Locus de adhesión y autoagregación (LAA), una nueva isla de patogenicidad presente en cepas emergentes de Escherichia coli productor de shiga toxina

Abstract

Escherichia coli productor de Shiga toxina (STEC; del inglés “Shiga toxin-producing Escherichia coli”) incluye a un grupo de patógenos transmitidos por alimentos que causan diarrea y enfermedades severas como Colitis Hemorrágica (CH) y Síndrome Hemolítico Urémico (SHU), principalmente en niños menores de 5 años. Las Shiga toxinas (Stx) son el principal factor de virulencia de estos patógenos; sin embargo, la adhesión y colonización del intestino humano es requerida en la patogénesis de STEC. La isla de patogenicidad (PAI; del inglés “Pathogenicity Island”) denominada Locus de Borrado del Enterocito (LEE; del inglés “Locus of Enterocyte Effacement”), es el principal determinante de adhesión y colonización intestinal de un grupo de cepas STEC (LEE-positivo). A nivel mundial, las cepas STEC LEE-positivo (serogrupos O26, O45, O103, O111, O121, O145 y O157) han sido tradicionalmente asociadas con brotes y casos de SHU. En contraste, en las cepas STEC que carecen de LEE (LEE-negativo), el repertorio de genes de virulencia no ha sido completamente caracterizado. Es de destacar que la incidencia de casos de gastroenteritis causados por cepas STEC LEE-negativo (serogrupos O91, O113, O128, O146 y O174) ha aumentado recientemente en diferentes países, lo que resalta la importancia de su estudio. En esta Tesis se reporta y caracteriza genética y funcionalmente una nueva PAI denominada Locus de Adhesión y Autoagregación (LAA), que está exclusivamente presente en cepas STEC LEE-negativo, incluyendo cepas aisladas de casos de CH y SHU. En LAA se localizan diferentes genes de virulencia que participan en fenotipos de adhesión y colonización. Consistente con lo anterior, los resultados obtenidos proveen evidencia experimental que sugiere la participación de esta PAI en la colonización intestinal en un modelo murino de infección. Adicionalmente, mediante genómica comparativa se analizaron más de 350 genomas de cepas STEC LEE-negativo y se determinó que LAA es la PAI más frecuente en este subgrupo de STEC. A través de este análisis se identificaron otras islas genómicas hasta el momento no caracterizadas, incluyendo dos PAIs y un Elemento Integrativo y Conjugativo (ICE; del inglés “Integrative and Conjugative Element”). Más importante aún, nuestros análisis filogenéticos indican que en este subgrupo de STEC existen clados geográficamente diseminados que agrupan cepas que contienen más de una PAI, incluyendo LAA, lo que podría contribuir a la emergencia de estos patógenos. Este estudio es un paso adelante en el conocimiento de la evolución de los genomas y los mecanismos patogénicos de STEC LEE-negativo, lo que tiene implicaciones importantes para su vigilancia epidemiológica.

Shiga toxin-producing Escherichia coli (STEC) includes a group of foodborne pathogens that cause diarrhea and severe diseases, such as Hemorrhagic Colitis (HC) and Hemolytic Uremic Syndrome (HUS), primarily in children under 5 years of age. Shiga toxins are the major STEC virulence factors, but their ability to colonize the human intestine is a prerequisite to disease. The Locus of Enterocyte Effacement (LEE), a Pathogenicity Island (PAI), is a major determinant of intestinal epithelium attachment of a group of STEC strains (LEE-positive). The LEE-positive STEC strains (serogroups O26, O45, O103, O111, O121, O145 and O157) have been traditionally associated with outbreaks and HUS cases worldwide. On the contrary, in the case of STEC strains lacking LEE (LEE-negative), their virulence repertoire has not been fully characterized. It is noteworthy that the incidence of gastroenteritis caused by LEE-negative STEC strains (serogroups O91, O113, O128, O146 and O174) has increased in several countries, highlighting the relevance of their study. In this Thesis a novel PAI denominated Locus of Adhesion and Autoaggregation (LAA), which is exclusively present in LEE-negative STEC strains, is reported and characterized. Several virulence genes that participate in adhesion and colonization phenotypes are localized in LAA. In agreement with the above, the obtained results provide experimental evidence supporting the participation of LAA in the intestinal colonization of a mouse model of STEC infection. Additionally, more than 350 genomes of LEE-negative STEC strains were analyzed by comparative genomics and it was determined that LAA is the most frequent PAI in this subgroup of STEC. Through this analysis, other uncharacterized genomic islands were also identified, including two PAIs and one Integrative and Conjugative Element (ICE). Even more importantly, our phylogenetic analyzes indicate that in this subgroup of STEC there are geographically disseminated clades in which strains containing more than one PAI, including LAA, are clustered, which could contribute to the emergence of these pathogens. This study is a step forward in our knowledge of the evolution of genomes and pathogenic mechanisms of LEE-negative STEC, with important implications for their epidemiological surveillance.