Description and characterisation of a new pathogenicity island, integrated in selC of Locus of enterocyte effacement-negative Shiga Toxin-producing Escherichia coli

Shiga Toxin-produzierende Escherichia coli (STEC) verursachen Diarrhöen und hämorrhagische Colitis. Als lebensbedrohliche Komplikation können sie ein hämolytisch-urämisches Syndrom auslösen. Bisher identifizierte Virulenz-faktoren der STEC sind auf Bakteriophagen, Plasmiden und Pathogenitätsinseln kodiert. Bei der Mehrzahl der klinischen STEC-Isolate konnte die Pathogen-itätsinsel LEE (locus of enterocyte effacement) nachgewiesen werden. Der LEE ist stromabwärts des Gens für eine Selenocystein-tRNA (selC) ins Chromosom integriert. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Charakterisierung von STEC, denen der LEE fehlt und die funktionelle Analyse von potentiellen Virulenz-assoziierten Genen. Dabei wurde eine Fokussierung auf Gene vorgenommen, die im Bereich der selC-Region vorkommen. Mittels PCR wurde zunächst überprüft, ob bei den LEE-negativen STEC-Stämmen Fremd-DNA in der selC-Region integriert ist. Hierzu wurden 35 LEE-negative STEC getestet. Bei 13 Stämmen konnte eine Insertion von Fremd-DNA gezeigt werden. Von einem dieser Stämme (E. coli 4797/97, Serovar O91:H-) wurde aus einer Genbank ein die selC-Region enthaltendes DNA-Fragment identifiziert. Ein 37,7 kb großes Fragment dieses Cosmids wurde vollständig sequenziert. Die Analyse der gesamten Sequenz ergab 30 offene Leserahmen mit Längen zwischen 95 und 4092 bp. Der G+C-Gehalt betrug 47,4%. An mehreren Stellen wurden Bereiche mit hoher Homologie zu verschiedenen Insertionssequenzen, inverted repeats und Integrasen gefunden. Drei Leserahmen hatten eine hohe Homologie zu bereits bekannten Genen. Hierbei handelt es sich um die iha- , btuB- und espP-Gene von E. coli. Das iha-Gen kodiert für ein Adhärenz-vermittelndes Protein, btuB für den Vitamin B12 Rezeptor und espP für eine Serinprotease. Bei den iha-Adhäsinen und Serinproteasen handelt es sich um potentielle Pathogenitätsfaktoren. Der sequenzierte Bereich hat somit die charakteristischen Eigenschaften einer Pathogenitätsinsel: Die Präsenz von mehreren Pathogenitätsgenen und mobilen Elementen (Insertionselemente, Integrasen), die Lokalisation nahe an tRNA-Genen sowie ein veränderter G+C-Gehalt gegenüber dem Restgenom. Zur weiteren Charakterisierung des espI-Genprodukts wurde espI subkloniert. Bei der Untersuchung von Kulturüberständen zeigte sich, dass der Subklon DH5/pzh4 ein Protein von etwa 110 kDa sezernierte. In weiteren Experimenten konnte gezeigt werden, dass die Serinprotease des Stammes 4797/97 als 140,8 kDa großes Vorläuferprotein synthetisiert und während des anschließenden Exportvorganges sowohl N-terminal als auch C-terminal prozessiert wird. Das C-terminale Ende wirkt als Translokator durch die äußere Membran, wo es nach Abspaltung des reifen EspI-Proteins verbleibt. Das reife Protein weist eine Größe von 110,5 kDa auf. Der hier gezeigte Transportmechanismus ist charakteristisch für sogenannte Autotransporter-Proteine. Trotz der hohen Sequenzhomologie zur IgA1-Protease von Neisseria gonorrhoeae, die als Prototyp der Autotransporter-Proteine gilt, konnte für EspI keine Proteaseaktivität gegenüber IgA gezeigt werden. EspI weist auch hohe Sequenzhomologie zu Exoproteinen von Shigella flexneri (SepA, Mucinase und SigA), EHEC (EspP) und vogelpathogenen E. coli (Tsh) auf, allerdings konnte keines der Substrate dieser Proteasen von EspI gespalten werden. Dagegen konnte eine proteolytische Aktivität gegenüber Schweine-Pepsin A und Apolipoprotein A1 nachgewiesen werden. Die putative Virulenz und räumliche Nähe der Gene espI, btuB und iha macht diese Region zum interessantesten Stück der im Rahmen dieser Arbeit identifizierten neuen Pathogenitätsinsel. Eine PCR-Untersuchung zur Verbreitung dieser Gene zeigte, dass diese Region bei LEE-negativen STEC weit verbreitet ist. Inwieweit diese Pathogenitätsinsel einen Einfluss auf die Virulenz von STEC hat, muss in weiteren Experimenten geklärt werden.Shiga toxin-producing Escherichia coli (STEC) cause diarrhea and hemorrhagic colitis. As life-threatening disease they can trigger a hemolytic-uremic syndrome. Virulence factors of STEC identified so far are encoded on bacterio-phages, plasmids and pathogenicity islands. The majority of clinical STEC-isolates could be proven to harbour the pathogenicity island LEE (locus of enterocyte effacement). LEE is integrated in the chromosome downstream of the gene encoding a selenocystein-tRNA (selC). Target of this work was the characterisation of STEC lacking LEE and the functional analysis of potential virulence-associated genes. The focus was put on genes found in the selC-region. Using PCR analysis it was checked whether LEE-negative STEC-strains have integrated foreign DNA. Of 35 LEE-negative STEC 13 strains could be shown to have an insertion of foreign DNA. From one of these strains (E.coli 4797/97, serogroup O91:H-) a DNA-fragment was detected from a cosmid library that harboured the selC region. The sequence of a 37,7 kb long fragment of this cosmid was fully analysed. 30 open reading frames (ORF) between 95 and 4092 bp length were identified. The G+C-content was 47,4 %. In different parts the sequence shows a high homology to diverse insertion sequences, inverted repeats and integrase genes. Three ORF had high homology to already known genes, which are the iha- btuB- and espP-genes of E.coli. The iha-gene is encoding an adherence-conferring protein, btuB the receptor for vitamin B12 and espP a serine protease. Iha-adhesines and serine proteases are potential pathogenicity factors. Thus the sequenced area shows the character-istic attributes of a pathogenicity island: The presence of different pathogenicity genes and mobile elements (insertion elements, integrases), the localisation next to a tRNA-gene and a G+C-content different from that of the whole genome.We termed the espP-homologue espI for "extracellular serine protease encoded on an island". For further characterisation of its product, espI was subcloned. In the analysis of culture supernatants its size was about 110 kDa. In following experiments it could be proven that the serine protease of the strain 4797/97 is synthesised as a 140,8 kDa protein and cleaved on the N- and C-terminal part while its export through the cell membrane. The C-terminal part functions as a locater through the outer membrane, where it remains after the cleavage of the mature EspI-protein. The size of this mature protein is 110,5 kDa. The transport mechanism found here is characteristic for so called autotransporter-proteins. Despite the high sequence-homology to the IgA1-protease of Neisseria gonorrhoae, which is taken as prototype of autotransporter proteins, a proteolytic activity of EspI towards IgA could not be shown. There are also high sequence-homologies to exoproteins of Shigella flexneri (SepA, mucinase and SigA), EHEC (EspP) and avian pathogenic E.coli (Tsh). Nevertheless none of the substrates of these proteases could be cleaved by EspI. In contrast a pretolytic activity against swine pepsine A1 and apolipoprotein A1 could be shown.The putative virulence and the close location of the genes espI, btuB and iha make this region the most interesting part of the new pathogenicity island identified in this work. A PCR-analysis about the spreading of these genes showed, that this region is widespread amongst LEE-negative STEC. The influence of this pathogenicity island on the virulence of STEC has to be clarified in further experiments