Several species of the genus Campylobacter (C.) are zoonotic pathogens, especially C. jejuni and C. coli, the leading causes of foodborne diseases worldwide. Although both species colonize many hosts including poultry, livestock and wild animals, persistence mechanisms enabling the bacteria to adapt towards new ecological niches are not yet fully understood. In this work, novel k-mer-based methods enabling high-throughput analysis of whole-genome sequencing (WGS) data of C. jejuni and C. coli have been developed, extended and applied to investigate the adaptive potential of the distinct species towards different ecological niches and changing environments.
A k-mer-based microbial genome-wide association study (GWAS) was set up to identify host-specific genomic signatures of C. jejuni isolated from chicken, cattle, pig and clinical human samples. GWAS revealed a strong association of both, the core and the accessory genome of C. jejuni, with distinct host animal species. Moreover, multiple adaptive trajectories defining the evolution of C. jejuni lifestyle preferences in different ecosystems were identified.
In a second approach, WGS data of Campylobacter isolates that showed ambiguous probing results using different polymerase chain reaction (PCR)-based species classification methods during routine-diagnostics were investigated. The Campylobacter genomes were analyzed with respect to their genomic make-up. For this purpose, a k-mer-based method was developed in order to identify recombination events between C. jejuni and C. coli. The identified genes encode proteins that were commonly associated with important pathways involved in chromosome maintenance and DNA repair, membrane transport and stress defense.
Overall, the results presented in this work promote molecular surveillance and rapid diagnostics of Campylobacter. In addition, host-specific allelic variants identified among different phylogenetic backgrounds might serve as important maker genes in future source attribution models for fast and precise retrograde outbreak investigation along the food chain.
Verschiedene Spezies der Gattung Campylobacter (C.) sind zoonotische Krankheitserreger, die zu den Hauptverursachern von durch Lebensmittel übertragbare Infektionskrankheiten weltweit gehören. Obwohl C. jejuni und C. coli unterschiedliche Wirte wie Geflügel, Vieh und Wildtiere kolonisieren, sind die Mechanismen, die es diesen Bakterien ermöglichen, sich an neue ökologische Nischen anzupassen, nicht vollständig geklärt. In dieser Arbeit wurden neue k-mer-basierte Methoden für Hochdurchsatzanalysen von anzgenomsequenzierungen von C. jejuni und C. coli entwickelt, erweitert und angewendet, um das Anpassungspotenzial der Spezies an unterschiedliche Wirte und Umgebungen zu untersuchen.
In der ersten Studie wurde eine auf k-meren basierende mikrobielle genomweite Assoziationsstudie (GWAS) durchgeführt, um wirtsspezifische genomische C. jejuni-Signaturen von Isolaten aus Hühnern, Rindern, Schweinen und humanen klinischen Proben zu identifizieren. Die GWAS zeigte eine starke Assoziation sowohl des Kern- wie auch des akzessorischen C. jejuni Genoms mit verschiedenen Wirtstieren. Durch die in silico Prädiktion von Veränderungen in Peptiden bzw. Proteinen ist es gelungen, mehrere adaptive metabolische Pfade zu identifiziert, welche potentiell die Evolution der Wirtspräferenz von phylogenetisch unterschiedlichen C. jejuni an verschiedene Lebensräume ermöglichen.
In einem zweiten Ansatz wurden Ganzgenomsequenzen von Campylobacter Isolaten analysiert, die in der Routinediagnostik mittels Polymerase-Kettenreaktionen (PCR) nicht eindeutig einer genauen Spezies zuzuordnen waren. Die Campylobacter Genome aus diesen Proben wurden hinsichtlich ihres genomischen Aufbaus untersucht. Zu diesem Zweck wurde eine k-mer-basierte Methode entwickelt, um Rekombinationsereignisse zwischen C. jejuni und C. coli zu identifizieren, welche maßgeblich die Ergebnisse der PCR beeinflussten. Die auf diese Weise identifizierten Gene kodieren häufig Proteine mit wichtiger Funktion in der Chromosomenerhaltung bzw. DNA Reparatur, im Membrantransport und Stressabwehr.
Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse leisten einen Beitrag zur routinemäßigen Überwachung und schnellen Diagnostik von Campylobacter Ausbrüchen im Sinne einer integrierten molekularen Surveillance. Wirtsspezifische Allele, die in Campylobacter mit unterschiedlichen phylogenetischen Hintergründen identifiziert wurden, können dabei als wichtige Markergene dienen, um die ursprüngliche Quelle des Ausbruchs schnell und präzise retrograd entlang der Lebensmittelkette zu identifizieren.
