiotics.

Fímbrias do tipo IV estão associadas a diversos fenótipos em bactérias gram-negativas, e o presente estudo consistiu na caracterização da fímbria Pil e investigação de seu papel na adesão bacteriana de isolados de EPEC atípica. Por PCR e RT-PCR foram investigadas a presença e a funcionalidade do operon Pil e os resultados demonstraram que este está sendo transcrito somente nos isolados BA558 e BA956. Os genes pilS e pilV foram clonados em vetor de expressão para obtenção das proteínas Pil recombinantes e produção de anticorpos policlonais. A análise qualitativa dos testes de inibição da adesão utilizando os soros anti-PilS e anti-PilV juntos demonstraram que o isolado BA558 apresentou mudança de fenótipo de adesão. Esses resultados nos permitem concluir que o operon Pil está funcional em BA558 e BA956, e a expressão da fímbria Pil nessas cepas não está relacionada à formação de biofilme e autoagregação, porém a proteína fimbrial PilS juntamente com a adesina PilV parecem exercer uma função acessória importante na interação de BA558 às células HEp-2. / Type IV fimbriae are associated with several phenotypes in gram-negative bacteria. The aim of this study was the characterization of the Pil fimbria and its role in the interaction of atypical EPEC isolates in bacterial adhesion. Using PCR and RT-PCR, we investigated the presence and functionality of the pil operon genes. The results showed that these genes are transcribed only in the BA558 and BA956 isolates. The pilS and pilV genes were cloned into an expression vector for recombinant proteins and polyclonal antibodies production. Qualitative analysis of the adherence inhibition assays using both rabbit sera changed to localized-like the phenotype of BA558 isolate adhesion. Together, these results allow us to conclude that the Pil operon is functional only in the BA558 and BA956 isolates and that the expression of Pil fimbriae in aEPEC is not related to biofilm formation and autoaggregation but, the fimbrial PilS protein together with PilV adhesin seem to play an important accessory function in the interaction between the BA558 and epithelial cells in vitro.

Les diarrhées post-sevrages causées par des infections à Escherichia coli entérotoxinogène positif pour le fimbriae F4 (ETEC F4), entraînent des pertes économiques importantes chez les producteurs de porc. Depuis quelques années, l’utilisation de probiotiques, comme additif alimentaire pour prévenir ce type d’infection entérique et réduire les traitements aux antimicrobiens, suscite un intérêt grandissant en production porcine. Le but du présent travail est de déterminer l’influence de l’administration des probiotiques Pediococcus acidilactici (PA) et Saccharomyces cerevisiae boulardii (SCB) sur la colonisation et l’attachement des ETEC F4, l’accumulation de fluide intestinal et l’expression de cytokines dans l’iléon de porcelets sevrés. Dès la naissance, différentes portées de porcelets ont été affectées aux traitements suivants : PA, SCB, PA + SCB, témoin et témoin avec antibiotiques (ATB). Une dose quotidienne de probiotiques (1 × 109 UFC) a été administrée aux porcelets des groupes probiotiques durant la lactation et après le sevrage. Sept jours après le sevrage, à 28 jours d’âge, des porcelets positifs pour le récepteur intestinal spécifique pour F4 ont été infectés oralement avec une souche ETEC F4. Les porcelets ont été euthanasiés 24 heures après l’infection (jour 29) et différents échantillons intestinaux ont été prélevés. Chez les porcelets recevant des probiotiques, l’attachement des ETEC F4 à la muqueuse iléale était significativement diminué chez les groupes PA ou SCB en comparaison avec le groupe ATB. Finalement, l’expression de cytokines intestinales était plus élevée chez les porcs du groupe PA + SCB en comparaison avec les porcelets témoins. En conclusion, les résultats de cette étude suggèrent que l’administration de probiotiques pourrait être une alternative pour limiter les infections à ETEC F4 chez le porc. / Postweaning diarrhea (PWD) associated with F4-positive enterotoxigenic Escherichia coli (ETEC F4) causes important economic losses in swine production. Since a couple of years, the use of probiotics as feed additives to prevent such enteric infections and reduce the use of antimicrobial treatments, has gained in interest. The aim of the present study is to evaluate the effects of Pediococcus acidilactici (PA) and Saccharomyces cerevisiae boulardii (SCB), on ETEC F4 colonization and attachment, accumulation of intestinal fluid and cytokines expression in weaned pig’s ileum. At birth, different litters of pigs were allocated to the following treatments: PA, SCB, PA + SCB, control (CTRL) and control with antibiotics (ATB). Probiotics (1 × 109 CFU) were administered daily to probiotics group during the lactation period and after weaning. One week after weaning, at 28 days of age, all F4-receptor-positive pigs were orally challenged with an ETEC F4 strain. Pigs were slaughter 24 hours later (day 29) and different intestinal samples were collected. In pigs treated with PA or SCB, the attachment of ETEC F4 to the ileal mucosa was significantly reduced in comparison with the ATB group. Finally, intestinal cytokines were upregulated in PA + SCB group in comparison with the CTRL group. In conclusion, these results suggest that administration of probiotics could be an alternative to attenuate ETEC F4 infection in pigs.

Les diarrhées post-sevrages causées par des infections à Escherichia coli entérotoxinogène positif pour le fimbriae F4 (ETEC F4), entraînent des pertes économiques importantes chez les producteurs de porc. Depuis quelques années, l’utilisation de probiotiques, comme additif alimentaire pour prévenir ce type d’infection entérique et réduire les traitements aux antimicrobiens, suscite un intérêt grandissant en production porcine. Le but du présent travail est de déterminer l’influence de l’administration des probiotiques Pediococcus acidilactici (PA) et Saccharomyces cerevisiae boulardii (SCB) sur la colonisation et l’attachement des ETEC F4, l’accumulation de fluide intestinal et l’expression de cytokines dans l’iléon de porcelets sevrés. Dès la naissance, différentes portées de porcelets ont été affectées aux traitements suivants : PA, SCB, PA + SCB, témoin et témoin avec antibiotiques (ATB). Une dose quotidienne de probiotiques (1 × 109 UFC) a été administrée aux porcelets des groupes probiotiques durant la lactation et après le sevrage. Sept jours après le sevrage, à 28 jours d’âge, des porcelets positifs pour le récepteur intestinal spécifique pour F4 ont été infectés oralement avec une souche ETEC F4. Les porcelets ont été euthanasiés 24 heures après l’infection (jour 29) et différents échantillons intestinaux ont été prélevés. Chez les porcelets recevant des probiotiques, l’attachement des ETEC F4 à la muqueuse iléale était significativement diminué chez les groupes PA ou SCB en comparaison avec le groupe ATB. Finalement, l’expression de cytokines intestinales était plus élevée chez les porcs du groupe PA + SCB en comparaison avec les porcelets témoins. En conclusion, les résultats de cette étude suggèrent que l’administration de probiotiques pourrait être une alternative pour limiter les infections à ETEC F4 chez le porc. / Postweaning diarrhea (PWD) associated with F4-positive enterotoxigenic Escherichia coli (ETEC F4) causes important economic losses in swine production. Since a couple of years, the use of probiotics as feed additives to prevent such enteric infections and reduce the use of antimicrobial treatments, has gained in interest. The aim of the present study is to evaluate the effects of Pediococcus acidilactici (PA) and Saccharomyces cerevisiae boulardii (SCB), on ETEC F4 colonization and attachment, accumulation of intestinal fluid and cytokines expression in weaned pig’s ileum. At birth, different litters of pigs were allocated to the following treatments: PA, SCB, PA + SCB, control (CTRL) and control with antibiotics (ATB). Probiotics (1 × 109 CFU) were administered daily to probiotics group during the lactation period and after weaning. One week after weaning, at 28 days of age, all F4-receptor-positive pigs were orally challenged with an ETEC F4 strain. Pigs were slaughter 24 hours later (day 29) and different intestinal samples were collected. In pigs treated with PA or SCB, the attachment of ETEC F4 to the ileal mucosa was significantly reduced in comparison with the ATB group. Finally, intestinal cytokines were upregulated in PA + SCB group in comparison with the CTRL group. In conclusion, these results suggest that administration of probiotics could be an alternative to attenuate ETEC F4 infection in pigs.