Identification of virulence factors of C. jejuni

Campylobacter jejuni ist der in Industrieländern am weitesten verbreitete bakterielle Erreger von Lebensmittelerkrankungen. Alleine in Deutschland werden pro Jahr etwa 60 000 Fälle beschrieben. Trotz der vollständigen Sequenzierung des Genoms ist über die Pathogenese der Erkrankung wenig bekannt. Erschwerend kommen der Mangel an einem effizienten genetischen Manipulationssystem, einem geeigneten Tiermodell, und die hohe Variabilität von Campylobacter jejuni Stämmen hinzu. Epidemiologische und phänotypische Studien deuten zudem auf eine große Variationsbreite der verschiedenen Campylobacter jejuni Stämme in Hinblick auf ihre Fähigkeit zur Kolonisierung, Invasion und Virulenz hin. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Laborstämme NCTC11168, NCTC11828, 81-176 und 83 klinische Isolate durch eine Kombination von biochemischen und molekularbiologischen Markern charakterisiert. 74 Isolate (89,2%) konnten hierbei als C. jejuni identifiziert werden, von denen 7 aufgrund des Fehlens von Hippurathydrolyse Aktivität als atypisch eingestuft wurden. Weitere 9 Isolate (10,8%) erwiesen sich als C. coli. Zusätzlich wurden 83 Campylobacter Isolate auf Tetrazyklinresistenz (Tcr), deren minimaler Hemmkonzentration (MHK) gegenüber Tetrazyklin, und auf die Lokalisation des tet(O) Gens hin untersucht. Tcr konnte bei 6 von 9 Campylobacter coli Isolaten (67%) und 13 von 74 Campylobacter jejuni Isolaten (18%) nachgewiesen werden, wobei sich die Tcr der C. coli Isloate als niedrig (MHK: 16 µg/ml für alle Stämme), die der C. jejuni Isolate jedoch als hoch (MHK: >256 µg/ml für alle Stämme) erwies. Sowohl eine hohe, als auch eine niedrige Tcr war an die Anwesenheit des tet(O) Gens gebunden, wobei sich tet(O) bei 54% der C. jejuni Isolate als Plasmid kodiert, bei den C. coli Isolaten jedoch als chromosomal lokalisiert erwies. Durch Transposonmutagenese chromosolaler DNA von C. jejuni wurde eine Bibliothek von 660 individuellen Mutanten generiert. Zusätzlich wurde ein BALB/c Mausmodell für ein in-vivo Screening der randomisierten Mutanten optimiert. Mit dem ersten genetische Screen der Mutanten-Bibliothek gelang die Identifizierung von 3 Mutanten mit eingeschränkter Beweglichkeit des Flagellarapparates. Die Sequenzierung der chromosomalen DNA dieser Mutanten zeigte eine jeweilige Insertion des Transposons in die Gene cj0793 und cj0955c. Während cj0955 für ein Protein unbekannter Funktion kodiert, ist cj0793 Bestandteil eines Zweikomponentensystems, welches einen zentralen Faktor für die bakterielle Motilität darstellt. Zusätzlich konnten mittels Elektronenmikroskopie Motilitätsmutanten mit und ohne Flagellum detektiert werden. Mit einem zweiten genetischer Screen gelang die Detektion einer osmosensitiven Mutanten mit Insertion des Transposons in Gen cj0009, das für die kleine Untereinheit der NADP H-abhängigen Glutamat Synthase kodiert. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass die PCR gestützte in-vivo Transposonmutagenese eine effektive Methode darstellt eine große Anzahl von C. jejuni-Mutanten zu generieren, und erfolgreich eingesetzt werden kann virulenzassoziierte Bestandteile dieses bedeutenden Erregers zu detektieren.Campylobacter jejuni is the most frequent bacterial cause of foodborne-illness in the developed world including Germany, where the reported number is 60,000 cases in a year. Despite the recent completion of its genome sequence, little is known about the pathogenesis of the disease caused by this bacterium. Different factors are reported to be contributing in this lack of understanding of the pathogenesis of campylobacteriosis, likewise, the unavailability of an efficient system of experimental genetics, the lack of appropriate animal models for the disease, and the genetic diversity of Campylobacter strains. Epidemiological and phenotypical studies suggest that strains of C. jejuni vary in their colonization and invasion abilities and most likely in their virulence potential. By considering all these factors we collected lab strains, NCTC11168, NCTC11828, 81-176 and eighty-three clinical isolates and more precisely determined them by combining biochemical and molecular markers; 74 isolates (89.2%) were identified as C. jejuni, including 7 atypical C. jejuni isolates that failed to hydrolyse hippurate, and 9 isolates (10.8%) as C. coli. The prevalence of tetracycline resistance (Tcr), tetracycline minimal inhibitory concentration (MIC), and tet(O) gene localization were also investigated in 83 Campylobacter isolates. Tcr was detected in 6 out of 9 Campylobacter coli isolates (67%) and 13 out of 74 C. jejuni isolates (18%). Tcr was low levelled for C. coli (MIC: 16 µg/ml for all strains) and high levelled for C. jejuni (MIC: >256 for all strains). Both, low levelled and high levelled Tcr was associated with the presence of the tet(O) gene. In C. jejuni, tet(O) was plasmid-encoded in 54%, whereas in C. coli, tet(O) seems to be located on the chromosome. Transposon mutagenesis of C. jejuni chromosomal DNA was performed by using the in-vivo transposition method, which produced a random transposon mutant library consisting of 660 individual mutants. The BALB/c mouse model was optimized for an in-vivo genetic screen of the random mutants. The first genetic screen of C. jejuni mutant library identified 3 mutants defective for their flagellar motility, an important virulence determinant of C. jejuni. Chromosomal DNA sequencing of these mutants revealed a single insertion in each of the two genes cj0793 and cj0955c, respectively. Furthermore, the analysis of sequenced DNA proved one of these genes, cj0955c, coding for unknown functions and the second gene, cj0793, was identified as the two component sensor, which is known as a central factor for flagellar motility. In addition, electron microscope analysis revealed flagellated and non-flagellated non-motile mutants of C. jejuni. The second genetic screen of C. jejuni revealed an osmo-sensitive mutant with an insertion in the gene cj0009 encoding the NADPH-dependent glutamate synthase small subunit. Overall, this study proved that the PCR based in-vivo transposon mutagenesis is an effective method to generate large number of mutants of C. jejuni and can be successfully applied to investigate virulence-associated apparatus of this important bacterial pathogen