Prävalenz, Diversität und Stressantwort von Vibrio parahaemolyticus

Abstract

Vibrio spp. sind ubiquitär in marinen Lebensräumen verbreitet und können regelmäßig aus der Umwelt und aus Lebensmitteln (z. B. Garnelen und Krabben) isoliert werden. Der Verzehr von bzw. Kontakt zu Lebensmitteln, die Vibrio spp. enthalten, kann beim Menschen zu Erkrankungen führen. Die Spezies sind durch eine hohe genetische Diversität gekennzeichnet. So kann bei V. parahaemolyticus z. B. zwischen pandemischen Typen und umweltassoziierten Stämmen unterschieden werden. Neben der genetischen Ausstattung spielen auch Umweltbedingungen, wie z. B. Hitze oder Kälte, eine entscheidende Rolle, Resistenzen gegenüber der Prozessierung und Zubereitung von Lebensmitteln auszubilden bzw. Krankheiten auszulösen. In 28 % der im deutschen Einzelhandel erstandenen Garnelen- und Krabbenerzeugnisse konnten eine oder mehrere Vibrio spp. nachgewiesen werden. Dabei war in nahezu 50 % der Vibrio spp.-positiven Proben mindestens ein V. parahaemolyticus-Isolat vorhanden. In 45,5 % der V. parahaemolyticus-positiven Proben konnte trh und in 4,5 % tdh/trh nachgewiesen werden. Mit Hilfe der Multi-Locus-Sequenz-Typisierung (MLST) konnte eine hohe genetische Diversität für die verschiedenen untersuchten V. parahaemolyticus- Stamm-Gruppen gezeigt werden. Dabei wurde, wie für Umweltstammsammlungen typisch, ein hoher Anteil neuer Allele und Sequenztypen identifiziert. Stammcluster enthielten hauptsächlich Stämme, die vom selben Kontinent stammten. Die hohe Diversität der Sequenztypen führte zu wenig verlässlichen Verbindungen bei den Analysen auf Nukleotid-Ebene. Die Verlässlichkeit konnte erhöht werden, indem die Beziehungen auf Peptid-Ebene mit Hilfe des neu entwickelten AA-MLST-Typisierungsschemas untersucht wurden. Die dabei beobachtete Abnahme der Diversität beruht vor allem darauf, dass nur nicht- synonyme Nukleotidsubstitutionen zu einer veränderten Aminosäure führen. Auf Peptid-Ebene zeigten die Cluster keine Abhängigkeit zur geographischen Herkunft der Stämme. Vor allem die häufig auftretenden Peptid-Sequenztypen waren durch eine globale Verbreitung gekennzeichnet. Allerdings konnten auch nur lokal auftretende Peptid-Sequenztypen identifiziert werden. Die Analyse der Populationsstruktur ergab – übereinstimmend mit der Literatur –, dass diese dem epidemischen Modell der klonalen Expansion folgt und sich vor allem durch die Lebensweise von V. parahaemolyticus erklären lässt, die häufige Anpassungen auch auf genetischer Ebene nötig macht. Die Studien zur Veränderung der Genexpression bei V. parahaemolyticus ergaben, dass Temperaturstress – sowohl bei Kälte als auch Hitze – zu einer globalen Anpassung der Expression durch Repression und Induktion führt. Bei niedrigen Temperaturen wurden vor allem Gene induziert, die mit der Anpassung an atypische Umweltbedingungen assoziiert sind. Dazu zählen u. a. die klassischen Kälteschock-Proteine (CSP), Proteine zur Modifikation der DNA-Topologie, Reparatur der DNA sowie für die Biosynthese und Degradation von Membranbestandteilen. Bei Hitze überwog dagegen die Induktion von Genen, die am Metabolismus oder an Transportprozessen beteiligt sind. Zusätzlich wurden die klassischen Hitzeschock-Proteine (HSP) induziert. Generell konnte eine antagonistische Expression von CSPs und HSPs beobachtet werden. Durch Hitze wurden Gene induziert, die ggf. zu einer Kreuzprotektion gegenüber oxidativem Stress führen könnten. Dagegen könnte durch Kälte die Resistenz gegenüber Säurestress erhöht werden, da Gene der molekularen Säurestress-Antwort induziert wurden. Von den klassischen Pathogenitätsfaktoren, wie z. B. Exotoxinen und Sekretionssystemen, wurden keine umfassend durch Temperaturstress induziert. Allerdings wurde bei 42 °C eine Induktion von Genen beobachtet, die an der Adhärenz, am Schwärmen und an der Auflösung von Geweben beteiligt sind. Somit könnten die Kolonisierung und/oder Invasion von V. parahaemolyticus nach einem Hitzeschock erleichtert sein.

Vibrio spp. are distributed ubiquitously in marine habitats and are frequently isolated from the environment and seafood (e. g. prawns and mussels). The consumption of and contact to Vibrio spp. containing products can lead to infections in humans. The species are characterized by a high genetic diversity. V. parahaemolyticus can be differentiated for example into pandemic and environmental strains. Besides the genetic properties, environmental conditions like heat or cold can play a decisive role to mount a resistance against processing and preparation methods of foods or the ability to cause infections. At least one Vibrio spp. was present in 28% of the purchased retail prawn and shrimp samples. Almost 50% of the Vibrio spp.-containing samples contained a minimum of one isolate of V. parahaemolyticus. In the V. parahaemolyticus-positive samples trh and in tdh/trh were detected in 45.5% and 4.5%, respectively. Multi Locus Sequence Typing (MLST) revealed a high genetic diversity of all strain groups analyzed. Thereby a high number of new alleles and sequence types was identified as expected for environmental strain collections. Clusters of strains contained mostly strains originating from the same continent. The portion of supra-regionally distributed sequence types differed among the analyzed strain collections. The high diversity of sequence types led to less reliable relationships on nucleotide level. Reliability could be increased by applying the newly developed AA-MLST typing scheme to analyze relationships on peptide level. The observed decrease in diversity is mainly due to the fact that mostly non-synonymous nucleotide substitutions result in an altered amino acid. On peptide level clusters were not related to the geographic origin of strains. Especially the common peptide sequence types were characterized by a global distribution. However peptide sequence types were identified that showed a local distribution only. The analysis of the population structure of V. parahaemolyticus revealed – in concordance to the literature – the epidemic model of clonal expansion. Since the lifestyle of V. parahaemolyticus in the marine habitat frequently requires adaptations also on genetic level. The conducted studies on the global gene expression of V. parahaemolyticus revealed a global adaptation of expression via repression and induction induced by temperature stresses – by heat as well as by cold. At low temperatures especially genes were induced that are associated to adaptation to atypical conditions, including classical cold shock proteins (CSP), proteins for modification of DNA-topology, DNA-repair as well as for biosynthesis and degradation of membrane components. At high temperatures the induction of genes that are associated to metabolism and transport predominated. Additionally the classical heat shock proteins (HSP) were induced. In general an antagonistic expression of CSPs and HSPs at low and high temperatures was observed. Genes that could lead to a cross protection against oxidative stress were induced by heat. In contrast stress from cold temperatures could improve the resistance against low pH as genes associated to the molecular acid stress response were induced. None of the classical pathogenicity markers (e.g. exotoxins and secretion systems) was induced extensively by temperature stress. However at 42°C an induction of genes was monitored that are related to adherence, swarming and degradation of tissues. Consequently colonization and/or invasion of V. parahaemolyticus could be eased after heat shock.