 |
Molecular genetics and ecology of Salmonella Genomic Island 1 (SGI1): secrets of mobility, spread and pathogenetic significance
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
105635 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Kiss, János |
| Title in Hungarian |
A Salmonella Genomi Sziget 1 (SGI1) molekuláris genetikája és ökológiája: a mobilitás, a terjedés és a patogenetikai jelentőség rejtelmei |
| Title in English |
Molecular genetics and ecology of Salmonella Genomic Island 1 (SGI1): secrets of mobility, spread and pathogenetic significance |
| Keywords in Hungarian |
SGI1, konjugáció, horizontális elterjedés faktorai, multirezisztencia, patogenitás |
| Keywords in English |
SGI1, conjugation, factors of horizontal spreading, multidrugresistance, pathogenicity |
| Discipline |
| Zoonozes (Council of Complex Environmental Sciences) | 60 % | | Epidemiology, veterinary microbiology (Council of Complex Environmental Sciences) | 20 % | | Microbiology: virology, bacteriology, parasitology, mycology (Council of Medical and Biological Sciences) | 20 % |
|
| Panel |
Plant and animal breeding |
| Department or equivalent |
Agricultural Biotechnology Institute (ABC) (National Agricultural Research and Innovation Centre) |
| Participants |
Hegyi, Anna
Murányi, Gábor
Nagy, Béla
Nagy, István
Olasz, Ferenc
Szabó, Mónika
Szmolka, Annamária
Tóth, Gábor
|
| Starting date |
2013-01-01 |
| Closing date |
2017-12-31 |
| Funding (in million HUF) |
43.800 |
| FTE (full time equivalent) |
9.12 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A non-typhoid humán salmonellozisok okozói között a Salmonella Typhimurium (S. T.) ma is világszerte a legfontosabb szerotípusok egyike. A S. T törzsek között is kiemelt jelentőségűek a DT104 fágtípusúak, melyek elsősorban haszonállatokból vagy élelmiszereken keresztül terjednek és számos fertőzést okoznak emberben és állatállományokban. E típus megemelkedett virulenciájúnak vélt multirezisztens (MDR) klónjai az 1990-es évek elején megjelentek a hazai állatállományokban és emberekben is. Multirezisztenciájukat a kromoszómán elhelyezkedő géncsoport, a Salmonella Genomi Sziget 1 (SGI1) okozza. A sziget az In104 csoportba tartozó komplex integront hordoz, melyen ampicillin, kloramfenikol, florfenikol, streptomicin, spektinomicin, szulfonamidok és tetraciklin elleni rezisztenciagének találhatók. Az SGI1-ről kiderült, hogy egy ún. integratív mobilizálható genetikai elem, amely mára számos járványt okozó Salmonella szerovariánsban megjelent, így komoly humán- és állategészségügyi kockázatot jelent. Mindezek ellenére a sziget terjedésének molekuláris mechanizmusai és a patogenitásban betöltött szerepe jórészt felderítetlen.
Projektünk fő célja az SGI1 genetikájának eddig zömmel ismeretlen területeinek feltárása, különös tekintettel a sziget terjedési mechanizmusaira és a szigetnek a gazda baktérium patogenitásában játszott szerepére. Tanulmányozni kívánjuk az SGI1-nek a Salmonella virulenciájára, életképességére és patogenezisére gyakorolt hatásait, valamint a sziget terjedését élő állat bélflórájában. Emellett fontos célkitűzésünk az SGI1 sziget és a terjedésében közreműködő plazmidok szerepének molekuláris aspektusainak vizsgálata is.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Az SGI1 szigetet eredetileg S. T. DT104 törzsekben azonosították, de újabban több más, járványt okozó szerotípusban is kimutatták. A sziget nyilvánvaló horizontális terjedése ellenére a kutatás eddig kevés figyelmet fordított ennek molekuláris aspektusaira és korlátaira, valamint az SGI1-nek a gazda baktérium patogenitásában játszott szerepére. Projektünk célja egy olyan átfogó kutatás, mely három nagyobb téma keretében érinti az SGI1 genetikájának és ökológiájának eddig mellőzött területeit.
1. SGI1 átvitelének molekuláris alapjai.
Kutatásunk az SGI1 mobilitásához szükséges eddig feltáratlan funkciók azonosítását célozza mind a sziget, mind a helper plazmid vonatkozásában.
2. SGI1 hatása a gazda baktérium fitnesz és virulencia tulajdonságaira.
Feltételezések szerint az SGI1 jelenléte befolyásolja a gazda baktérium patogenitását, de izogénikus SGI1+ és SGI1- törzspárok hiányában gondos összehasonlítás eddig nem történt. Kutatásunk során ilyen törzspárok létrehozását és összehasonlító vizsgálatát tervezzük in vitro és in vivo kísérleti rendszerekben az SGI1 patogenetikai jelentőségének tisztázása érdekében.
3. SGI1 horizontális terjedésének tanulmányozása in vivo.
A sziget előfordulása jelenlegi ismereteink szerint főként S. enterica törzsekre korlátozódik, holott nagy gyakoriságú átvitelét észlelték in vitro pl. E. coli-ba. Ez felveti valamilyen természetes gát létezésének lehetőségét, amely akadályozza a szigetnek a Salmonellával a bélben együtt élő más fajokba való átjutását. Kutatásunk az SGI1 in vivo horizontális terjedését kívánja vizsgálni csirke bélflórában a csirkehús termelésre jellemző körülmények között, melyek a S. T. DT104 egyik forrását jelentik.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A non-typhoid humán és haszonállat salmonellozisok legtöbbjét néhány S. enterica szerotípus okozza. A S. Typhimurium (S. T.) ma is világszerte a legfontosabb ilyen szerotípusok egyike. A S. T törzsek megemelkedett virulenciájú multirezisztens (MDR) klónjai az 1980-es években jelentek meg és a ’90-es években világszerte elterjedtek. Multirezisztenciájukat legtöbb esetben a kromoszómán elhelyezkedő géncsoport, a Salmonella Genomi Sziget 1 (SGI1) okozza. Elsőként a szigetet S. T. DT104-ben azonosították, de azóta számos járványt okozó szerotípusban és újabban néhány Proteus mirabilis törzsben is megtalálták. Ez a tény a sziget horizontális terjedésére, valamint a sziget jelenléte és a megemelkedett virulencia közötti összefüggésre utal, ami jelentős népegészségügyi kockázatokat rejt magában a jövőre nézve.
Reményeink szerint a kutatásunk jelentősen hozzájárul az SGI1 szigetről és általában a genomi szigetekről, mint az antibiotikum rezisztencia gének fontos hordozóiról felhalmozott ismeretekhez. Egyúttal segíthet az új multirezisztens patogének kialakulásának tisztázásában is. A tervezett projekt hozzájárul a humán és állategészségügyben gyakori problémákat okozó patogenitási és rezisztencia szigetek mobilitásának, horizontális átvitelének és terjedésének mélyebb megértéséhez. A kutatás molekuláris genetikai része az SGI1 transzferének olyan, jórészt még ismeretlen területeire fókuszál, mint a konjugációs funkciók, a helper plazmidokkal való kooperáció és e folyamatok szabályozása. A második és harmadik fő témakör az SGI1 ökológiájával foglalkozik. Az izogénikus SGI1+ és SGI1- Salmonella törzsek patogenitásának részletes összehasonlító analízise, valamint a sziget in vivo horizontális terjedésének metagenomikai vizsgálata új utakat nyithat diagnosztikai és preventív alkalmazások kifejlesztése felé mind a humán, mind az állatgyógyászatban. Mivel az ilyen mobilis genomi szigeteknek a Salmonella törzsek globális elterjedésében nagy jelentőségük lehet, eredményeink elősegíthetik jövőbeni megelőző beavatkozások hatékonyságának előrejelzését is.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Az antibiotikumrezisztens kórokozó baktériumok elleni küzdelem szinte egyidős az antibiotikumok használatával. Az antibiotikumok széleskörű alkalmazása – mint erős szelekciós tényező, valamint az a tény, hogy az antibiotikum rezisztencia (AR) gének általában mobilis genetikai elemekben találhatók, valószínűleg együtt vezettek a multirezisztens (MDR) kórokozók globális elterjedéséhez.
Számos Salmonella enterica törzs okoz fertőzéseket emberben és állatállományokban. Ezek között az 1980-as években MDR változatok bukkantak fel és világszerte elterjedtek. E törzsek multirezisztenciájáért egy kromoszómán található mobilis géncsoport, a Salmonella Genomi Sziget 1 (SGI1) a felelős, amely több mint hét antibiotikummal szemben okoz rezisztenciát. Jelenleg már számos járványt okozó Salmonella szerovariánsban is kimutatható, ami arra utal, hogy az AR gének átvitelének hatékony eszköze, és számottevő egészségügyi kockázatot jelent az ember és haszonállatai számára. Mindezek ellenére az SGI1 terjedésének molekuláris mechanizmusai és a gazda baktérium patogenitására gyakorolt hatásai jórészt ismeretlenek.
Kutatásunk célja az SGI1 genetikájának még ismeretlen területeinek feltárása, különös tekintettel a sziget terjedési mechanizmusaira és a gazda baktérium patogenitásában játszott szerepére. Reményeink szerint a kutatásunk jelentősen hozzájárul az SGI1-ről és általában a genomi szigetekről, mint az AR gének fontos hordozóiról felhalmozott ismeretekhez. Mivel az ilyen mobilis genomi szigeteknek nagy jelentőségük lehet a patogén törzsek globális elterjedésében, eredményeink elősegíthetik ennek okainak tisztázását és jövőbeli megelőző beavatkozások hatékonyságának előrejelzését is.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Strains of the food-borne pathogen, Salmonella enterica Typhimurium (S. T.) phage type DT104 are of zoonotic origin and cause numerous infections in humans and livestocks. The multidrug resistant (MDR) pandemic clone with seemingly enhanced virulence was detected in the early 1980s and its prevalence has rapidly increased worldwide. MDR S. T. strains also affected the livestocks in Hungary and numerous strains have been isolated from animals and meat products. Multiresistance of these DT104 strains is conferred by the chromosomal gene cluster designated as the Salmonella genomic island 1 (SGI1). The island contains a complex In104 integron encoding the resistance for ampicillin, chloramphenicol, florfenicol, streptomycin, spectinomycin, sulphonamides and tetracycline. SGI1 proved to be an integrative mobilizable genetic element transmitted to numerous epidemic Salmonella serovars possessing significant health risk for humans and animals. Despite these facts, molecular mechanisms of SGI1 distribution and its contribution to pathogenicity are mainly undiscovered.
This project aims to explore these mostly unknown areas of SGI1 genetics, focusing on the different aspects of transfer and the consequences of possessing the island to the pathogen host bacteria. We plan to examine the relations between the island and its host bacteria, especially regarding the role of SGI1 in the pathogenicity and fitness of Salmonella and the in vivo horizontal transfer of SGI1 in the gut microflora of host animals. Special attention will also be paid to the molecular mechanisms of transfer of the island and the cooperation between SGI1 and the plasmids involved in the transfer.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
SGI1 was originally described in S. T. DT104, but has been detected recently in many other epidemic serovars. Despite the apparent horizontal spread of SGI1, few attentions are paid to the molecular mechanisms and in vivo limitations of its transfer, and the effect of SGI1 on the pathogenicity of its host bacteria. This comprehensive project aims to discover many unknown fields of SGI1 genetics and ecology in three major tasks.
1. Exploration of the molecular mechanisms determining the transfer of SGI1.
Here we examine the unexplored mobility functions encoded in SGI1 (genes and cis elements of the transfer) and those provided by the helper plasmids.
2. Studies of the possible role of SGI1 in fitness, virulence and pathogenesis of S. T. DT104 strains.
It has been proposed that SGI1 may be involved in the pathogenicity of its bacterial host, but without careful comparison of isogenic SGI1+ and SGI1- strains. Here we plan to generate and systematically study such parent and mutant strains in different in vitro and in vivo biological systems in order to understand the pathogenetic significance of SGI1.
3. Investigation of horizontal transfer of SGI1 in vivo.
SGI1 appears to be restricted mainly to S. enterica strains, whereas its high frequency transfer was observed into E. coli under lab conditions. This may raise the question whether a natural barrier exists in the horizontal transfer to other bacteria living together with Salmonella in the intestine. Thus, we intend to monitor the horizontal transfer of SGI1 in vivo in the chicken gut microflora under conditions simulating production environment of chicks, as being one of the reservoirs of S. T. DT104 for humans.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Several S. enterica serotypes cause the majority of non-typhoid salmonelloses infections in humans and livestocks. One of the most important serotype is the S. Typhimurium (S. T.) worldwide. The MDR pandemic clone of S. T. with enhanced virulence appeared in 1980s and its prevalence increased globally in the 1990s. Multiresistance of these strains is often conferred by the mobilizable chromosomal gene cluster SGI1. It was originally described in S. T. DT104, but has been detected in many other epidemic serovars and recently in several Proteus mirabilis strains. This fact clearly indicates the horizontal spread of the island and the possible relationship between the potentially enhanced virulence related to the presence of SGI1, which could mean high public health risk to the future treatment of bacterial infections.
We are convinced that our work will significantly improve the knowledge on SGI1 and more generally on the mechanisms of spreading the genomic islands, as the major carriers of antibiotic resistance determinants. This will also help to clarify their role in the emergence of new MDR pathogens. The planned project will contribute to deeper insight into the mechanisms of mobility, horizontal transfer and spread of the pathogenicity and resistance islands often causing serious concerns in human and veterinary medicine. The molecular genetic analysis section of the project focuses on the mostly unknown aspects of SGI1 transfer, such as conjugation functions, cooperation with helper plasmids and the regulation of these processes. The second and third major tasks deal with the ecology of SGI1. Detailed characterization of pathogenicity of isogenic SGI1+ and SGI1- Salmonella strains and the metagenomic analysis of in vivo horizontal transfer of the island may open new ways towards the development of diagnostic or preventive applications both in veterinary and human medicine. Since these mobile genomic islands have a great relevance to the worldwide spread of the Salmonella strains in different hosts, this work may help to make predictions on future chances for preventive intervention methods.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Combating the antibiotic resistant pathogenic bacteria began nearly at the time of the use of antibiotics. The fact that antibiotic resistance (AR) genes generally occur in mobile genetic elements and the general use of antibiotics – as a strong selective pressure – are probably the main reason for the worldwide distribution of multiresistant pathogens.
Numerous strains of Salmonella enterica cause infections in humans and livestocks. The multidrug resistant (MDR) pandemic variants were detected in the early 1980s and their prevalence increased worldwide. Multiresistance of these strains is conferred by the chromosomal gene cluster designated as the Salmonella Genomic Island 1 (SGI1). This island proved to be a mobile genetic element and contains genes encoding resistance for more than seven antibiotics. SGI1 is present in numerous epidemic Salmonella serovars indicating that the island is an effective vehicle of AR genes and possesses significant health risk for humans and animals. Despite these facts, molecular mechanisms of SGI1 distribution and its contribution to pathogenicity are mainly undiscovered.
This project aims to explore these mostly unknown fields of SGI1 genetics, focusing on both the molecular aspects of spread of SGI1 and the effects of the island on the pathogenicity and virulence of its host bacteria. We are convinced that our work will significantly improve the knowledge on genomic islands, the major sources of AR genes, and their role in the emergence of new MDR pathogens. Since these islands have a great relevance to the worldwide spread of the pathogenic strains, this work may help to make predictions for preventive intervention methods.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Anna Hegyi, Mónika Szabó, Ferenc Olasz, János Kiss.: Identification of oriT and a recombination hot spot in the IncA/C plasmid backbone., Scientific Reports, 6;7(1):10595., 2017 | | Alexandra Veress, Tímea Wilk, János Kiss, Ferenc Olasz, Péter Pál Papp.: Draft Genome Sequences of Saccharibacter sp. Strains 3.A.1 and M18 Isolated from Honey and a Honey Bee (Apis mellifera) Stomach., Genome Announc. 5(30). pii: e00744-17., 2017 | | Alexandra Veress, Tímea Wilk, János Kiss, Péter Pál Papp, Ferenc Olasz: Two Draft Genome Sequences of Sphingobacterium sp. Strains Isolated from Honey., Genome Announc. 5(48). pii: e01364-17., 2017 | | Gábor Murányi, Mónika Szabó, János Kiss: The effects of homologous activators of SGI1 and IncA/C plasmids on SGI1-related AcaCD-responsive promoters., Hungarian Life Sciences, 31 March- 2 April 2017, Eger, Hungary. Abstract book 189-190., 2017 | | Gábor Murányi, Mónika Szabó, János Kiss: The Effect of FlhDC homologs of Incompatibility Group A/C Plasmids and Salmonella Genomic Island 1 on AcaCD-responsive promoters, Federation of European Microbiological Societies (FEMS) 7th Congress of European Microbiologists, 9-13 July 2017, Valencia, Spain, 2017 | | István M. Nagy, Anna Hegyi, Mónika Szabó, János Kiss: Required factors in mobilization of Salmonella Genomic Islands 1., Hungarian Molecular Life Sciences, 31 March- 2 April 2017, Eger, Hungary, Abstract book 190-191., 2017 | | Papp Péter, Szakállas Erik, Olasz Ferenc, Kiss János: Az SGI1 genomi sziget „bensőséges” kapcsolata az IncA/C plazmidokkal, XII. Minikonferencia, SZBK, Szeged, 2013 | | János Kiss, Péter Pál Papp, Mónika Szabó, Tibor Farkas, Gábor Murányi, Erik Szakállas and Ferenc Olasz: The master regulator of IncA/C plasmids is recognized by the Salmonella Genomic island SGI1 as a signal for excision and conjugal transfer., Nucleic Acids Research 43 (18): 8735-8745 doi:10.1093/nar/gkv758, 2015 | | Ferenc Olasz, Péter Pál Papp, Mónika Szabó, Tibor Farkas, Gábor Murányi, Anna Hegyi, Ama Szmolka, Erik Szakállas, Béla Nagy and János Kiss: Mobile genomic islands: the key role of extrachromosomal and integrative mobile elements in horizontal gene transfer., 17th International Congress of the Hungarian Society for Microbiology. July 8-10, 2015. Acta Microbiologica Et Immunologica Hungarica. Vol. 62. Suppl. pp. 185. IF.: 0,778, 2015 | | Anna Hegyi, János Kiss, Mónika Szabó, Ferenc Olasz: Determination of Origin of Transfer of IncA/C Plasmids., 6th Symposium on Antimicrobial Resistance in Animals and the Environment (ARAE 2015) 29 June – 1 July 2015 Tours, France, 2015 | | Gábor Murányi, Mónika Szabó, János Kiss: Genetic Dissection of Integrative Mobilizable Element Salmonella Genomic Island 1., The Mobile Genome: Genetic and Physiological Impacts of Transposable Elements EMBO-EMBL Symposium 16-19 September 2015 EMBL Heidelberg, Germany, 2015 | | Gábor Murányi, Mónika Szabó, János Kiss, Ferenc Olasz: Excision and Conjugal Transfer of a Genomic Island: Investigations of SGI1-encoded ORFs of Unknown Functions., 17th International Congress of the Hungarian Society for Microbiology. July 8-10, 2015. Acta Microbiologica Et Immunologica Hungarica. Vol. 62. Suppl. pp. 185. IF.: 0,778, 2015 | | Gábor Murányi, Mónika Szabó, Ferenc Olasz, János Kiss: Determination and Analysis of the Putative AcaCD-Responsive Promoters of Salmonella Genomic Island 1, PLoS ONE 11(10): e0164561., 2016 | | Mónika Szabó, Tibor Nagy, Tímea Wilk, Tibor Farkas, Anna Hegyi, Ferenc Olasz, János Kiss: Characterization of Two Multidrug-Resistant IncA/C Plasmids from the 1960s by Using the MinION Sequencer Device, Antimicrobial Agents and Chemotherapy 60:6780–6786., 2016 | | Tímea Wilk, Mónika Szabó, Ama Szmolka, János Kiss, Endre Barta, Tibor Nagy, Ferenc Olasz, Béla Nagy.: Genome Sequences of Multidrug-Resistant Salmonella enterica subsp. enterica Serovar Infantis Strains from Broiler Chicks in Hungary., Genome Announc. 4(6). pii: e01400-16., 2016 | | MURÁNYI Gábor, SZABÓ Mónika, KISS János: Gaining Multidrug Resistance by Acquisition of Salmonella Genomic Island 1: Excision, Conjugal Transfer and Effects on the Helper Plasmid Stability., International Symposium Salmonella and Salmonellosis- i3s Session 4, Saint-Malo, France, 6-8 June, 2016, 2016 | | Gábor Murányi, Mónika Szabó, János Kiss: ANALYSIS OF THE INTERACTIONS BETWEEN SALMONELLA GENOMIC ISLAND 1 AND INCA/C HELPER PLASMIDS, 5th ASM Conference on Salmonella, Potsdam, Germany, 29 August-1 September, 2016, 2016 | | Hegyi, A., Szabó, M., Douard, G., Doublet, B., Cloeckaert, A., Kiss, J: Mobilization functions required for the conjugative transfer of Salmonella Genomic Island 1., International Symposium Salmonella and Salmonellosis – i3s Abstract book 119. Saint-Malo, France, 6-8 June, 2016, 2016 | | 16. Olasz F., Nagy T., Szabó M., Kiss J., Szmolka A., Barta E., van Tonder A., Thomson N., Barrow P., Nagy B.: Genome Sequences of Three Salmonella enterica subsp. enterica Serovar Infantis Strains from Healthy Broiler Chicks in Hungary and in the United Kingdom., Genome Announc. 3(1). pii: e01468-14., 2015 | | 17. Német, Z., Albert, E., Nagy, T., Olasz, F., Barta, E., Kiss, J., Dán, Á., Bányai, K., Hermans, K. and Biksi, I.: Draft genome sequence of a highly virulent rabbit Staphylococcus aureus strain., Genome Announc. 3(4) e00461-15, 2015 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
