Untersuchungen zur genetischen Plastizität von Campylobacter jejuni-Stämmen der Serovar O:2

Abstract

In dieser experimentellen Arbeit wurden 13 C. jejuni-Stämme der Serovaren O:2 (12) und O:6 (1) durch Makrorestriktionsanalyse (PFGE), Bestimmung der Lokalisation virulenz-assoziierter Gene auf den Restriktionsfragmenten und Fla-PCR-RFLP-Typisierung auf ihre genetische Verwandtschaft hin untersucht und in diesem Zusammenhang die Genomorganisation des Erregers beleuchtet. Die Ergebnisse dieser Analysen zeigen, dass bestimmte C. jejuni-Genotypen der Serovar O:2, die aus unterschiedlichen Wirten und unterschiedlichen geographischen Regionen in Deutschland isoliert wurden, über Jahre hinweg genetisch stabil geblieben sind, i.d.F. für mindestens 15 Jahre. Die Tatsache, dass auch der erstmals 1978 in Worcester/UK isolierte Referenzstamm NCTC11168 ein zu diesen Stämmen ebenfalls identisches bzw. sehr ähnliches genotypisches Profil aufweist, spricht außerdem dafür, dass solche stabilen Genotypen über beachtliche geographische Distanzen hinweg existieren können. Die dem C. jejuni-Genom zugesprochene, außerordentliche hohe Diversität besitzt also nicht ausschließlich Bedeutung bei der Wirtsadaptation und dem Überleben des Erregers. Es kann vielmehr vermutet werden, dass dieser Spezies insgesamt ein klonales Rückgrat zugrunde liegt, während die variablen, an genetischem Austausch teilnehmenden DNS-Bereiche in den einzelnen Populationen variieren und von unterschiedlichen Faktoren abhängig sind. Um genotypische Variationen in diesen Stämmen auf Ebene der Nukleotidabfolge näher zu untersuchen, wurde für die C. jejuni-Isolate NCTC11828 (O:6), 1187-I (O:2) und K14 (O:2) eine Repräsentative Differenzanalyse (RDA) durchgeführt mit dem Ziel, sowohl serovar- als auch stammspezifische DNS-Bereiche detektieren zu können. Dabei wurden insgesamt 28 unterschiedliche RDA-Fragmente generiert, von denen 15 eine hohe (>70%), sechs eine nur geringe (<70%) und weitere sieben keine Übereinstimmung zum Referenzstamm NCTC11168 aufwiesen. Sechs der in NCTC11828 und K14 identifizierten Fragmente zeigten Ähnlichkeiten zu den an der Synthese und Modifikation von Oberflächenstrukturen beteiligten Genen von NCTC11168. Diese Ergebnisse bestätigen generell die hohe Variabilität in den LOS-, KPS- und FM-Genlozi und zeigen, dass diese nicht nur in Stämmen unterschiedlicher sondern auch innerhalb der Serovaren angetroffen werden kann. Für alle drei untersuchten Stämme konnten außerdem mit ABC-Transportsystemen assoziierte Sequenzbereiche identifiziert werden, die entweder keine oder lediglich geringe Übereinstimmung innerhalb des NCTC11168-Genoms aufzeigten. Dies weist auf eine möglicherweise serovar- oder stammspezifische Verteilung dieser am Transport unterschiedlichster Substrate beteiligten Systeme hin. Von den als ohne Übereinstimmung zur NCTC11168-Genomsequenz identifizierten RDA-Fragmenten wiesen 11828-E7, 11828-G8, 1187-I-A11, K14-B12 sowie K14-F6 eine Ähnlichkeit zu verschiedenen hypothetischen Proteinen unterschiedlicher Spezies auf, deren Funktion derzeit nicht näher benannt werden kann. Mit dem RDA-Fragment 1187-I-A6 liegt außerdem ein Hinweis auf in das C. jejuni-Genom integrierte Phagen-DNS vor. Diese mobilen genetischen Elemente sind erst kürzlich auch in einem anderen C. jejuni-Isolat identifiziert worden und spielen bei der Generierung genetischer Diversität möglicherweise eine größere Rolle als bisher angenommen.

In the present experimental work the genomic diversity of 13 epidemiologically unrelated strains of C. jejuni belonging to serovars O:2 (12) and O:6 (1) was investigated by using the highly discriminatory PFGE technique in combination with mapping of virulence-associated markers to the obtained restriction fragments as well as Fla-PCR-RFLP typing. According to the results of these analyses it can be assumed that the genotypes of certain C. jejuni strains derived from different hosts and different geographic regions in Germany remained stable over many years, in this case for a time period of at least fifteen years. Moreover, reference strain NCTC11168 (isolated in Worcester/UK in 1978) showed a highly similar or even identical genotypic profile indicating the existence of such stable genotypes over considerable geographic distances. While stable clones of C. jejuni are often correlated with serotypes such as O:19, O:41 and O:55, only limited knowledge exists for clonal complexes in O:2 or other serotypes. As shown by this study, stable clonal lineages are also found in this serotype and one might suggest that genomic plasticity is not as essentiell for C. jejuni adaptation and survival as previously thought. The recent finding that other serotypes like O:6 also contain such stable genotypes makes it rather likely, that clonal lineages exist in all serotypes and that this species in principle has a clonal framework with different subgroups that are again more panmictic within the subgroup. In order to investigate genotypic variation in these strains at the nucleotide level, a representational difference analysis (RDA) for strains NCTC11828 (O:6), BgVV1766 (O:2) and 1187-I (O:2) was performed, giving the possibility to detect serotype- as well as strain-specific DNA sequences. For these strains a total of 28 different RDA fragments was generated from which 15 of them showed high (>70%), six only low (<70%) and a further seven showed no similarity compared to the NCTC11168 genome sequence. Six of the fragments isolated from strains NCTC11828 and K14 revealed similarity to genes involved in synthesis and modification of surface structures in NCTC11168. These data generally confirm considerable levels of genetic variability in the LOS, KPS and FM gene loci not only in strains displaying different but also in strains of the same serotype. Furthermore DNA sequences associated with ABC transport systems showing no or only low similarity to those found in NCTC11168 have been identified in all three strains tested. These findings point towards a possibly serotype- or strain-specific distribution of these systems which are involved in the transport of a variety of substrates. RDA fragments 11828-E7, 11828-G8, 1187-I-A11, K14-B12, and K14-F6 with no homology to the NCTC11168 genome sequence revealed similarity to various hypothetical proteins from different bacterial species. Currently the function of these proteins is far away from being well defined and their possible role in C. jejuni pathogenicity needs further investigation. The identification of a HP1-related sequence in RDA fragment 1187-I-A6 provides rare evidence for integration of phage DNA into the C. jejuni chromsome. Possibly, contribution of these mobile genetic elements to the agents genetic diversity is more relevant than previously thought.