 |
Shiga toxigenic and commensal Escherichia coli and bacteriophages in cattle
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
140344 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Sváb, Domonkos |
| Title in Hungarian |
Szarvasmarha eredetű Shiga toxikus és kommenzalista E. coli és bakteriofágok jellemzése |
| Title in English |
Shiga toxigenic and commensal Escherichia coli and bacteriophages in cattle |
| Keywords in Hungarian |
Shiga/Vero toxin; szarvasmarha; Escherichia coli; bakteriofág; virulencia; zoonózis, mikrobiális genomika, "one health" |
| Keywords in English |
Shiga/Vero toxin; cattle; Escherichia coli; bacteriophage; virulence; zoonosis; microbial genomics, one health |
| Discipline |
| Veterinary sciences (Council of Complex Environmental Sciences) | 80 % | | Ortelius classification: Zoonesis | | Microbiology: virology, bacteriology, parasitology, mycology (Council of Medical and Biological Sciences) | 20 % |
|
| Panel |
Plant and animal breeding |
| Department or equivalent |
Veterinary Medical Research Institute |
| Participants |
Jánosi, Szilárd
Jurkovich, Viktor
Mag, Tünde Annamária
Maróti, Gergely
Pertics, Botond Zsombor
|
| Starting date |
2021-04-01 |
| Closing date |
2022-11-30 |
| Funding (in million HUF) |
8.798 |
| FTE (full time equivalent) |
1.37 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Az Escherichia coli az emlős intesztinális mikrobióta egyik domináns kommenzalista tagja, ám emellett számos patogén törzse is van, melyek súlyos enterális vagy szisztémás betegségeket okoznak. A patogén E. coli törzsek változatos virulencia faktorokkal bírnak, köztük számos, mobilis genetikai elemekhez kapcsolódó citotoxinnal is. Megkülönböztetett figyelem övezi a Shiga toxin termelő E. coli (STEC) törzseket, melyek emberben élelmiszer-közvetítette zoonotikus fertőzéseket okoznak, fő rezervoárja pedig a szarvasmarha.
Jelen munkában hazai szarvasmarha-állományokból kívánunk mintákat venni és STEC, valamint egyéb E. coli törzseket izolálni. A törzseket részletesen jellemezzük mind feno-, mind genotípusosan, különöse hangsúllyal a mobilis genetikai elemekre, elsősorban a profágokra. Összehasonlító genomikai vizsgálatokat is végzünk bevonva humán eredetű és adatbázisokban elérhető, a világ különböző pontjairól származó referenciatörzseket. További cél a mintákból izolált lítikus coliform-specifikus fágok vizsgálata. A fágok gazdaspektrumának vizsgálata segít majd megérteni esetleges szerepüket a horizontális géntranszferben, valamint információt nyújt diagnosztikai (fág-tipizálás) terápiás vagy biokontroll célú felhasználásuk lehetőségeiről patogén E. coli és egyéb coliformok ellen.
Vizsgálataink értékes eredményekkel fognak szolgálni az E. coli evolúciójáról és genomi jellegzetességeiről, továbbá a bakteriofágoknak e folyamatokban betöltött szerepéről.
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.
Részletes információkat szeretnénk nyerni a szarvasmarha által hordozott Shiga toxin termelő E. coli (STEC) törzsek eloszlásáról, virulencia tulajdonságairól és filogenetikai viszonyairól. Különös hangsúlyt fektetünk virulencia génjeikre és az azokat esetlegesen hordozó profágok jellemzésére. Utóbbiak részletes genetikai jellemzését és transzfer mechanizmusaik vizsgálatát is tervezzük.
Fontos célunk továbbá a szarvasmarhában az E. colit fertőzni képes bakteriofágok jellemzése, gazdaspektrumuk, esetleges vektor szerepüket és génösszetételük szempontjából.
Összehasonlító genomikai vizsgálatokat is fogunk végezni, melyben vizsgáljuk a különböző forrásból származó izolátumokat és összevetjük a világ különböző tájairól származó STEC és egyéb pathotípusú törzsekkel.
A projekt eredményeként a STEC és egyéb, potenciálisan zoonotikus patogén E. coli törzsek elterjedtségéről naprakészebb és pontosabb információink lesznek.
Eredményeink segítenek meghatározni azokat a szelektív környezeti és genetikai tényezőket, melyek a szarvasmarhában a patogén, zoonotikus E. coli törzsek evolúcióját alakítják.
Ismereteink bővülnek majd a Shiga toxint és egyéb virulencia géneket hordozó profágok gyakoriságáról és változatosságáról, valamint e profágok virulencia gének terjesztésében betöltött szerepéről.
A szarvasmarha eredetű E. colit fertőzni képes lítikus bakteriofágokról szerzett információk segítenek meghatározni pontosabb szerepüket e baktériumok populációdinamikájában. A jellemzett fágok közt potenciálisan terápiás vagy biokontroll célokra alkalmazhatókat is feltehetőleg azonosítani fogunk.
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!
Szarvasmarha eredetű Shiga toxin termelő E. coli (STEC) és kommenzalista E. coli törzsgyűjtemény létrehozásával teljesebb képet kapunk a potenciálisan zoonotikus E. coli törzsek elterjedtségéről magyarországi szarvasmarha állományokban. Ezen adatok birtokában könnyebben meghatározható a törzsek közegészségügyi kockázata.
A törzsek virulenciájának genetikai hátteréről szerzett széleskörű ismeretek a törzsek teljes genomjának meghatározásával együtt hozzá fog járulni pontosabb diagnosztikai eszközök kifejlesztéséhez, valamint a zoonotikus és patogén E. coli evolúciójának pontosabb megismeréséhez. A különböző földrajzi helyekről, valamint állati és emberi forrásból származó törzsek összehasonlítása segíthet meghatározni azokat a jellegzetes feno- és genotípusos mintázatokat, melyek segítik a zoonotikus E. coli terjedését és fennmaradását a szarvasmarha állományokban. Mindezen ismeretek segíthetnek zoonotikus és élelmiszer-közvetítette E. coli fertőzések hatékony megelőzésében is.
A mobilis genetikai elemek vizsgálata segíteni fogja evolúciós útjuk felderítésében, és az új E. coli patotípusok kialakulási mechanizmusainak megértésében.
Korábban az Enterális bakteriológia kutatócsoport végzett már hasonló vizsgálatot a magyarországi szarvasmarha eredetű E. coli törzseken, egy hasonló új projekt értékes eredményekkel szolgálna az azóta bekövetkezett változásokat és a törzsek földrajzi eloszlását illetően. Jelen projektben jóval több genetikai információt szeretnénk nyerni, továbbá átfogóan vizsgálnánk a törzsekhez kapcsolódó bakteriofágokat is.
Új genotípusú törzsek teljes genom szekvenciái, valamint új típusú mobilis genetikai elemek leírása, melyek fontos virulencia génekhez kapcsolódnak, nemzetközi jelentőségű eredmények lennének.
A STEC törzseket és más coliform patogéneket fertőzni képes bakteriofágok részletes feno- és genotípusos jellemzése szintén nemzetközi érdeklődésre tarthat számot. STEC és hasonló baktériumok ellen potenciálisan terápiás vagy élelmiszerben biokontroll célra alkalmazható bakteriofágok azonosítása nemzetközi érdeklődésre számot tartó, jövőbeni alkalmazott kutatások alapjául szolgáló eredmény lehetne.
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 Escherichia coli az emlősök normál bél-mikrobiótájának részét alkotó baktérium, ám számos kórokozó törzs is e fajba tartozik, melyek emberben és állatokban súlyos betegséget képesek okozni. Fontos jellemzőjük nagyfokú genetikai változatosságuk, mely részben a horizontális géntranszfer (HGT) jelenségének köszönhető. E mechanizmus segítségével számos kórokozó képességet befolyásoló, ún. virulencia, és túlélést segítő ún. fitness géneket képesek a különböző E. coli törzsek egymásnak átadni. Számos emberi E. coli fertőzés élelmiszer eredetű, és sok E. coli törzset az egészséges szarvasmarhák hordoznak, ezért e törzseket zoonotikus, állatról emberre terjedni képes törzseknek nevezzük. Jelen projektben mintákat kívánunk venni magyarországi szarvasmarha-állományokból, hogy potenciálisan kórokozó E. coli törzseket izoláljunk és azonosítsunk. Jellemezzük virulencia tulajdonságaikat, génállományukat és összehasonlítjuk őket emberi eredetű és a világ más részein izolált törzsekkel. A baktériumokat fertőző vírusok, az ún. bakteriofágok jelentős szerepet játszanak az E. coli esetében, mint a HGT jelentős tényezői és a baktériumok „ragadozóiként” is viselkednek. Emiatt az izolált E. coli törzsek genomjában esetlegesen beépült bakteriofágokat (ún. profágokat) és a szintén szarvasmarhából izolált, és e baktériumokat fertőzni képes bakteriofágokat is jellemezni kívánjuk. Eredményeink segítségével bővülnek ismereteink a kórokozó E. coli genetikai változatosságáról, a bakteriofágok vizsgálatával pedig potenciális antibakteriális célra alkalmazható ágenseket találhatunk, melyeket terápiás célokra, vagy pedig megelőző jelleggel élelmiszerbiztonsági célokra lehetnek alkalmasak.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Escherichia coli, while being a dominant commensal member of the mammal intestinal microbiota, also contains several pathogenic strains capable of causing serious enteric or systemic diseases, and having a diverse array of virulence factors, including various cytotoxins which are often associated with mobile genetic elements. Special attention is given to Shiga toxin producing E. coli (STEC) strains, associated with food-borne zoonotic infections in humans, cattle being its main reservoir. Several strains belonging to other pathotypes are also frequently reported from cattle.
In the current study we plan a sampling of cattle farms in Hungary. We wish to isolate STEC and related E. coli strains from the samples, and to characterise them in-depth, both pheno- and genotypically, with emphasis on mobile genetic elements, and especially on prophages. Comparative genomic studies will be conducted using E. coli isolates of human origin, those isolated from cattle carcasses and reference strains available in databases from around the world. Another aim is to characterise the inducible prophages carried by the strains, as well as the free coliform-specific lytic phages isolated from the same samples. Determination of the phages’ host specificity will help to evaluate their role in horizontal gene transfer, as well as their possible use as therapeutic or biocontrol agents against pathogenic E. coli and other coliform bacteria.
The study could produce important results regarding the evolution and genome dynamics of pathogenic E. coli, and yield valuable information regarding the role of bacteriophages in this process.
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.
We wish to get a detailed picture on the distribution, virulence properties and phylogenetic relations of Shiga toxin producing E. coli (STEC) in cattle, with special emphasis on their virulence genes and associated prophages, which we also wish to characterize regarding their genetic composition and transfer mechanisms.
Another main aim is the characterization of free bacteriophages associated with E. coli in cattle regarding their host spectrum, lysogenic capacity and gene content.
Comparative genetic and genomic studies will be conducted, with emphasis on comparing the strains with those originating from human clinical samples and cattle carcasses in Hungary and to reference strains worldwide.
As a result of the project, more up-to-date and accurate information will be available on the frequency and distribution of STEC strains and related potentially zoonotic E. coli will be assessed.
The results will also help in assessing the selective factors and genetic determinants shaping the evolution of pathogenic and zoonotic E. coli in cattle.
We will also increase the knowledge regarding the variability and frequency of prophages encoding Shiga toxins and other virulence genes, and get a better picture on their role in spreading virulence factors.
Information about the lytic bacteriophages associated with bovine E. coli will help to assess their role in the population dynamics of these bacteria. Among these phages, candidates for therapeutic and biocontrol applications will be identified and characterized.
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.
By establishing a bovine Shiga toxin producing E. coli (STEC) and commensal E. coli collection, we will have a more complete picture on the occurrence of potentially zoonotic E. coli in Hungarian cattle herds. These data will help in assessing the animal and human health risk represented by these pathogens.
Thorough knowledge of the genetic background of the virulence of the strains, together with the whole genome sequencing of selected strains will facilitate the development of more accurate diagnostic tools, and contribute to understanding the evolution of pathogenic and zoonotic E. coli. Comparison of strains from different geographical locations as well as from human and animal sources help identifying characteristic pheno- and genotypic patterns which aid the survival or spread of zoonotic E. coli in cattle herds. These findings could contribute to strategies for the effective prevention of zoonotic or foodborne E. coli infections.
Investigating the mobile genetic elements of the strains, will help in assessing their evolutionary pathways, and understanding the mechanisms behind the emergence of new pathotypes of E. coli.
Earlier the Enteric bacteriology group conducted a similar study on bovine E. coli in Hungary. Given the genetic variability of pathogenic E. coli, a new study of similar nature could yield valuable results, regarding the geographic distribution of different genotypes. The present proposal aims to yield considerably more genetic data, and also a comprehensive study of bacteriophages associated to bovine E. coli.
Whole genomes of strains with new genotypes, and also new types of mobile genetic elements associated with important virulence determinants would have international scientific significance.
Detailed phenotypic and genomic characterisation of bacteriophages infecting STEC and other coliform bacteria would also warrant international attention. Finding phages that could be candidates for therapeutic use, or for application as biocontrol agents in foodstuff against STEC and related bacteria would also be a significant scientific result with implications for applied research worldwide.
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.
Escherichia coli is a bacterium of the normal intestinal microbiota of mammals, but it also contains various pathogenic strains, capable of causing serious diseases in animals and humans. One of their characteristic feature is great genetic variability, which is partly due to the mechanism of horizontal gene transfer. Through this mechanism, many of the virulence (disease-associated) and fitness genes are exchanged between different strains of E. coli. These genes encode traits like production of toxins. Many human pathogenic E. coli are associated with foodborne infections, and are carried by healthy cattle, therefore they are termed zoonotic. In this study we plan to take samples of cattle herds in Hungary, to isolate potentially zoonotic E. coli strains. We will characterise their virulence properties, study their genetic material, and compare strains isolated from animals with those isolated from humans, both in Hungary and from international strain collections. Bacteriophages – viruses infecting bacteria – are known to play significant role as agents of horizontal gene transfer in E. coli, while also acting as predators against bacteria. Therefore, bacteriophages integrated into the genomes of the isolated E. coli strains as prophages will also be investigated. Free bacteriophages associated with E. coli from cattle will also be isolated and characterized from the same animals. Our results will aid in understanding the genetic variability of pathogenic E. coli, and the study of bacteriophages will help to find potential candidates for being used as antibacterial agents, applicable in therapy as well as in food safety.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Sváb Domonkos, Falgenhauer Linda, Papp Viktória, Rohde Manfred, Chakraborty Trinad, Tóth István: Characterisation of new anti-O157 bacteriophages of bovine origin representing three genera, ARCHIVES OF MICROBIOLOGY 204: (4) 231, 2022 | | Sváb Domonkos, Falgenhauer Linda, Mag Tünde, Chakraborty Trinad, Tóth István: Genomic Diversity, Virulence Gene, and Prophage Arrays of Bovine and Human Shiga Toxigenic and Enteropathogenic Escherichia coli Strains Isolated in Hungary, FRONTIERS IN MICROBIOLOGY 13: 896296, 2022 | | Tóth István, Bagyinszky Eva, Sváb Domonkos: Multiplex polymerase chain reaction typing scheme based on Escherichia coli O157:H7 Sakai prophage (Sp)-associated genes, INTERNATIONAL JOURNAL OF INFECTIOUS DISEASES 120: (68) p. 76., 2022 | | Sváb D, Falgenhauer L, Rohde M, Szabó J, Chakraborty T, Tóth I.: Identification and Characterization of T5-Like Bacteriophages Representing Two Novel Subgroups from Food Products., Front Microbiol. 2018 Feb 13;9:202. doi: 10.3389/fmicb.2018.00202., 2018 | | Sváb D, Falgenhauer L, Rohde M, Chakraborty T, Tóth I.: Identification and characterization of new broad host-range rV5-like coliphages C203 and P206 directed against enterobacteria., Infect Genet Evol. 64:254-261. doi: 10.1016/j.meegid.2018.07.004., 2018 | | Sváb D, Falgenhauer L, Rohde M, Chakraborty T, Tóth I.: Complete genome sequence of C130_2, a novel myovirus infecting pathogenic Escherichia coli and Shigella strains., Arch Virol. 164:321-324. doi: 10.1007/s00705-018-4042-0., 2019 | | Sváb, D ; Horváth, B ; Rohde, M ; Maróti, G ; Tóth, I: . R18C is a new viable P2‑like bacteriophage of rabbit origin infecting Citrobacter rodentium and Shigella sonnei strains., Arch. Virol. 164: 3157-3160. , 4 p., 2019 | | Adorján, A ; Makrai, L ; Mag, T ; Jánosi, Sz ; Könyves, L ; Tóth, I.: High Frequency of Multidrug-Resistant (MDR) Atypical Enteropathogenic Escherichia coli (aEPEC) in Broilers in Hungary., Front. Vet. Sci. 7, 2020 | | Sváb Domonkos, Falgenhauer Linda, Chakraborty Trinad, Tóth István: Complete Genome Sequences of Novel Bovine T4, rv5-Like, and Dhillonviruses Effective against Escherichia coli O157, MICROBIOLOGY RESOURCE ANNOUNCEMENTS 10: (1) e01261-20, 2021 | | Sváb Domonkos, Falgenhauer Linda, Horváth Balázs, Maróti Gergely, Falgenhauer Jane, Chakraborty Trinad, Tóth István: Genome Analysis of a Historical Shigella dysenteriae Serotype 1 Strain Carrying a Conserved Stx Prophage Region, FRONTIERS IN MICROBIOLOGY 11: 614793, 2021 | | Sváb Domonkos, Falgenhauer Linda, Horváth Balázs, Maróti Gergely, Falgenhauer Jane, Chakraborty Trinad, Tóth István: Genome Analysis of a Historical Shigella dysenteriae Serotype 1 Strain Carrying a Conserved Stx Prophage Region, FRONTIERS IN MICROBIOLOGY 11: 614793, 2021 | | Sváb Domonkos, Falgenhauer Linda, Chakraborty Trinad, Tóth István: Complete Genome Sequences of Novel Bovine T4, rv5-Like, and Dhillonviruses Effective against Escherichia coli O157, MICROBIOLOGY RESOURCE ANNOUNCEMENTS 10: (1) e01261-20, 2021 | | Sváb Domonkos, Falgenhauer Linda, Papp Viktória, Rohde Manfred, Chakraborty Trinad, Tóth István: Characterisation of new anti-O157 bacteriophages of bovine origin representing three genera, ARCHIVES OF MICROBIOLOGY 204: (4) 231, 2022 | | Tóth István, Bagyinszky Eva, Sváb Domonkos: Multiplex PCR typing scheme based on Escherichia coli O157:H7 Sakai prophage (Sp) associated genes, INTERNATIONAL JOURNAL OF INFECTIOUS DISEASES 119: IJID6123, 2022 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
