Structure and virulence of Legionella pneumophila populations from freshwater systems in Germany and Middle East

Pecellín Monjo, Marina

Legionella pneumophila is a bacterial pathogen present in freshwater environments that can cause a severe pneumonia called Legionnaires’ disease. Molecular epidemiology based on the application of typing methods is crucial to determine the genetic relatedness between bacterial strains to understand its transmission and evolution. This thesis aimed to contribute to a more profound understanding of the genetic diversity of L. pneumophila strains and its clonal populations in different habitats and biogeographic regions. Furthermore, it aimed to get insights into the growth physiology and virulence of the most relevant clonal representatives. For this purpose, the high resolution genotyping method Multi Locus Variable number of tandem repeats Analysis (MLVA) was compared with the standard Sequence Base Typing (SBT). A total of 133 clinical and 478 environmental isolates from Germany, Israel and the West Bank were subjected to MLVA genotyping. Since temperature is one of the major factors that affect the growth of L. pneumophila in water systems, the growth in liquid medium of a subset of 63 isolates was examined at a range of temperatures from 15°C to 45°C in order to understand the role that plays this parameter in the physiology of the strains. Finally, the virulence of 85 strains was assessed by various in-vitro assays using human macrophages like-cells. MLVA genotyping presented higher discriminatory power than SBT. High genetic diversity of the strains was observed. Only three MLVA genotypes, were common between Europe and the Middle East. Among the common genotypes, genotype Gt4(17) was generally the most frequently isolated and corresponded to the globally widespread Sequence Type 1 (ST1). However, the great majority of isolates from the different areas were genetically related as they appeared enclosed in VNTR Analysis-based clonal complexes (VACC). Analysis of growth at different temperatures revealed that the multiplication of clinical strains was enhanced at high temperatures in comparison to environmental strains, which appeared to be adapted to lower temperatures. In addition, temperature influenced the growth of specific genotypes differently. The assessment of the pathogenicity in human macrophages indicated the high virulence potential of certain genotypes and clonal complexes. Overall, these findings may assist the understanding of the epidemiology of L. pneumophila strains and provide insights into the ecology of this opportunistic pathogen.

Legionella pneumophila ist ein pathogene Bakterienart, die in Süßwassersystemen vorkommt und schwere Lungenentzündungen verursacht (Legionärskrankheit). Für die molekulare Epidemiologie von L. pneumophila, die auf der Anwendung von Typisierungsmethoden basiert, ist es wichtig die genetische Verwandtschaft zwischen einzelnen Stämmen zu bestimmen. Die vorliegende Doktorarbeit zielt darauf hin ein tieferes Verständnis der genetischen Vielfalt von L. pneumophila Stämmen zu erlangen und ihre klonalen Populationen in verschiedenen Habitaten und geographischen Regionen zu bestimmen. Darüber hinaus sollte die Wachstumsphysiologie und Virulenz der relevantesten klonalen Repräsentanten bestimmt werden. Zu diesem Zweck wurde die hochauflösende Genotypisierungsmethode MLVA (MultiLocus Variable number of tandem repeats Analysis) mit der Standardmethode SBT (Sequence Base Typing) verglichen. Insgesamt wurden 133 klinische und 478 Umweltisolate aus Deutschland, Israel und der West Bank mit MLVA genotypisiert. Die Temperatur stellt für L. pneumophila einen der wesentlichsten Faktoren dar, die sein Wachstum in aquatischen Systemen beeinflussen. Daher wurde das Wachstum von 63 Isolaten in Flüsskultur im Temperaturebereich von 15°C bis 45°C untersucht, um die Rolle der Temperatur für die Physiologie von isolaten aufzuklären. Abschließend wurde die Virulenz einer Reihe von 85 Stämmen mit Hilfe verschiedener in-vitro Assays basierend auf humanen Zellkulturen bestimmt. Die auf MLVA-basierende Genotypiserung zeigte eine höhere Unterscheidungsfähigkeit als die SBT-basierte. Auf der Ebene einzelner Genotypen wurde eine hohe genetische Diversität festgestellt. Nur drei MLVA Genotypen wurden sowohl in Europa als auch im Nahen Osten gefunden. Der Genotyp Gt4(17) wurde überall am häufigsten isoliert und entspricht auch dem global verbreiteten Sequenztypt 1 (ST1). Darüber hinaus bestand der Großteil der Isolate aus genetisch verwandten klonalen Komplexen. Die Analysen des Wachstums zeigten, dass das Wachstum der klinischen Stämme bei hohen Temperaturen im Vergleich zu Umweltstämmen erhöht war, während Letztere besser bei niedrigen Temperaturen wuschen. Die Temperatur beeinflusste das Wachstum verschiedener Stämme eines spezifischen Genotyps unterschiedlich. Die Bestimmung der Virulenz zeigte ein hohes Virulenz-Potential bei bestimmten Genotypen und klonen Komplexen. Diese Ergebnisse führen zu einem umfassenderen Verständnis der Epidemiologie und Ökologie von L. pneumophila.

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Pecellín Monjo, Marina: Structure and virulence of Legionella pneumophila populations from freshwater systems in Germany and Middle East. 2017.

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