Horizontally transferable elements among Enterococci

Laverde Gomez, Jenny Angelica

Enterococci are the third leading cause of hospital associated infections and have gained increased importance due to their fast adaptation to the clinical environment. The high recombination rates of enterococci are associated to the presence of several mobile elements encoding antibiotic resistance and pathogenicity traits. This work presents results of the analysis of two virulence-associated genomic elements of Enterococcus: the putative hyaluronidase gene of E. faecium hylEfm, and the enterococcal surface protein esp-containing pathogenicity island (PAI) of E. faecalis. The hylEfm gene, contained within a putative genomic island (GI), is enriched among the polyclonal subpopulation of hospital associated E. faecium strains. The hylEfm GI (17,824 bp) was conserved among 39 hylEfm positive strains and was located on large plasmids (150 to 350 kb) (n=37). hylEfm-vanA plasmids were horizontally transferred into E. faecium recipient strains but not into E. faecalis. Sequencing of hylEfm plasmid pLG1 resolved putative plasmid replication, conjugation and maintenance determinants, as well as additional putative pathogenicity factors (e.g. pilA) and antibiotic resistance genes (i.e. vanA, erm(B)). Until now, only internal fragments of the E. faecalis PAI or larger chromosomal regions containing it had been mobilized. This work presents the horizontal transfer of an entire PAI element from the chromosome of E. faecalis (ca. 200 kb) under erythromycin resistance selection. The PAI excised and circularized precisely, and transferred horizontally integrating site-specifically into the chromosome of E. faecalis (intergenic region) and E. faecium (tRNAlys). Phenotypic characteristics accompanied the acquisition of the PAI: Esp on the cell surface, enhanced biofilm formation and cytolytic activity in E. faecalis; mouse bacteraemia and peritonitis models displayed no difference in pathogenicity. pLG2 is a 66 kb conjugative pheromone-responsive plasmid, that might have promoted the PAI horizontal transfer. These findings demonstrate the horizontal gene transfer of virulence factors and antibiotic resistance gene clusters by a single genetic event, which might be triggered by heavy antibiotic use, common in health care units where enterococci are increasingly prevalent.

Enterokokken sind die dritthäufigste Ursache von Krankenhaus Infektionen und erlangen durch ihre schnelle Anpassung an die klinische Umgebung immer größere Bedeutung. Die hohen Rekombinationsraten von Enterokokken sind mit mobilen genetischen Elementen assoziiert, die für Antibiotikaresistenzgene und Pathogenitätsfaktoren kodieren. Diese Arbeit präsentiert die Ergebnisse der Analyse von zwei Virulenz-assoziierten mobilisierbaren Elementen von Enterococcus: das putative Hyaluronidase-kodierende Gen von E. faecium (hylEfm) und die E. faecalis Pathogenitätsinsel (PAI), welche das Oberflächenprotein esp trägt. Das hylEfm Gen, welches innerhalb einer putativen genomischen Insel (GI) kodiert ist, wurde vollstäandig gefunden (n=39) und liegt auf großen Plasmiden (150 bis 350 kb) vor (n = 37). hylEfm- Plasmide aus E. faecium wurden in E. faecium Rezipientenstämme aber nicht in E. faecalis übertragen. Die Sequenzierung des hylEfm-Plasmides PLG1 identifizierte putative Gene für die Plasmidreplikation, -Konjugation und -Stabilität, sowie weitere putative Pathogenitätsfaktoren (zB. pilA) und Antibiotikaresistenz-Gene (zB. vanA, erm(B)). Diese Arbeit zeigt erstmals die horizontale Übertragung des gesamten E. faecalis PAI Elements aus dem Chromosom von E. faecalis UW3114 (ca. 200 kb) unter Erythromycin-Selektionsdruck. Es konnte die Excision, Zirkularisierung, horizontale Übertragung und Orts-spezifische Reintegration in das Chromosom von E. faecalis (intergenisch) und E. faecium (tRNALys) gezeigt werden. Mehrere phänotypische Merkmale begleiten den Erwerb der PAI in E. faecalis: Expression von Esp auf der Zelloberfläche, verstärkte Bildung von Biofilmen und erhöhte zytotoxische Aktivität. Keine Unterschiede in der Pathogenitätsausprägung im Bakteriämie- und Peritonitis-Mausmodell wurden beobachtet. PLG2 ist ein 66 kb großes, konjugatives Pheromon-Plasmid das den horizontalen Transfer der PAI gefördert haben könnte. Diese Befunde zeigen den horizontalen Gentransfer von Virulenzfaktoren und Antibiotikaresistenzgen-Clustern in einem einzigen genetischen Ereignis. Solche Ereignisse können besonders in klinischen Einrichtungen durch den erhöhten Einsatz von Antibiotika ausgelöst werden.

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Laverde Gomez, Jenny Angelica: Horizontally transferable elements among Enterococci. 2011.

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