A study of mechanisms involved in the pathogenicity of Enterococcus faecalis by DNA microarrays

Abstract

Traditionally considered a harmless commensal of the mammalian gastrointestinal tract, Enterococcus faecalis now rank among the leading causes of nosocomial infections worldwide. Several genetic determinants enhancing the virulence of E. faecalis have been characterized, but none of these appears to be indispensible for the pathogenicity of the organism. In this context, the focus of this thesis has been to acquire in-depth knowledge about the specific traits contributing to the success of this versatile pathogen, with DNA microarrays as the main working tool. Microarray-based comparison of gene content in E. faecalis isolated from Norwegian infants, contributed new insight into the genomic repertoire of commensal E. faecalis. Moreover, comparative genomic analysis of a larger collection of isolates identified a set of lineage-enriched genes which may contribute to the fitness of hospital-associated high-risk E. faecalis clonal complex 6 (CC6) strains. Preponderance of phage-related genes among the CC6-enriched genes, suggested a role of genome flexibility in hospital adaptation. Furthermore, significant enrichment of genes encoding surface-related structures may lead to antigenic variation, and may thus supply CC6 strains with a means to evade certain mechanisms of host defense. E. faecalis is intrinsically robust and has a unique ability to adapt to changing environments. Since the pathogenic potential of the bacterium may not only relay on the presence and absence of specific genetic traits, but also on gene regulation, transcriptional profiles were obtained for E. faecalis in the presence of bile, NaCl-induced osmotic shock and growth in urine. In general, these studied highlighted the importance of rapid adaptations in the expression of genes related to energy metabolism, transport systems, cell envelope rearrangements and general stress mechanisms in response to host-relevant growth environments. Moreover, the transcriptional analyses provided clues to hitherto undiscovered mechanisms of resistance associated with the various growth conditions investigated.

Enterococcus faecalis, som tradisjonelt sett har vært ansett som en harmløs del av tarmfloraen hos pattedyr, verserer nå på listen over de vanligste årsakene til sykehusinfeksjoner verden over. En rekke genetiske trekk som bidrar til alvorligheten av en E. faecalis infeksjon har blitt karakterisker, men ingen av disse har vist seg å være nødvendige for organismens evne til å forårsake sykdom. På bakgrunn av dette, har fokus for arbeidet omtalt i denne avhandlingen vært å tilegne seg en bedre forståelse av faktorene som bidrar til suksessen til denne allsidige patogenen, men DNA mikromatriser som hovedverktøy. Mikromatrise-baserte sammenligning av geninnhold i E. faecalis isolert fra norske spedbarn, ga økt innsikt i det genetiske repertoaret hos kommensale E. faecalis. Videre, ble det ved hjelp av komparative genomanalyser av en større gruppe isolater identifisert et sett med gener som var anriket blant stammer tilhørende høyrisiko-gruppen klonalt kompleks 6 (CC6). Stammer tilhørende denne gruppen er svært utbredt som årsak til infeksjoner, og da en stor andel av de anrikede genene var lokalisert innefor fag-relaterte områder på kromosomet, kan det tyde på at genomfleksibilitet spiller en viktig rolle i tilpasningen til sykehusmiljøet. Videre utgjorde også gener som koder for overflatestrukturer en signifikant andel av de anrikede genene. Variasjon i disse strukturene kan gi variasjon i antigenisitet, og dermed bidra til at bakterien unnslipper enkelte av vertens forsvarsmekanismer. E. faecalis er en hardfør organisme, og i tillegg svært tilpasningsdyktig. Differensiell regulering av ulike gener kan, på samme måte som forskjeller i geninnhold, bidra til bakteriens patogene potensiale. Transkripsjonsprofiler av E. faecalis dyrket i nærvær at galle, under NaCl-indusert osmotisk stress og i urin understreket viktigheten av tilpasninger i genekspresjon innenfor de funksjonelle kategoriene energimetabolisme, transport, cellevegg/-membran, samt generelle stressmekansimer under disse vertsrelevante vekstforholdene. Videre, ga analysene et innblikk inn i hittil ukjente resistensmekanismer assosiert med de spesifikke vekstbetingelsene.