Antibiotic resistance and pathogenicity in the Gram-negative bacteria Pseudomonas aeruginosa and Klebsiella pneumoniae

Bruchmann, Sebastian

Der dramatische Anstieg von Infektionen durch multiresistente, gramnegative Bakterien ist ein weltweites Problem, welches möglicherweise eine der größten Herausforderungen moderner Medizin darstellt. Bakterielle Krankheitserreger besitzen verschiedenste Mechanismen, um der Aktivität einer Vielzahl antimikrobieller Verbindungen zu widerstehen und zeigen eine alarmierende Zunahme von multi- oder sogar pan-resistenten Isolaten. Die Ziele der vorliegenden Arbeit waren i) die molekularen Mechanismen der Fluorchinolonresistenz im opportunistischen Erreger Pseudomonas aeruginosa zu erklären und ii) die generelle Genexpression von Klebsiella pneumoniae zu beschreiben und mit den klinisch relevanten Phänotypen der Biofilmbildung, Virulenz und Antibiotikaresistenz zu korrelieren. In diesem Zusammenhang untersuchten wir den quantitativen Einfluss von Mutationen und Veränderung der Expression von Effluxpumpen auf die Fluorchinolonresistenz in Pseudomonas aeruginosa durch eine Kombination von Resequenzierung, quantitativer realtime-PCR und Transkriptom-Sequenzierung (RNA-Seq) anhand einer Sammlung von 172 klinischen Isolaten. Diese umfassenden Daten zeigten die dominierende Rolle bestimmter Mutationen in gyrA und parC, während die Kombination mit weiteren Mutationen (zum Beispiel in gyrB und parE) oder verstärkter Efflux zwar eine additive Wirkung hatte, aber höchstwahrscheinlich nicht zum hohen Resistenzniveau in der Klinik beiträgt. Darüber hinaus nutzen wir die Möglichkeiten hoch-auflösenden Transkriptom-Profilings mittels RNA-Seq um die generelle Gentranskription 37 klinischer K. pneumoniae Isolate unterschiedlichster Herkunft aufzuklären und identifizierten eine große Anzahl von 3346 Genen, die in allen Isolaten exprimiert wurden. Während dieses Kern-Transkriptom weitgehend homogen zwischen Isolaten des gleichen Sequenztypen war, variierte es deutlich zwischen Gruppen unterschiedlicher Sequenztypen. Diese detaillierten Informationen über differentiell exprimierte Gene wurde mit den klinisch relevanten Phänotypen der Biofilmbildung, bakterieller Virulenz und Antibiotikaresistenz verknüpft. Dieses erlaubte die Identifizierung eines Biofilm-spezifischen Genexpressionsprofil in der Gruppe der ST258-Isolate, welche hauptverantwortlich für die Verbreitung der KPC-Carbapenemase sind, als ein Sequenztyp-spezifisches Merkmal. Außerdem ergab die Analyse, dass die Antibiotikaresistenz durch das Auftreten nur weniger, dominanter Resistenzdeterminanten erläutert werden kann.

The dramatic increase of infections caused by multidrug-resistant Gram-negative bacteria is an emerging global problem and possibly one of the greatest challenges of modern medicine. Bacterial pathogens devise various mechanisms to withstand the activity of a wide range of antimicrobial compounds and there is an alarming increase of multi- or even pandrug-resistant isolates. The aims of this thesis were i) to elucidate the molecular mechanisms of fluoroquinolone resistance in the opportunistic pathogen Pseudomonas aeruginosa and ii) to describe the transcriptomic landscape of Klebsiella pneumoniae to correlate gene transcription with the clinical relevant phenotypes of biofilm formation, virulence and antibiotic resistance. In this context, we evaluated the quantitative contributions of quinolone target alteration and efflux pump expression to fluoroquinolone resistance in Pseudomonas aeruginosa by applying a combination of directed resequencing methods, quantitative real-time PCRs and whole-transcriptome sequencing (RNA-Seq) on a broad and cross-sectional panel of 172 clinical isolates. This comprehensive data showed the role of distinct mutations in the quinolone resistance-determining regions of gyrA and parC. The combination with further mutations (e.g. in gyrB and parE) or enhanced efflux exhibited additive effects Furthermore, we exploited the power of deep transcriptome profiling by RNA-seq to shed light on the transcriptomic landscape of 37 clinical K. pneumoniae isolates of diverse phylogenetic origin. We identified a large set of 3346 genes which were expressed in all isolates. While these core-transcriptome profiles were largely homogenous among isolates of the same sequence type, they varied substantially between groups of different sequence types. This detailed information on differentially expressed genes was linked with the clinically relevant phenotypes of biofilm formation, bacterial virulence and antibiotic resistance. This allowed the identification of a low biofilm-specific gene expression profile within the group of ST258 isolates, the dominant clonal lineage associated with KPC-carbapenemase spread, as a sequence type-specific trait. Moreover, the analysis revealed that antimicrobial resistance in this panel of clinical isolates can be explained by the occurrence of only a few dominant resistance determinants.

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Bruchmann, Sebastian: Antibiotic resistance and pathogenicity in the Gram-negative bacteria Pseudomonas aeruginosa and Klebsiella pneumoniae. 2015.

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