Gene expression profiles of Vibrio parahaemolyticus

Abstract

Vibrio spp. are isolated continuously from the estuarine, marine and sediment environments and seafood. The consumption of and/or contact to contaminated seawater or food can lead to infections in humans. V. parahaemolyticus can cause human gastroenteritis via consumption of contaminated raw or not thoroughly heated seafood. In its natural habitat V. parahaemolyticus cell is forced to remain in the stationary phase or the viable but non-culturable (VBNC) state for survival. The stationary phase is the common phase for bacterial survival in the environment. The metabolism of bacterial cells in the stationary phase is active but altered. Moreover, the resistance of stationary phase cells is greater to variety of stresses. The viable but non- culturable (VBNC) state is referred to as enabling survival of especially non- sporulating bacteria, including Vibrio spp., in unfavourable or even hostile environments. The VBNC state can be induced by numerous factors, such as low temperature, depleted nutrient and adverse pH. Although bacterial VBNC cells are non-culturable on any routine laboratory medium, they maintain the ability of infection as the virulence genes are still expressed. In this thesis, whole transcriptomic profiling of V. parahaemolyticus in the three phases (exponential and early stationary phase, the VBNC state) was performed. Studies on the global gene expression of V. parahaemolyticus demonstrated a broad adaptation of expression induced via the early stationary phase and the VBNC state. Among the 4820 investigated genes, 172 genes were induced while 61 genes were repressed totally. The altered processes were shown to be important for bacterial survival in the stationary phase against many stresses. In the VBNC state compared with exponential and early stationary phase, up-regulated gene expression was also dominant. Totally 509 induced genes and 309 repressed genes among 4820 investigated genes were altered by more than fourfold. All these processes were shown to be of importance for the VBNC state maintenance. Massive regulations have been found, indicating that VBNC cells are active. Until now it remains unclear what the incidence of food associated outbreaks caused by the food pathogenic VBNC state bacteria is. As the common detection methods depend on the CFU count and therefore growing cells, VBNC state bacteria avoid detection. Our research adds new data which might support the development of new methods for detection of not only V. parahaemolyticus VBNC cells but also other food pathogenic VBNC state bacterial cells.

Vibrionen können kontinuierlich aus dem Meeres, dem Ästuar, dem Sediment und aus Meeresfrüchten isoliert werden. Der Kontakt mit Vibrionen enthaltendem Meerwasser und/oder der Verzehr von Lebensmitteln, die Vibrionen enthalten, sind die häufigsten Auslöser einer Vibriose beim Menschen. Die Spezies Vibrio (V.) parahaemolyticus ist humanpathogen und kann durch den Verzehr von kontaminierten, rohen oder nicht ausreichend erhitzten Meeresfrüchten zu Gastroenteritis führen. Um das Überleben, in seinem natürlichen Lebensraum auch bei schlechten Umgebungsbedingungen zu sichern, ist V. parahaemolyticus in der Lage, in der stationären Phase zu verharren oder in einen Zustand überzugehen, indem das Bakterium lebensfähig, aber nicht kultivierbar ist (VBNC). Die stationäre Phase gewährleistet ein Überleben von Bakterien in der Umwelt. Der Metabolismus von bakteriellen Zellen ist in dieser Phase aktiv aber im Vergleich zu anderen Phasen verändert. Die Zellen in der stationären Phase sind um einiges widerstandsfähiger und somit in der Lage verschiedenen Stressfaktoren besser Stand zu halten. Vibrio spp. verfügen über die Möglichkeit, unter ungünstigen oder gar feindlichen Umgebungsbedingungen in diese Art von lebenserhaltendem Zustand überzugehen. Das VBNC Stadium kann durch unterschiedlichste Faktoren, wie niedrige Temperatur, absinkender Nährstoffgehalt, nicht optimaler pH-Wert, etc. induziert werden. Obwohl bakterielle VBNC Zellen auf keinem Routinemedium kultivierbar sind, besteht die Möglichkeit einer Humaninfektion, da Virulenzgene noch immer exprimiert werden. In dieser Arbeit wurde das globale Transkriptom von V. parahaemolyticus in exponentieller und früher stationärer Phase, sowie im VBNC Stadium untersucht. Diese Studien, zur globalen Genexpression von V. parahaemolyticus zeigten, dass massive Anpassungen der Expression um mehr als das Vierfache während der frühen stationären Phase und dem VBNC Stadium stattfinden. Von den 4820 untersuchten Genen wurden 172 Gene induziert, während 61 Gene in ihrer Expression gehemmt wurden. Die hochregulierten Gene konnten hauptsächlich der Adaption des Bakteriums an die stationäre Phase zugeordnet werden. Die in der stationären Phase detektierten Veränderungen der Genexpression waren für das Bakterium essentiell, um ihr Überleben in der Umwelt zu sichern. Beim Vergleich der Genexpression im VBNC Stadium mit der exponentiellen und frühen stationären Phase wurden 509 induzierte Gene und 309 unterdrückte Gene detektiert. Die induzierten Gene konnten mit dem Übergang in den VBNC Zustand assoziiert werden. Die Expression übergeordneter Regulatoren wurde induziert oder zumindestens stabil exprimiert. Alle diese Veränderungen spielen für die Aufrechterhaltung des VBNC Stadiums eine große Rolle. Aufgrund der drastischen Veränderungen die innerhalb der bakteriellen Regulatoren stattfanden, konnte nachgewiesen werden, dass VBNC Zellen aktiv sind. Die Inzidenz der Lebensmittel-assoziierten Ausbrüche, die durch Bakterien im VBNC Stadium verursacht werden, bleibt unklar. Da herkömmliche Methoden auf dem Wachstum von Zellen beruhen, werden Bakterien im VBNC Stadium nicht detektiert. Unsere Arbeiten stellen neue Daten zur Verfügung, die die Entwicklung neuer Methoden nicht nur zur Detektion von V. parahaemolyticus im VBNC Stadium, sondern auch anderen pathogenen Lebensmittel-assoziierten Bakterien unterstützen könnten.