Инактивация фимбрий типа 3 усиливает адгезию Klebsiella oxytoca к клеткам эпителия легких

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Бактерии Klebsiella oxytoca являются возбудителями различных внебольничных и внутрибольничных инфекций, в том числе инфекций мочевыводящих путей, внутрибольничной пневмонии, антибиотик-ассоциированной диареи, однако факторы вирулентности данного вида изучены недостаточно. С помощью разных субстратов нами охарактеризован адгезивный потенциал урологического изолята K. oxytoca NK-1. Показано, что этот штамм эффективно адгезирует к эпителиальным клеточным линиям, гликозилированным и негликозилированным белкам и полистиролу, а также вызывает агглютинацию клеток дрожжей, что указывает на наличие фимбрий типа 1 и 3 – органелл, обеспечивающих адгезию энтеробактерий к широкому кругу субстратов. В геноме K. oxytoca NK-1 обнаружены опероны фимбрий типа 1 и типа 3; оперон фимбрий типа 3 представлен двумя копиями. Сконструированы мутанты с инактивированными генами этих фимбрий. Показано, что инактивация генов фимбрий типа 1 не влияет на адгезию бактерий, в то время как инактивация генов фимбрий типа 3 повышает адгезию K. oxytoca NK-1 к клеткам эпителия легких (линия H1299); дополнительным индуктором повышенной адгезивности является манноза. При этом адгезия данного мутанта к другим субстратам не меняется. Полученные данные указывают на многофакторность аппарата адгезии K. oxytoca и возможность компенсаторной экспрессии или сверхэкспрессии генов других адгезинов в отсутствие фимбрий типа 1 и / или 3.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. Г. Гилязева

Казанский федеральный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: adeliyagilyazeva@gmail.com

Институт фундаментальной медицины и биологии

Россия, Казань, 420008

А. М. Марданова

Казанский федеральный университет

Email: adeliyagilyazeva@gmail.com

Институт фундаментальной медицины и биологии

Россия, Казань, 420008

Список литературы

  1. Yang J., Long H., Hu Y., Feng Y., McNally A., Zong Z. (2022) Klebsiella oxytoca сomplex: update on taxonomy, antimicrobial resistance, and virulence. Clin. Microbiol. Rev. 35, e0000621.
  2. Broberg C.A., Palacios M., Miller V.L. (2014) Klebsiella: a long way to go towards understanding this enigmatic jet-setter. F1000Prime Rep. 6, 64.
  3. Herzog K.A., Schneditz G., Leitner E., Feierl G., Hoffmann K.M., Zollner-Schwetz I., Krause R., Gorkiewicz G., Zechner E.L., Högenauer C. (2014) Genotypes of Klebsiella oxytoca isolates from patients with nosocomial pneumonia are distinct from those of isolates from patients with antibiotic-associated hemorrhagic colitis. J. Clin. Microbiol. 52, 1607–1616.
  4. Cosic A., Leitner E., Petternel C., Galler H., Reinthaler F.F., Herzog-Obereder K.A., Tatscher E., Raffl S., Feierl G., Högenauer C., Zechner E.L., Kienesberger S. (2021) Variation in accessory genes within the Klebsiella oxytoca species complex delineates monophyletic members and simplifies coherent genotyping. Front. Microbiol. 12, 692453.
  5. Sibi G., Kumari P. Kabungulundabungi N. (2014) Antibiotic sensitivity pattern from pregnant women with urinary tract infection in Bangalore, India. Asian Pac. J. Trop. Med. 7S1, S116–S120.
  6. Singh L., Cariappa M.P., Kaur M. (2016) Klebsiella oxytoca: an emerging pathogen? Med. J. Armed Forces India. 72S1, S59–S61.
  7. Papajk J., Mezerová K., Uvízl R., Štosová T., Kolář M. (2021) Clonal diversity of Klebsiella spp. and Escherichia spp. strains isolated from patients with ventilator-associated pneumonia. Antibiotics. 10, 674.
  8. Neog N., Phukan U., Puzari M., Sharma M., Chetia P. (2021) Klebsiella oxytoca and emerging nosocomial infections. Curr. Microbiol. 78, 1115–1123.
  9. Yang J., Long H., Hu Y., Feng Y., McNally A., Zong Z. (2022) Klebsiella oxytoca сomplex: update on taxonomy, antimicrobial resistance, and virulence. Clin. Microbiol. Rev. 35, e0000621.
  10. Han Y., Jia Z., Shi J., Wang W., He К. (2022) The active lung microbiota landscape of COVID-19 patients through the metatranscriptome data analysis. Bioimpacts. 12, 139–146.
  11. Maebed A.Z.M., Gaber Y., Bakeer W., Dishisha T. (2021) Microbial etiologies of ventilator-associated pneumonia (VAP) in intensive care unit of Beni-Suef University´s Hospital. Beni Suef Univ. J. Basic. Appl. Sci. 10, 41.
  12. Hidron A.I., Edwards J.R., Patel J., Horan T.C., Sievert D.M., Pollock D.A., Fridkin S.K., National Healthcare Safety Network Team; Participating National Healthcare Safety Network Facilities (2008) NHSN annual update: antimicrobial-resistant pathogens associated with healthcare-associated infections: annual summary of data reported to the National Healthcare Safety Network at the Centers for Disease Control and Prevention, 2006–2007. Infect. Control Hosp. Epidemiol. 29, 996–1011.
  13. Choi M., Tennant S.M., Simon R., Cross A.S. (2019) Progress towards the development of Klebsiella vaccines. Expert. Rev. Vaccines. 18, 681–691.
  14. Lau W.Y.V., Taylor P.K., Brinkman F.S.L., Lee A.H.Y. (2023) Pathogen-associated gene discovery workflows for novel antivirulence therapeutic development EBioMedicine. 88, 104429.
  15. Sarowska J., Futoma-Koloch B., Jama-Kmiecik A., Frej-Madrzak M., Ksiazczyk M., Bugla-Ploskonska G., Choroszy-Krol I. (2019) Virulence factors, prevalence and potential transmission of extraintestinal pathogenic Escherichia coli isolated from different sources: recent reports. Gut. Pathog. 11, 10.
  16. Mol O., Oudega B. (1996) Molecular and structural aspects of fimbriae biosynthesis and assembly in Escherichia coli. FEMS Microbiol. Rev. 19, 25–52.
  17. Jin X., Marshall J.S. (2020) Mechanics of biofilms formed of bacteria with fimbriae appendages. PLoS One. 15, e0243280.
  18. Waksman G., Hultgren S.J. (2009) Structural biology of the chaperone-usher pathway of pilus biogenesis. Nat. Rev. Microbiol. 7, 765–774.
  19. Hornick D.B., Allen B.L., Horn M.A., Clegg S. (1991) Fimbrial types among respiratory isolates belonging to the family Enterobacteriaceae. J. Clin. Microbiol. 29, 1795–1800.
  20. Ghasemian A., Mobarez A.M., Peerayeh S.N., Bezmin Abadi A.T. (2018) The association of surface adhesin genes and the biofilm formation among Klebsiella oxytoca clinical isolates. New Microbes New Infect. 27, 36–39.
  21. Podschun R., Heineken P., Sonntag H.G. (1987) Haemagglutinins and adherence properties to HeLa and intestine 407 cells of Klebsiella pneumoniae and Klebsiella oxytoca isolates. Zentralbl. Bakteriol. Mikrobiol. Hyg A. 263, 585–593.
  22. Würker M., Beuth J., Ko H.L., Przondo-Mordarska A., Pulverer G. (1990) Type of fimbriation determines adherence of Klebsiella bacteria to human epithelial cells. Zentralbl Bakteriol. 274, 239–245.
  23. Chan W.T., Verma C.S., Lane D.P., Gan S.К. (2013) A comparison and optimization of methods and factors affecting the transformation of Escherichia coli. Biosci. Rep. 33, e00086.
  24. Duguid J.P. (1959) Fimbriae and adhesive properties in Klebsiella strains. J. Gen. Microbiol. 21, 271–286.
  25. Datsenko K.A., Wanner B.L. (2000) One-step inactivation of chromosomal genes in Escherichia coli K-12 using PCR products. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 97, 6640–6645.
  26. Doublet B., Douard G., Targant H., Meunier D., Madec J.Y., Cloeckaert A. (2008) Antibiotic marker modifications of lambda Red and FLP helper plasmids, pKD46 and pCP20, for inactivation of chromosomal genes using PCR products in multidrug-resistant strains. J. Microbiol. Meth. 75, 359–361.
  27. Aberg A., Shingler V., Balsalobre C. (2006) (p)ppGpp regulates type 1 fimbriation of Escherichia coli by modulating the expression of the site-specific recombinase FimB. Mol. Microbiol. 60, 1520–1533.
  28. Ali R., El-Boubbou K., Boudjelal M. (2021) An easy, fast and inexpensive method of preparing a biological specimen for scanning electron microscopy (SEM). MethodsX. 8, 101521.
  29. Giliazeva A.G., Shagimardanova E.I., Shigapova L.H., Pudova D.S., Sharipova M.R., Mardanova A.M. (2019) Draft genome sequence and analysis of Klebsiella oxytoca strain NK-1 isolated from ureteral stent. Data Brief. 24, 103853.
  30. Khetrapal V., Mehershahi K., Rafee S., Chen S., Lim C.L., Chen S.L. (2015) A set of powerful negative selection systems for unmodified Enterobacteriaceae. Nucl. Acids Res. 43, e83.
  31. Wagner M. (1964) Eine Methode für den direkten Nachweis von Desoxyribonukleasen nach Elektrophorese in Agargel. J. Chromatogr. 14, 107–108.
  32. Hornick D.B., Allen B.L., Horn M.A., Clegg S. (1992) Adherence to respiratory epithelia by recombinant Escherichia coli expressing Klebsiella pneumoniae type 3 fimbrial gene products. Infect. Immun. 60, 1577–1588.
  33. Jagnow J., Clegg S. (2003) Klebsiella pneumoniae MrkD-mediated biofilm formation on extracellular matrix- and collagen-coated surfaces. Microbiology (Reading). 149, 2397–2405.
  34. Bulard E., Fontaine-Aupart M.P., Dubost H., Zheng W., Bellon-Fontaine M.N., Herry J.M., Bourguignon B. (2012) Competition of bovine serum albumin adsorption and bacterial adhesion onto surface-grafted ODT: in situ study by vibrational SFG and fluorescence confocal microscopy. Langmuir. 28, 17001–17010.
  35. Schwan W.R. (2011) Regulation of fim genes in uropathogenic Escherichia coli. World J. Clin. Infect. Dis. 1, 17–25.
  36. Venkitapathi S., Wijesundara Y.H., Cornelius S.A., Herbert F.C., Gassensmith J.J., Zimmern P.E., De Nisco N.J. (2022) Conserved FimK truncation coincides with increased expression of type 3 fimbriae and cultured bladder epithelial cell association in Klebsiella quasipneumoniae. J. Bacteriol. 204, e0017222.
  37. Aravind L., Anantharaman V., Balaji S., Babu M.M., Iyer L.M. (2005) The many faces of the helix-turn-helix domain: transcription regulation and beyond. FEMS Microbiol. Rev. 29, 231–262.
  38. Huang Y.J., Liao H.W., Wu C.C., Peng H.L. (2009) MrkF is a component of type 3 fimbriae in Klebsiella pneumoniae. Res. Microbiol. 160, 71–79.
  39. Schroll C., Barken K.B., Krogfelt K.A., Struve C. (2010) Role of type 1 and type 3 fimbriae in Klebsiella pneumoniae biofilm formation. BMC Microbiol. 10, 179.
  40. Murphy C.N., Mortensen M.S., Krogfelt K.A., Clegg S. (2013) Role of Klebsiella pneumoniae type 1 and type 3 fimbriae in colonizing silicone tubes implanted into the bladders of mice as a model of catheter-associated urinary tract infections. Infect. Immun. 81, 3009–3017.
  41. Cho T.H.S., Wang J., Raivio T.L. (2022) NlpE is an OmpA-associated outer membrane sensor of the Cpx envelope stress response. Cold Spring Harb. Protoc. doi: 10.1101/2022.10.18.512811
  42. Hunke S., Keller R., Müller V.S. (2012) Signal integration by the Cpx-envelope stress system. FEMS Microbiol. Lett. 326, 12–22.
  43. Müller C.M., Aberg A., Straseviçiene J., Emody L., Uhlin B.E., Balsalobre C. (2009) Type 1 fimbriae, a colonization factor of uropathogenic Escherichia coli, are controlled by the metabolic sensor CRP-cAMP. PLoS Pathog. 5, e1000303.
  44. Zhang H., Susanto T.T., Wan Y., Chen S.L. (2016) Comprehensive mutagenesis of the fimS promoter regulatory switch reveals novel regulation of type 1 pili in uropathogenic Escherichia coli. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 113, 4182–4187.
  45. Snyder J.A., Haugen B.J., Lockatell C.V., Maroncle N., Hagan E.C., Johnson D.E., Welch R.A., Mobley H.L. (2005) Coordinate expression of fimbriae in uropathogenic Escherichia coli. Infect. Immun. 73, 7588–7596.
  46. Wu C.C., Huang Y.J., Fung C.P., Peng H.L. (2010) Regulation of the Klebsiella pneumoniae Kpc fimbriae by the site-specific recombinase KpcI. Microbiology (Reading). 156(Pt 7), 1983–1992.
  47. Zhou K., Lokate M., Deurenberg R.H., Arends J., Lo-Ten Foe J., Grundmann H., Rossen J.W., Friedrich A.W. (2015) Characterization of a CTX-M-15 producing Klebsiella pneumoniae outbreak strain assigned to a novel sequence type (1427). Front. Microbiol. 6, 1250.
  48. Stahlhut S.G., Struve C., Krogfelt K.A., Reisner A. (2012) Biofilm formation of Klebsiella pneumoniae on urethral catheters requires either type 1 or type 3 fimbriae. FEMS Immunol. Med. Microbiol. 65, 350–359.
  49. Fire A.Z. (2007) Gene silencing by double-stranded RNA. Cell Death Differ. 14, 1998–2012.
  50. Wei L., Qiao H., Sit B., Yin K., Yang G., Ma R., Ma J., Yang C., Yao J., Ma Y., Xiao J., Liu X., Zhang Y., Waldor M.K., Wang Q. (2019) A bacterial pathogen senses host mannose to coordinate virulence. iScience. 20, 310–323.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Адгезивный потенциал К. oxytoca NK-1. С помощью сканирующей электронной микроскопии (увеличение 15000× и 2000×) показано, что бактерии способны адгезировать как к живым клеткам эпителия мочевого пузыря 5637 (а), так и к стеклу (б).

Скачать (343KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Сравнительный анализ генных кластеров, ответственных за продукцию фимбрий типа 1 (а) или типа 3 (б), в геномах К. pneumoniae и К. oxytoca. Под генами представлены гипотетические генные продукты в аминокислотных остатках (а.о.). Цветная шкала – степень идентичности сравниваемых генов.

Скачать (449KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Верификация мутантных штаммов К. oxytoca NK-1 (а) и схематичное изображение генотипов полученных мутантов (б). Генетические детерминанты фимбрий типа 1 и 3, которые обеспечивают адгезию энтеробактерий к биотическим и абиотическим поверхностям, инактивированы. Элиминацию генов адгезинов или целых оперонов фимбрий подтверждали с помощью ПЦР, используя пары праймеров к удаляемым элементам генома: генам адгезинов fimH и mrkD, оперонам fim, mrk1 и mrk2. Размеры амплификатов (п.н.), определенные с помощью электрофореза в агарозном геле, указаны на электрофореграммах. М – ДНК-маркер, дт – дикий тип, kan – мутантный тип до элиминации гена устойчивости к канамицину, мт – мутантный тип.

Скачать (304KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Адгезивные фенотипы мутантов с инактивированными фимбриями типов 1 и/или 3. Чтобы оценить влияние инактивации фимбрий на адгезию К. oxytoca NK-1 к клеткам эпителия легких H1299 (а), эффективность адгезии (%) каждого мутантного штамма рассчитывали как соотношение уровней адгезии мутантного штамма и штамма дикого типа, принятого за 100%. Чтобы оценить влияние маннозы на адгезию штаммов дикого типа и мутантов (б), рассчитывали эффективность адгезии (%) каждого штамма – отношение уровня адгезии после обработки маннозой (опыт) к уровню адгезии до обработки, принятому за 100% (контроль). *p < 0.05.

Скачать (221KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024