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Doctorado en Ciencia Animal Tesis Estudio de fagos codificantes de toxina Shiga subtipo 2a presentes en aislamientos nativos de Escherichia coli Por: Julia Burgán Facultad de Ciencias Veterinarias U.N.C.P.B.A. 2019 Doctorado en Ciencia Animal Tesis Estudio de fagos codificantes de toxina Shiga subtipo 2a presentes en aislamientos nativos de Escherichia coli Por: Julia Burgán Facultad de Ciencias Veterinarias U.N.C.P.B.A. Director: Dra. Paula M.A. Lucchesi Codirector: Dra. Alejandra Krüger Miembros de jurado: Dra. Maria T. Muniesa Pérez Dr. Raúl R. Raya Dra. Sandra E. Peréz Tandil, julio de 2019 Agradecimientos Llegó el momento de los agradecimientos y pienso… ¡Qué lindo es tener motivos para dar las gracias! Es la clara evidencia de que no estamos solos. Y sin dudas, son muchas las personas que me han estado acompañando a lo largo de estos casi 5 años. Algunas desde cerca, otras desde más lejos, cada una desde su lugar y a su manera, pero todas tan importantes y necesarias. Gracias a la Facultad de Ciencias Veterinarias (UNCPBA), a la Comisión de Doctorado y la Secretaría de Posgrado por brindarme el lugar de trabajo. Gracias a las entidades que financiaron el desarrollo de esta tesis y mi beca doctoral: CONICET, FONCYT, SECAT- UNCPBA, CIVETAN. Gracias a Federico Prada, que fue quien me contactó con mi directora. Gracias por esas clases alucinantes en las que demostrabas vocación por tu trabajo, transmitías y contagiabas entusiasmo por la investigación. Gracias a mis directoras, Paula y Alejandra, que desde el principio confiaron en mí sin conocerme. Gracias por la enseñanza y la dedicación. Gracias por todo su apoyo, tanto en lo profesional como en lo personal, y por su calidez humana y su acompañamiento dentro y fuera del ámbito académico. Gracias a todo el grupo del Laboratorio de Inmunoquímica y Biotecnología, gracias por todo lo compartido y por hacer que el laboratorio funcione. Gracias, en especial, a “las pibas del lab”, para ellas va dedicado un párrafo aparte. Gracias a la gente de “boxes” y abrazo de gol para las chicas de fútbol. A “las pibas del lab”, Jime, Juli G., Juli R., Ro y Vicky, definitivamente no imagino estos 5 años sin ustedes. Totalmente agradecida de que la vida nos haya puesto en el mismo camino. Muchas gracias amigas por todo lo vivido: las risas y los llantos, el trabajo y las juntadas extra laborables, los chistes y el mal humor, las peleas y las reconciliaciones, la felicidad y los corazones rotos. Gracias Jime por escucharme siempre, por tu comprensión y por tus mates que reconfortan. Gracias Juli G. por esas charlas mágicas y los abrazos que reinician. Gracias Juli R. por los viajes, las salidas y los partidos compartidos. Gracias Ro por tus consejos de hermana mayor y por tus “vamos a comprar caramelos”, muy necesarios para remontar las tardes. Y gracias Vicky, por tu buen humor, desde tempranito camino al campus cantando bien arriba y siguiéndome en todas las pavadas. Gracias a mis amigos de toda la vida, “el surtido” como nos autodenominamos. Gracias por las llamadas, que pueden durar desde unos pocos segundos hasta vaaaarios minutos, por los mensajes a cualquier hora, por las palabras justas en los momentos indicados. Gracias, porque a pesar de la distancia, siempre encontramos la manera de estar cerca. Gracias a mi familia. Gracias a mis abuelas y a mis tías, por todo su cariño y por malcriarme más que nadie. Gracias a mi hermano, por sus consejos y opiniones tan importantes para mí. Una vez me dijiste “Gorda, vos vas a lograr cualquier cosa que te propongas”… y yo te creí, ¡gracias mi gordu! Y por último, gracias infinitas a mis viejos, por ellos soy quien soy. Gracias por darme siempre la libertad para elegir y apoyarme incondicionalmente en todas mis decisiones. Resumen Escherichia coli productor de toxina Shiga (STEC) es un microorganismo que coloniza el tracto intestinal de los animales y causa en el hombre diarreas y graves enfermedades, entre ellas, el síndrome urémico hemolítico (SUH). El SUH es una afección severa que afecta con mayor frecuencia a niños menores de 5 años. En niños y adolescentes representa una de las principales causas de insuficiencia renal aguda y crónica, y es el responsable de una importante proporción de los trasplantes de riñón. Es una enfermedad para la cual no existe tratamiento específico y, en los casos más graves, puede derivar en la muerte del paciente. Argentina presenta la mayor incidencia de SUH a nivel mundial. El ganado bovino es reconocido como el principal reservorio de STEC, y el consumo de alimentos derivados contaminados, como la principal vía de transmisión a humanos. El contacto directo con animales portadores, y su entorno, y el contacto persona a persona son otras fuentes importantes de contagio. Varios factores de virulencia han sido descriptos para estas bacterias, pero no se conocen cuáles son las características que definen con certeza a una cepa STEC con capacidad de producir enfermedad grave. El mecanismo de patogenicidad común a todas y que juega un papel esencial en el desarrollo de SUH, es la producción de toxina Shiga (Stx). Diversos subtipos de Stx han sido descriptos y asociados a distintos riesgos de desarrollar enfermedades. El subtipo Stx2a es el mayormente asociado a SUH. Dentro del genoma bacteriano, los genes stx se encuentran codificados en bacteriófagos temperados, denominados fagos Stx. Estos fagos, que muestran una gran diversidad, desempeñan un rol fundamental en la patogénesis de STEC: influyen en la expresión de stx, y durante la lisis bacteriana, producto de la inducción de los profagos, se produce la liberación de estas toxinas. Estos fagos también desarrollan un importante papel en la propagación y transferencia de genes de virulencia y, como consecuencia, en la formación de cepas patógenas emergentes. Se han identificado más de 400 serotipos de STEC y alrededor de 100 han sido asociados a enfermedad en humanos. En la mayoría de las infecciones el serotipo involucrado es O157:H7. Sin embargo, en la actualidad existen a nivel mundial muchos casos de enfermedad causados por cepas de otros serotipos. El objetivo general de esta tesis fue caracterizar los fagos codificantes de stx2a presentes en cepas STEC de distintos serotipos aisladas en Argentina. Para ello se propuso resubtipificar las cepas, caracterizar regiones involucradas en la regulación del ciclo lítico de los fagos, cuantificar los niveles de expresión y de inducción de profagos Stx2a y comparar los resultados obtenidos de acuerdo a distintas particularidades de los fagos y de las cepas portadoras. También se evaluó el comportamiento de un mismo fago en diferentes entornos bacterianos. En cuanto a la resubtipificación, todas las cepas previamente caracterizadas como portadoras del subtipo vt2EDL933 fueron positivas para stx2a. Las cepas que además portaban el/los subtipo/s vt2vha y/o vt2vhb se resubtipificaron como positivas para stx2c y las cepas que presentaban el subtipo vt1EDL933, fueron positivas para stx1a. En la mayoría de las cepas se confirmó la proximidad del gen ninG a stx2 y la presencia del alelo q933, solo o en combinación con el alelo q21. De las cepas negativas para ninG, una fue positiva para el alelo qO111 y el resto negativas para los 3 alelos de q estudiados. En general, las cepas que presentaron el alelo q933 portaban el subtipo stx2a y las positivas para los alelos q933 y q21, portaban stx2a y stx2c. Si bien esta asociación entre subtipos de stx y alelos de q ya ha sido observada en otros trabajos, no es una asociación exclusiva. En cuanto al alelo qO111, se encontró en una cepa genotipo stx1a/stx2a. Los niveles de expresión de stx2a detectados entre las cepas fueron heterogéneos, tanto en condiciones basales como inducidascon mitomicina C, y se encontraban dentro de los órdenes de magnitud reportados por otros grupos de trabajo. Sólo en una de las cepas O145:H- de origen humano no se detectó expresión en ninguna de las condiciones. En la mayoría de las cepas tratadas con mitomicina C la expresión de stx2a fue mayor respecto a la expresión basal, con la excepción de una cepa O91:H21 y la O113:H21, ambas aisladas de alimentos, que mostraron una expresión similar en ambas condiciones. Mediante el método de la capa doble de agar se detectó producción de partículas infectivas de fagos en la mayoría de las cepas analizadas. Los títulos de fagos con mitomicina C aumentaron en un rango de entre 1 y 3 órdenes de magnitud con respecto a los títulos fagos inducidos de manera espontánea Algunos fagos produjeron placas de lisis turbias, difíciles de ver y poco definidas. En una cepa O26:H11 y en dos O157:H7, se evidenciaron por hibridación placas de lisis no detectadas visualmente. Por qPCR, los niveles de inducción de fagos Stx2a fueron variables y se encontraban dentro de los órdenes de magnitud reportados por otros investigadores. El aumento en la producción de fagos Stx2a con mitomicina C también se evidenció en la mayoría de las cepas, en un rango de 1 a 2,5 logs. Las excepciones fueron una cepa O91:H21 de bovino, que produjo similares cantidades fagos en ambos estados, y dos cepas que no produjeron partículas detectables de fagos Stx2a: otra cepa O91:H21 y la O145:H- que tampoco presentó expresión de stx2a. En cuanto a la comparación de los resultados teniendo en cuenta diferentes variables, se observaron: a) mayor expresión basal de stx2a en las cepas O157:H7 que en las O26:H11, pero en respuesta a mitomicina C, mayor incremento en las cepas O26:H11 que en las O145:H- y O157:H7; b) mayor incremento de la expresión de stx2a con mitomicina C en las cepas aisladas de bovino que en las aisladas de humanos; c) niveles basales de expresión de stx2a inferiores en las cepas positivas para q933 que en las positivas para q933 y q21, y en las cepas ninG negativas con respecto a las ninG positivas; d) un mayor aumento en la producción de fagos con mitomicina C en las cepas que portaban sólo el subtipo stx2a con respecto a las que portaban tanto stx2a como stx2c. Por otra parte, se observó una correlación positiva moderada entre los niveles de expresión basales e inducidos. Dado que en la bibliografía no se ha observado una única tendencia en la asociación entre los niveles de expresión de stx2a y de producción de fagos con las distintas características de las cepas, los resultados obtenidos son, en algunos casos, similares a los reportados por otros investigadores. Tanto en condiciones basales como inducidas con mitomicina C, en los lisógenos generados se detectó expresión de stx2a, placas de lisis y producción de Stx. Comparado con los resultados obtenidos en cada ensayo con la cepa wild type correspondiente, los niveles de expresión estuvieron dentro del mismo orden, la producción de fagos de los lisógenos fue mayor y la cantidad de Stx presente en sus sobrenadantes fue igual o ligeramente menor. En resumen, se encontró que la mayoría de las cepas, independientemente del serotipo y el origen, portaron fagos Stx2a inducibles, mostraron expresión basal de stx2a y aumento en la expresión e inducción de profagos por efecto del agregado de mitomicina C. Además, los lisógenos obtenidos se comportaron de manera similar a las cepas wild type. Estos resultados sugieren que los fagos estudiados aportan características asociadas a una alta virulencia a las cepas que los portan, las cuales, en consecuencia y sin importar su serotipo, representan un potencial riesgo para la salud humana. Las características observadas de los fagos Stx2a presentes en las cepas circulantes en nuestra región, aisladas tanto de bovinos como de humanos, podrían contribuir a la alta incidencia de enfermedad observada. Abstract Shiga toxin-producing Escherichia coli (STEC) is a pathogenic microorganism that can colonize the gastrointestinal tract of animals, causing diarrhea and severe diseases such as hemolytic uremic syndrome (HUS) in humans. HUS is a severe condition that mainly affects children under 5 years old. In children and teenagers it is the most important cause of acute and chronic renal failure, and is responsible for a significant percent of kidney transplants. There is no specific therapy for this disease and in some cases it can lead to death. Argentina has the highest incidence of HUS worldwide. Cattle are the main reservoir of STEC, and bovine-derived products are the main source of infection. Contact with animals carrying STEC, and their environment and person-to-person contact are other important modes of transmission. Several virulence factors have been described for these bacteria, but the characteristics that certainly define a STEC strain able to produce severe disease are not known. The pathogenicity mechanism common to all STEC, which is directly related with the development of HUS, is Shiga toxin (Stx) production. Several subtypes of Stx have been described and associated with different risks of disease development. Stx2a is subtype the most frequently associated with HUS. The stx genes are generally carried by phages whose genomes are integrated into the bacterial chromosome. These phages, called Stx phages, play an important role in the pathogenesis of STEC not only because stx expression is under the control of phage promoters, but also because of toxins release takes place during bacterial lysis caused by phage. These phages also play an important role in the spread of stx genes among bacteria and, as a consequence, in the generation of emerging pathogenic strains. More than 400 STEC serotypes have been identified and around 100 have been associated with disease in humans. In most infections the serotype involved is O157:H7. However, there are currently many cases of disease caused by strains of other serotypes worldwide. The general objective of this thesis was to characterize Stx2a phages present in STEC strains of different serotypes isolated from Argentina. For this, it was proposed to re-subtype the strains, to characterize regions involved in the regulation of the lytic cycle of phages, to quantify stx2a expression and phage production levels and to compare the results obtained according to different characteristics of phages and STEC strains. The behavior of one phage in different bacterial environments was also evaluated. Regarding the re-subtyping, all the strains previously characterized as subtype vt2EDL933, were positive for stx2a. The strains that also carried the subtype vt2vha and/or vt2vhb were re- subtyped as positive for stx2c and the strains that presented the subtype vt1EDL933, were positive for stx1a. In most of the strains the proximity of the ninG gene to stx2 and the presence of the q933 allele were confirmed, alone or in combination with the q21 allele. Between the ninG-negative strains, one was positive for the qO111 allele and the others were negative for the 3 q alleles studied. In general, the strains that presented the q933 allele carried the subtype stx2a and those positive for both q933 and q21, carried stx2a and stx2c. Although this association between subtypes of stx and q alleles has already been observed in other works, it is not an exclusive association. Regarding qO111 allele, it was found in a strain harboring stx1a/stx2a genotype. Heterogeneous levels of stx2a expression were detected among the strains, both in induced and non-induced conditions, and were in the orders of magnitude reported by other researchers. Only one O145:H- strain from human origin did not show detectable stx2a expression in either condition. Most strains increased stx2a expression under mitomycin C treatment, with the exception of2 strains isolated from food, one O91:H21 and one O113:H21, that showed a similar expression both in inducing and non-inducing conditions. The presence of phage particles in culture supernatants was detected by the double-agar- layer method either by visual inspection or hybridization in most of the strains. The phage titers increased in the range of 1 to 3 logs under mitomycin C treatment. Some phages produced turbid lysis plaques, difficult to see and poorly defined. In one strain serotype O26:H11/O26:H11 and in 2 O157:H7 strains, lysis plaques had not been visually detected, but were evidenced by hybridization. For qPCR, Stx2a phage induction/production levels were variable and were in the orders of magnitude reported by other researchers. The increase of Stx2a phage production with mitomycin C was also evident in most of the strains, in a range of 1 to 2.5 logs. The exceptions were the O91:H21 cattle strain in which the amount of Stx2a phage particles was practically the same in both states, and two strains that did not produce qPCR-detectable Stx2a phage particles: another O91:H21, and the O145:H- strain, that had not showed detectable stx2a expression in either condition. Taking into account the different variables, statistical comparisons revealed: a) basal stx2a expression higher in O157:H7 strains than in O26:H11, however, the response to mitomycin C was higher in O26:H11 strains than in O145:H- and O157:H7 strains; b) a higher response to induction in strains from cattle than in those from humans; c) basal stx2a expression lower in q933- positive and ninG-negative strains than q933/q21- and ninG-positive strains, respectively; d) strains that carried only the subtype stx2a had an increase in the production of phages with mitomycin C than those that carried both stx2a and stx2c. Furthermore, Pearson’s coefficient between basal and mitomycin C induced stx2a expression levels indicated a moderate positive correlation. Due that in the literature it has not been observed a single trend in the association between the levels of stx2a expression and phage production according the different characteristics of the strains, the results obtained are, in some cases, similar to those reported by others researchers. Both in basal and with mitomycin C induced conditions, laboratory lysogens expressed stx2a and produced lysis plaques and Stx. Comparing the results obtained in each test with its corresponding wild type strain, the expression levels were in the same order, the phage production of the lysogens was higher and the amount of Stx present in their supernatants was equal or slightly lower. In conclusion, it was found that most of the strains, regardless serotype and origin, carried inducible Stx2a phages, showed basal stx2a expression and increased it expression and phage production due to the effect of mitomycin C treatment. In addition, the lysogens obtained behaved similarly to the wild type strains. These results suggest that the phages studied can contribute to characteristics associated with a high virulence of the strains that carry them, which, consequently and regardless of their serotype, represent a potential risk to human health. The features observed in these Stx2a phages carried by native strains, isolated from both cattle and humans, could contribute to the highest incidence of disease in our region. Palabras claves Escherichia coli productor de toxina Shiga; síndrome urémico hemolítico; expresión de stx2a; profagos Stx2a; ciclo lítico. Abreviaturas ° C: grado centígrado µg: microgramo µl: microlitro µm: micrómetro µM: micromolar ADN: ácido desoxirribonucleico ADNc: ácido desoxirribonucleico copia ADNdc: ácido desoxirribonucleico doble cadena ADNg: ácido desoxirribonucleico genómico ADNsc: ácido desoxirribonucleico simple cadena ARN: ácido ribonucleico ARNdc: ácido ribonucleico doble cadena ARNm: ácido ribonucleico mensajero ARNsc: ácido ribonucleico simple cadena CaCl2: cloruro de calcio dNTPs: deoxirribonucleótidos trifosfato EDTA: ácido etilendiaminotetraacético ELISA: ensayo por inmunoabsorción ligado a enzimas g: gramo g: fuerza de gravedad centrífuga Gb: globotriaosilceramida h: hora H3BO3: ácido bórico HCl: ácido clorhídrico kpb: kilopares de bases LB: medio de cultivo Luria-Bertani M: molar mg: miligramo MgCl2: cloruro de magnesio min: minuto ml: mililitro mM: milimolar N: normal NaCl: cloruro de sodio NaOH: hidróxido de sodio nM: nanomolar p/v: peso en volumen pb: pares de bases PCR: reacción en cadena de la polimerasa PEG: polietilenglicol qPCR: reacción en cadena de la polimerasa cuantitativa RFLP: polimorfismo de longitud de fragmentos de restricción rpm: revoluciones por minuto s: segundo SDS: dodecilsulfato sódico SOC: caldo súper óptimo con represión por catabolito SSC: citrato de sodio salino TBE: Tris-Borato-EDTA Tris: tris(hidroximetil)aminometano U: unidad de actividad enzimática UV: ultravioleta v/v: volumen en volumen TABLA DE CONTENIDOS CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN ....................................................................................... 20 1.1 Escherichia coli .............................................................................................................. 21 1.1.1 Escherichia coli productor de toxina Shiga ............................................................ 21 1.1.1.1 Síndrome urémico hemolítico .......................................................................... 22 1.1.1.2 Reservorio y transmisión.................................................................................. 22 1.1.1.3 Serotipos ........................................................................................................... 24 1.1.1.4 Factores de virulencia ...................................................................................... 25 1.1.1.4.1 Toxina Shiga ............................................................................................. 25 1.2 Bacteriófagos.................................................................................................................. 28 1.2.1 Biología de los fagos ............................................................................................... 28 1.2.1.1 Estructura ......................................................................................................... 28 1.2.1.2 Ciclos de vida ................................................................................................... 29 1.2.1.2.1 Ciclo lítico ................................................................................................. 30 1.2.1.2.2 Ciclo lisogénico ......................................................................................... 31 1.2.1.3 Decisión lisis-lisogenia .................................................................................... 31 1.2.1.3.1 Inducción del profago ................................................................................... 33 1.2.2 Fagos Stx ................................................................................................................. 33 1.2.2.1 Inducción de profagos y producción de Stx ..................................................... 34 1.2.3 Fagos como vectores de virulencia ......................................................................... 36 1.3 OBJETIVOS .................................................................................................................. 37 1.3.1 Objetivo general ...................................................................................................... 37 1.3.2 Objetivos particulares .......................................................................................... 37 CAPÍTULO II: DISEÑO EXPERIMENTAL ......................................................................39 2.1 Cepas bacterianas ........................................................................................................... 40 2.1.1 Cepas de estudio ...................................................................................................... 40 2.1.2 Cepas hospedadoras ................................................................................................ 40 2.1.3 Cepas de referencia ................................................................................................. 40 2.1.4 Conservación de las cepas ....................................................................................... 41 2.2 Identificación de subtipos de stx .................................................................................... 42 2.2.1 Resubtipificación de cepas ...................................................................................... 42 2.2.1.1 Condiciones de reacción .................................................................................. 43 2.3 Caracterización de las regiones de regulación flanqueantes a stx2 ................................ 48 2.3.1 Condiciones de reacción ......................................................................................... 49 2.4 Cuantificación relativa de los niveles de expresión de stx2a .......................................... 53 2.4.1 Condiciones de crecimiento de las cepas ................................................................ 53 2.4.2 Extracción de ARN ................................................................................................. 53 2.4.3 Obtención de ADNc ................................................................................................ 53 2.4.4 Condiciones de qPCR ............................................................................................. 54 2.4.5 Análisis de los resultados ........................................................................................ 54 2.4.5.1 Confección de curvas estándares ..................................................................... 54 2.5 Cuantificación de los niveles de inducción de profagos ................................................ 55 2.5.1 Condiciones de crecimiento de la cepa hospedadora .............................................. 55 2.5.2 Condiciones de crecimiento de cepas STEC ........................................................... 55 2.5.3 Obtención de suspensiones de fagos ....................................................................... 55 2.5.4 Método de cuantificación en doble capa de agar .................................................... 55 2.5.5 Detección de fagos Stx2 .......................................................................................... 56 2.5.5.1 Síntesis de la sonda complementaria a stx2 ...................................................... 56 2.5.5.2 Transferencia de ADN, hibridación y detección de la sonda ........................... 57 2.5.6 Cuantificación de fagos Stx2a por qPCR ................................................................ 58 2.5.6.1 Obtención de ADN fágico ................................................................................ 58 2.5.6.2 Condiciones de qPCR ...................................................................................... 58 2.5.6.3 Confección de la curva estándar ...................................................................... 59 2.5.6.4 Análisis de los resultados ................................................................................. 59 2.5.7 Curvas de crecimiento ............................................................................................. 59 2.6 Evaluación de un mismo fago en distintas cepas de E. coli ........................................... 60 2.6.1 Generación de lisógenos ......................................................................................... 60 2.6.2 Producción extracelular de Stx................................................................................ 60 2.7 Comparación de los resultados....................................................................................... 62 CAPÍTULO III: RESULTADOS ......................................................................................... 63 3.1 Selección y resubtipificación de las cepas de estudio .................................................... 64 3.2 Características de las regiones flanqueantes a stx2 ......................................................... 68 3.3 Cuantificación relativa de los niveles de expresión de stx2a .......................................... 70 3.3.1 Curvas estándares y análisis de los datos ................................................................ 70 3.3.2 Expresión de stx2a .................................................................................................... 70 3.3.2.1 Expresión basal ................................................................................................ 70 3.3.2.2 Expresión inducida por mitomicina C.............................................................. 71 3.4 Cuantificación de los niveles de inducción de profagos ................................................ 73 3.4.1 Ensayos en doble capa de agar ................................................................................ 73 3.4.1.1 Detección de fagos Stx2 ................................................................................... 73 3.4.2 Cuantificación de fagos Stx2a por qPCR ................................................................ 75 3.4.2.1 Curva estándar y análisis de los datos .............................................................. 75 3.4.2.2 Niveles de profagos Stx2a inducidos con mitomicina C ................................. 76 3.4.3 Curvas de crecimiento ............................................................................................. 77 3.5 Evaluación de un mismo fago en distintas cepas de E. coli ........................................... 79 3.5.1 Obtención de lisógenos ........................................................................................... 79 3.5.1.1 Expresión de stx ............................................................................................... 80 3.5.1.2 Inducción de profagos ...................................................................................... 80 3.5.1.3 Producción extracelular de Stx......................................................................... 80 3.6 Comparación de los resultados....................................................................................... 81 3.6.1 Niveles de expresión de stx2a .................................................................................. 81 3.6.2 Niveles de inducción de profagos/producción de fagos .......................................... 85 3.6.3 Expresión de stx2a y producción de fagos por inducción con mitomicina C ........... 86 CAPÍTULO IV: DISCUSIÓN ............................................................................................. 88 4.1 Resubtipificación de las cepas ....................................................................................... 89 4.2 Alelos del gen q .............................................................................................................. 90 4.3. Producción de fagos y expresión de stx2a ...................................................................... 90 4.3.1 Serotipo ................................................................................................................... 91 4.3.2 Origen ...................................................................................................................... 91 4.3.3 Subtipos de stx2 ....................................................................................................... 92 4.3.4 Alelos del gen q .......................................................................................................93 4.3.5 Asociación entre niveles de expresión de stx2 y producción de fagos .................... 94 4.4 Evaluación de los lisógenos ........................................................................................... 95 CAPÍTULO V: CONCLUSIONES...................................................................................... 97 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................... 100 ANEXO I: Obtención del plásmido recombinante ............................................................ 117 ANEXO II: Composición de medios y soluciones ............................................................ 120 ANEXO III: Publicaciones y comunicaciones a congresos ............................................... 123 LISTA DE FIGURAS Figura 1. Mapa conceptual que ilustra las posibles vías de transmisión de STEC .............. 24 Figura 2. Representación esquemática de los fagos Caudovirales ...................................... 29 Figura 3. Modelo del mapa genético del profago λ ............................................................. 32 Figura 4. Micrografías electrónicas de fagos Stx de distintas familias ................................ 34 Figura 5. Esquema de los ciclos lítico y lisogénico de fagos Stx ........................................ 35 Figura 6. Esquema de regulación de la expresión de stx en los ciclos lítico y lisogénico ... 36 Figura 7. Esquemas de trabajo para la selección y resubtipificación de las cepas............... 43 Figura 8. Esquema de localización de primers usados en el análisis de regiones de regulación ............................................................................................................................. 48 Figura 9. Curvas estándares ................................................................................................. 70 Figura 10. Niveles de expresión basal de stx2a ..................................................................... 72 Figura 11. Niveles de expresión en condiciones de inducción con mitomicina C de stx2a .. 72 Figura 12. Fotografías de placas de lisis .............................................................................. 74 Figura 13. Fotografías de la hibridación .............................................................................. 74 Figura 14. Curva estándar .................................................................................................... 76 Figura 15. Niveles de inducción de profagos con mitomicina C ......................................... 77 Figura 16. Curvas de crecimiento en ausencia de mitomicina C ......................................... 78 Figura 17. Curvas de crecimiento en presencia de mitomicina C ........................................ 78 Figura 18. Gráfico del ANOVA y prueba de Duncan para la variable serotipo, condición basal...................................................................................................................................... 83 Figura 19. Gráfico del ANOVA y prueba de Duncan para la variable serotipo, condición inducida con mitomicina C .................................................................................................. 83 Figura 20. Gráfico del ANOVA para la variable origen, condición inducida ..................... 84 Figura 21. Gráfico del ANOVA para la variable genotipo q, condición basal .................... 84 Figura 22. Gráfico del ANOVA para la variable amplímero ninG-stx2, condición basal .... 85 Figura 23. Diagrama de dispersión: expresión basal vs expresión inducida ........................ 85 Figura 24. Gráfico del ANOVA para la variable genotipo stx ............................................. 87 Figura 25. Diagrama de dispersión: expresión de stx2a vs producción de fagos por respuesta a inducción con mitomicina C.............................................................................................. 87 LISTA DE TABLAS Tabla 1. Primers utilizados para la identificación de los subtipos de stx ............................ 44 Tabla 2. Cóctel de PCR para la identificación de stx1a, stx1c y stx1d .................................... 45 Tabla 3. Cóctel de PCR para la identificación de stx2a ........................................................ 45 Tabla 4. Cóctel de PCR para la identificación de stx2b ........................................................ 45 Tabla 5. Cóctel de PCR para la identificación de stx2c y stx2e ............................................. 46 Tabla 6. Cóctel de PCR para la identificación de stx2d ........................................................ 46 Tabla 7. Cóctel de PCR para la identificación de stx2f ......................................................... 46 Tabla 8. Cóctel de PCR para la identificación de stx2g ........................................................ 47 Tabla 9. Programa de termociclado para la identificación de los subtipos stx1a, stx1c, stx1d, stx2a, stx2b, stx2c, stx2d, stx2e y stx2g ......................................................................................... 47 Tabla 10. Programa de termociclado para la identificación del subtipo stx2f ...................... 47 Tabla 11. Primers utilizados para la caracterización de las regiones flanqueantes a stx2 .... 49 Tabla 12. Cóctel de PCR para evaluar la proximidad del gen ninG a stx2 ........................... 49 Tabla 13. Cóctel de PCR para la identificación del gen q933 ............................................... 50 Tabla 14. Cóctel de PCR para evaluar cercanía del gen q933 a stx2 ...................................... 50 Tabla 15. Cóctel de PCR para la identificación del gen q21 y evaluar su cercanía a stx2 ..... 50 Tabla 16. Cóctel de PCR para la identificación del gen qO111 ............................................. 51 Tabla 17. Cóctel de PCR para evaluar cercanía del gen qO111 a stx2 .................................... 51 Tabla 18. Programa de termociclado para los pares de primers NinG-526/595 y Q-stx- f/595 ..................................................................................................................................... 51 Tabla 19. Programa de termociclado para el par de primers Q-ATG-5’/Q-3’ ..................... 52 Tabla 20. Programa de termociclado para el par de primers Q21/595 ................................ 52 Tabla 21. Programa de termociclado para el par de primers SF1-F/SF1-R y SF1-F/595 .... 52 Tabla 22. Primers utilizados para la cuantificación relativa de la expresión de stx2a .......... 54 Tabla 23. Primers utilizados para sintetizar la sonda complementaria a stx2 ...................... 56 Tabla 24. Cóctel de PCR para sintetizar la sonda complementaria a stx2 ............................ 56 Tabla 25. Programa de termociclado utilizado para sintetizar la sonda complementaria a stx2 ........................................................................................................................................ 57 Tabla 26. Resultados de resubtipificación de cepas ............................................................. 64 Tabla 27. Resultados de la caracterización de las regiones regulatorias upstream de stx2a . 68 Tabla 28. Resultados de los ensayos en doble capa de agar e hibridación .......................... 74 Tabla 29. Resultados de la obtención de lisógenos .............................................................. 79 Tabla 30. Niveles de producción de toxinas Shiga a ............................................................. 80 Tabla 31. Comparaciones de los niveles de expresión de stx2a ............................................ 81 Tabla 32. Comparaciones de los niveles de inducción de profagos ..................................... 86 20 CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN 21 1.1 Escherichia coli Escherichia coli (E. coli) es un bacilo gram negativo, anaerobio facultativo,descripto por primera vez en 1885 por el pediatra alemán Theodor Escherich (1857-1911) quien lo aisló de heces de niños y lo denominó Bacterium coli commune. Posteriormente recibió el nombre Escherichia coli en honor a su descubridor (Kaper, 2005). Taxonómicamente pertenece al orden Eubacteriales, familia Enterobacteriaceae, tribu Eschericheae, género Escherichia (Scheutz y Strockbine, 2005). Es la especie bacteriana predominante de la microbiota normal del aparato digestivo de los animales de sangre caliente, incluido el hombre. En los humanos, E. coli coloniza el tracto gastrointestinal en las primeras horas de vida y, a partir de entonces, permanece adherida a las mucosa del intestino grueso manteniendo una relación de mutuo beneficio con el hospedador (Allocati et al., 2013). Además de la existencia de E. coli comensales, ciertas cepas de esta especie han adquirido factores de virulencia transformándose así en bacterias capaces de causar un amplio espectro de enfermedades y trastornos intestinales (Croxen y Finlay, 2010; Kaper et al., 2004). E. coli es de esta manera uno de los agentes patógenos más comunes tanto en el hombre como en animales. De acuerdo a los factores de virulencia que presentan y los mecanismos por los cuales causan infección, estas cepas se clasifican en patotipos. Se han identificado al menos seis patotipos asociados con infecciones gastrointestinales: E. coli enteropatogénica (EPEC); E. coli enterotoxigénica (ETEC); E. coli productor de toxina Shiga (STEC); E. coli enteroinvasiva (EIEC); E. coli enteroagregativa (EAEC) y E. coli de adherencia difusa (DAEC) (Bettelheim, 2007). Dada la constante evolución de E. coli, nuevos patotipos han emergido, tales como E. coli adherente invasiva (AIEC) y E. coli enteroagregativa productor de toxina Shiga (STEAEC o EAEC-STEC) (Clements et al., 2012), denominado también E. coli enterohemorrágico enteroagregativo (EAHEC) por Brzuszkiewicz et al. (2011). 1.1.1 Escherichia coli productor de toxina Shiga El patotipo STEC (o también conocido como VTEC, E. coli productor de verotoxina) se caracteriza por su capacidad de producir al menos un tipo de toxina Shiga (Stx). Estas toxinas se denominan así debido a la similitud que presentan con las sintetizadas por Shigella dysenteriae, o 22 también como verotoxinas (VT), porque presentan actividad citotóxica sobre las células de la línea Vero (Nataro y Kaper, 1998). Dentro del organismo, STEC puede colonizar el tracto intestinal y causar diarreas y graves enfermedades tales como colitis hemorrágica (CH) y síndrome urémico hemolítico (SUH) (Karmali et al., 1985). 1.1.1.1 Síndrome urémico hemolítico El SUH es una afección severa caracterizada por anemia hemolítica, insuficiencia renal aguda y trombocitopenia. Esta enfermedad, cuya población más susceptible corresponde a niños menores de 5 años y para la cual no existe tratamiento específico, está asociada en la mayoría de los casos a infecciones por STEC (Boyer y Niaudet, 2011). La frecuencia de pacientes que mueren durante la fase aguda de la infección es del 1-2 % (Mele et al., 2014) y alrededor del 30 % de los pacientes desarrollan daño renal a largo plazo (Spinale et al., 2013). En Argentina el SUH es una enfermedad endémica y la incidencia es la más alta reportada a nivel mundial. Según el Boletín Integrado de Vigilancia N° 395 (enero de 2018), para el período 2010-2017 se notificaron anualmente entre 300 y 400 casos y la incidencia anual osciló entre 6 y 9 casos cada 100.000 niños menores de 5 años de edad. Si bien es una enfermedad de notificación obligatoria, se asume que existe un subregistro. La cantidad de casos varía entre las diferentes regiones del país y la época del año: la frecuencia es mayor en las provincias del centro y sur y aumenta en los meses cálidos (Rivas et al., 2010). El SUH es la principal causa de insuficiencia renal aguda y la segunda de insuficiencia renal crónica en pacientes en edad pediátrica y el responsable de aproximadamente el 20 % de los trasplantes de riñón en niños (Eymann et al., 2016). 1.1.1.2 Reservorio y transmisión El ganado bovino es reconocido como el principal reservorio de STEC. La prevalencia de STEC en bovinos es muy variable: se han informado prevalencias globales que van de 0 a 71 % (Persad y LeJeune, 2014) y en Argentina, de 22 a 67 % (Chinen et al., 2003; Etcheverría et al., 2016; Etcheverría et al., 2010; Fernández et al., 2009; Masana et al., 2010; Meichtri et al., 2004; Mercado et al., 2004; Notario et al., 2000; Padola et al., 2004; Parma et al., 2000; Rivas et al., 2006; Sanz et al., 1998). Otros rumiantes como ovejas, cabras y ciervos son considerados reservorios menores. También hay reportes de aislamientos de STEC de más especies animales, 23 como cerdos, pollos, conejos, perros, gatos, paloma, entre otros. Sin embargo, si bien estos animales son susceptibles a la colonización por STEC, no la mantienen cuando ya no están expuestos a una fuente de estas bacterias (Amézquita-López et al., 2014; Colello et al., 2016; Persad y LeJeune, 2014). Los animales portadores generalmente no presentan síntomas y eliminan la bacteria a través de sus heces. De esta forma, la materia fecal se convierte en una importante fuente de propagación de STEC tanto en la cadena alimentaria como en el medio ambiente (Fig. 1). La bacteria puede llegar a la superficie de las carnes por contaminación con materia fecal durante el proceso de faena o su posterior manipulación; la leche cruda puede contaminarse durante el ordeñe; las frutas y verduras, por contacto con las heces usada como abono, por riego con aguas servidas, por contaminación cruzada durante el almacenamiento o la preparación de los alimentos. Así, el consumo de alimentos contaminados es la principal vía de transmisión de este patógeno a humanos (Blanco, 2012; Coia et al., 1998; Gyles, 2007; Rivero et al., 2004; Solomon et al., 2002; Trevena et al., 1999). Por otro lado, el contacto directo con animales portadores y su entorno y el contacto persona a persona son otras fuentes importantes de contagio (Gyles, 2007). También se han reportado infecciones asociadas al uso de aguas recreativas (Launders et al., 2013; Luna-Gierke et al., 2014). Además, STEC tiene la capacidad de replicarse y sobrevivir prolongadamente en nichos ambientales, aumentando la probabilidad de exposición de la población (García et al., 2010). Cabe mencionar que este patógeno presenta una dosis infectiva muy baja, de 10 a 100 bacterias por gramo de alimento, lo que propicia la transmisión (Paton et al., 1996). 24 Figura 1. Mapa conceptual que ilustra las posibles vías de transmisión de STEC Modificado de García et al. (2010) 1.1.1.3 Serotipos La técnica gold standar para la clasificación serológica de E. coli es la propuesta por Kauffman y se basa en la determinación de los antígenos somáticos de superficie (O), antígenos flagelares (H) y antígenos capsulares (K). En la actualidad, este esquema incluye 179 serogrupos (definidos por el antígeno O) y un total de 53 antígenos H (Piazza et al., 2010). Los aislamientos no móviles (NM) no presentan antígeno flagelar (H-). Se han identificado más de 400 serotipos de STEC pero sólo alrededor de 100 han sido asociados a enfermedad en humanos (NACMCF, 2017), a este subgrupo se los denomina serotipos enterohemorrágicos. Debido a que en la mayoría de las infecciones el serotipo involucrado es O157:H7, las cepas suelen clasificarse como O157 o no-O157 (Gyles, 2007). Otra clasificación propone agrupar los serotipos de STEC, de acuerdo con la incidencia relativa, la frecuencia de asociación con brotes y la asociación con enfermedad severa, en 5 categorías denominadas seropatotipos. El seropatotipo A incluye los serotipos considerados más virulentos, 25 O157:H7 y O157:H-; el B comprendeserotipos causantes de enfermedad grave y brotes, pero con menor frecuencia: O26:H11, O103:H2, O111:NM, O121:H19 y O145:NM; el C está compuesto por serotipos que con frecuencia son implicados con casos esporádicos de SUH pero no asociados con brotes, entre ellos O91:H21 y O113:H21; el D abarca numerosos serotipos aislados de casos esporádicos de diarrea y colitis hemorrágica, pero no asociados a SUH y el E contiene los serotipos aislados de animales, alimentos, ambiente, no implicados en enfermedades en humanos. Es importante tener en cuenta que esta clasificación, si bien es un enfoque útil para intentar comprender mejor las diferencias aparentes de virulencia entre serotipos, tiene sus limitaciones y debe ser actualizada constantemente (Karmali et al., 2003). Asimismo debe tenerse en cuenta que dentro de cada serotipo existe diversidad de combinaciones de factores de virulencia. En Argentina, el principal serotipo asociado epidemiológicamente a SUH es O157:H7. Sin embargo, la frecuencia de otros serogrupos no-O157, como O145, O121 y O26, es también importante (Rivas et al., 2010; Zotta et al., 2014). 1.1.1.4 Factores de virulencia La virulencia de las cepas STEC es un fenómeno multifactorial y el desarrollo de la enfermedad depende de la interacción de diferentes factores de la bacteria, del huésped y del ambiente intestinal, pero aún no se conocen con certeza cuáles son los factores e interacciones necesarios y suficientes. La comprensión de lo que define a una cepa STEC como patógena para los seres humanos ha evolucionado, al igual que los organismos mismos (Kaper y O'Brien, 2014). Varios factores de virulencia han sido descriptos para STEC. La mayoría de ellos se encuentran codificados en elementos genéticos móviles que contribuyen a la variabilidad genética de las cepas, como por ejemplo, islas de patogenicidad, plásmidos y profagos (Croxen y Finlay, 2010). No obstante, el mecanismo de patogenicidad común a todas las STEC, y que juega un papel esencial en el desarrollo de SUH, es la producción de Stx (Kaper y O'Brien, 2014). 1.1.1.4.1 Toxina Shiga El estudio en simultáneo de STEC por varios investigadores en diferentes partes del mundo derivó en el uso de dos nombres diferentes para las toxinas producidas por estas bacterias. En 1977, Konowalchuk y sus colegas encontraron que ciertas cepas diarreogénicas de E. coli producen una citotoxina que puede matar las células Vero y la denominaron verotoxina (VT). El 26 mismo año, O'Brien y sus colegas determinaron que ciertas cepas de E. coli producen una citotoxina que puede neutralizarse con el mismo suero que se neutralizan las toxinas producidas por S. dysenteriae. Esta observación explica el origen de la nomenclatura toxina de tipo Shiga (SLT, Shiga-like toxin), en la actualidad, toxina Shiga (Stx). En 1983 se fusionaron los caminos de investigación sobre Stx y VT. El grupo de O'Brien informó que la cepa de E. coli O157:H7 que había provocado un brote de CH en los Estados Unidos, producía una Stx y que era la misma VT producida por E. coli O157:H7 observada por otro equipo de investigación. Además, ese mismo año Karmali y colaboradores propusieron que la verotoxina producida por estos organismos estaba vinculada epidemiológicamente al desarrollo de SUH (Kaper y O'Brien, 2014; Scheutz et al., 2012). La familia de las Stx comprende un grupo de toxinas que comparten similares estructuras y actividad biológica. Son proteínas de estructura AB5: tienen una subunidad A, cuyo dominio A1 presenta actividad enzimática, y 5 subunidades B idénticas que interactúan específicamente con un receptor glicolipídico (Gb3 o Gb4) en las células blanco para la internalización de A1. Este domino tiene función de ARN N-glicosidasa, actúa sobre la subunidad 60S del ARN y, en consecuencia, inhibe la síntesis de proteínas y puede inducir la apoptosis. Las lesiones renales asociadas a SUH se deben a la apoptosis de las células endoteliales (Scheutz et al., 2012; Smith et al., 2014). Antigénicamente la familia de Stx se divide en dos tipos principales: Stx1 y Stx2. Dentro de cada uno de estos dos grupos, diversos subtipos y variantes genéticas han sido descriptos y asociados a distintos riesgos de desarrollar enfermedades (Friedrich et al., 2002; Friedrich et al., 2003; Gyles, 2007; Persson et al., 2007). Stx1 es altamente conservada, muy similar a Stx tipo 1 producidas por S. dysenteriae y comprende pocos subtipos descriptos en E. coli: Stx1a, Stx1c y Stx1d. Stx2 incluye los subtipos Stx2a, Stx2b, Stx2c, Stx2d, Stx2e, Stx2f y Stx2g (Scheutz et al., 2012). Recientemente, Bai et al. (2018) reportaron la identificación de un nuevo subtipo en cepas de E. coli O102:H18 aisladas de marmotas salvajes del Himalaya y lo denominaron Stx2h. Epidemiológicamente, Stx2 parece ser más importante en el desarrollo de SUH y se ha observado que este grupo tiene un efecto tóxico mayor que Stx1, tanto in vitro sobre células del endotelio renal humano, como in vivo en modelos animales (Bielaszewska et al., 2006; Friedrich et al., 2002; Fuller et al., 2011; Nakao y Takeda, 2000; Persson et al., 2007). En particular, varios estudios sugieren que el subtipo Stx2a se asocia fuertemente a mayor riesgo de desarrollo de SUH (Beutin y Martin, 2012; Bielaszewska et al., 2013; De Rauw et al., 2018; Soborg et al., 2013). 27 El subtipo stx2a se encuentra con una alta frecuencia en cepas aisladas de pacientes tanto a nivel mundial como en Argentina. Se lo ha encontrado presente en cepas de diferentes serotipos además de O157:H7, solo o en combinación con otros subtipos (Chui et al., 2015; Friedrich et al., 2002; Orth et al., 2007; Persson et al., 2007; Pianciola et al., 2014; Rivas et al., 2006; Tostes et al., 2017). En Argentina, Krüger et al. (2011) observaron que las cepas STEC nativas, aisladas de bovinos y alimentos, portadoras de este subtipo mostraron los mayores títulos de citotoxicidad in vitro, tanto en condiciones basales como inducidos con mitomicina C. Tanto para Stx1 como Stx2, sus genes se encuentran codificados en bacteriófagos temperados o profagos, generalmente llamados fagos Stx, cuyo genoma se encuentra integrado al genoma bacteriano (Kaper et al., 2004; Krüger y Lucchesi, 2015; Lim et al., 2010). 28 1.2 Bacteriófagos Los bacteriófagos, o fagos, son virus que infectan bacterias. El comienzo de la investigación de fagos se atribuye a una observación hecha por el inglés Frederick William Twort, seguida del trabajo del científico franco-canadiense Félix d’Herelle. En 1915, Twort descubrió un pequeño agente que infectaba y mataba las bacterias y sugirió, entre otras opciones, que la muerte de las bacterias se debía a un virus que crecía y las destruía. En 1917 d'Herelle anunció que había descubierto un microbio invisible y antagónico del bacilo de la disentería, que lisaba a las bacterias en el cultivo líquido y, en el medio sólido, generaba placas sobre el agar sembrado con bacterias. D’Herelle concibió a estos microbios invisibles como "ultravirus" que se propagaban a expensas de las bacterias y por eso los denominó virus bacteriófagos: “que come bacterias”. Fue también el primer científico en reconocer el potencial uso terapéutico de estos virus (Summers, 2005). Los fagos se encuentran en todos los hábitats del mundo donde proliferan bacterias, siendo las entidades biológicas más extensamente distribuidas y de mayor diversidad en la biosfera (Hendrix, 2003). Estudios hasta la fecha han revelado que los fagos son increíblemente variables en propiedades como el rango de hospedadores que infectan, el contenido genético, los mecanismos de regulación y efectos fisiológicos. De hecho, la mayoría de sus genes no muestran similitud con los disponibles actualmente en las bases de datos. Además, debido al rol que desempeñan como diseminadores de información genética, los bacteriófagoscontribuyen notablemente a la evolución y diversificación de las poblaciones microbianas, y esto impacta directamente sobre la ecología del planeta (McAuliffe et al., 2007). 1.2.1 Biología de los fagos 1.2.1.1 Estructura Los fagos son un grupo heterogéneo. Cada partícula de fago (virión) está compuesta por su genoma, en mayor medida almacenado en forma de ADNdc, pero también puede ser ADNsc, ARNsc o ARNdc, y de tamaños diversos, abarcan desde apenas 4 kpb hasta 600 kpb. El material genético, que puede encontrarse circularizado, linearizado o segmentado, generalmente está encapsulado en una cápside proteica o lipoproteica, aunque también existen fagos con envoltura de membrana. La morfología de los viriones es variable: pueden ser poliédricos, filamentosos o pleomórficos. Los fagos con cápside poliédrica a menudo tienen una cola, que puede ser larga o 29 corta, contráctil o no contráctil, recta o curva y presentar accesorios, como filamentos o fibras (Ackermann, 2006; Brüssow y Hendrix, 2002; Calendar y Inman, 2005; Guttman et al., 2005). La gran mayoría de los fagos descriptos pertenecen al género Caudovirales, son fagos con cola y ADNdc. Este género incluye tres familias principales: Siphoviridae, con colas largas no contráctiles; Myoviridae, con colas contráctiles largas y Podoviridae, con colas cortas no contráctiles (Fig. 2). Miembros de las tres familias han sido aislados de E. coli (Ackermann, 2005; Hatfull y Hendrix, 2011). Figura 2. Representación esquemática de los fagos Caudovirales Modificado de Orlova (2012). 1.2.1.2 Ciclos de vida Una característica común a todos los fagos es que, si bien sus genomas contienen la información requerida para conducir su propia multiplicación, necesitan la energía y la maquinaria de biosíntesis proteica de la bacteria hospedadora, por lo tanto, son parásitos obligados. En el caso de los Caudovirales, la cápside protege el material genético del fago contra el daño ambiental, mientras que la parte distal de la cola provee un mecanismo específico requerido para reconocer posibles hospedadores. La infección comienza cuando se encuentran un 30 fago y un hospedador apropiado. En este proceso de reconocimiento, llamado adsorción, proteínas de la cola del fago se unen a receptores ubicados en la superficie del hospedador. Estos receptores pueden ser proteínas, lipopolisacáridos o azúcares anclados a la membrana (o pared) celular. Luego de la unión, sobreviene una rápida reorganización de la membrana del huésped y de la estructura del fago, con la consecuente translocación del genoma del fago al citoplasma de la bacteria. Terminada la fase de penetración, el fago se convierte en un parásito intracelular activo y, sujeto a su información genética y al estado fisiológico del hospedador en el momento de la infección¸ puede continuar el ciclo lítico o el ciclo lisogénico (Edmond y Moineau, 2007). El ciclo lítico resulta en la lisis del hospedador y simultánea liberación de nuevas partículas de fagos. En cambio, el ciclo lisogénico conlleva a la integración del genoma del fago al genoma del hospedador o la conservación del ácido nucleico viral como un plásmido circular autorreplicativo en el citoplasma del huésped (Little, 2005). Los fagos se clasifican en virulentos o temperados. Los primeros solo pueden reproducirse a través del ciclo lítico, mientras que los temperados, son capaces de propagarse por ambos ciclos (Guttman et al., 2005). Se ha descrito también, principalmente para fagos filamentosos de E. coli, un ciclo de infección crónico que resulta en liberaciones continuas de progenies de fagos sin lisar al hospedador (Edmond y Moineau, 2007). 1.2.1.2.1 Ciclo lítico Luego de la inyección del ADN fágico al interior celular, el hospedador experimenta importantes cambios fisiológicos. Ocurre una cascada sincronizada de eventos secuenciales dirigida por el fago e impulsada hacia la producción de progenie de fagos. La mayoría de los procesos celulares de la célula hospedadora son interrumpidos, a excepción de aquellos requeridos para la producción de viriones. El ADN del fago es replicado masivamente y sus genes comienzan a transcribirse y traducirse en proteínas estructurales y de regulación. Los componentes estructurales del virus comienzan a ensamblarse irreversiblemente en polímeros precursores, formando gradualmente partículas maduras de fagos. Estas nuevas partículas son liberadas a medida que la pared celular del hospedador es disgregada por la acción del sistema de lisis codificado por el fago. En condiciones donde los huéspedes susceptibles son abundantes y crecen activamente, la población de fagos virulentos prolifera a velocidades muy rápidas. En la mayoría de los casos, el ciclo lítico tarda entre 30 y 60 min en completarse y cada bacteria 31 infectada libera una progenie de fago que va desde 10 hasta 500 viriones (Edmond y Moineau, 2007). 1.2.1.2.2 Ciclo lisogénico Después de la infección y translocación del ADN al citoplasma del hospedador, los fagos temperados pueden proseguir con el ciclo lítico o con el lisogénico. Si continúa con el ciclo lítico, la cascada de eventos descripta anteriormente para fagos virulentos es llevada a cabo. Si, por el contrario, el fago sigue el ciclo lisogénico, éste entra en un estado de latencia, establece una relación estable con el hospedador y la bacteria se convierte en un lisógeno. En la mayoría de los casos, la formación de un lisógeno incluye la integración del genoma del fago al cromosoma del hospedador. En este proceso de recombinación interviene, entre otras, la proteína NinG (Tarkowski et al., 2002). El genoma integrado del fago, también llamado profago, es replicado con el cromosoma bacteriano y transmitido a las células hijas en cada división celular. Alternativamente, algunos fagos temperados se mantienen como plásmidos autorreplicativos en el citoplasma del hospedador. Los profagos son extremadamente estables y pueden mantenerse indefinidamente en este estado. Sin embargo, cambios epigenéticos pueden desencadenar un proceso denominado inducción del profago que confluye en el ciclo lítico (Edmond y Moineau, 2007) 1.2.1.3 Decisión lisis-lisogenia La expresión de los genes necesarios para el establecimiento de ciclo lítico o lisogénico y para la conversión de uno a otro, está modulada por un mecanismo que involucra distintas proteínas regulatorias del fago y regiones de ADN que codifican operadores (Ptashne, 2004). A continuación se describe a modo de ejemplo el sistema de regulación del fago Lambda (λ), un fago temperado, que pertenece a la familia Siphoviridae y que infecta principalmente a enterobacterias (Ackermann, 2006). En el genoma de λ se organizan, por un lado, los genes no estructurales, implicados en la recombinación, la replicación y la lisis bacteriana. Por otro lado, los genes estructurales que codifican para proteínas de la cápside y de la cola del virus. Y en otro sector, se encuentran ubicados los genes involucrados en regulación de los ciclos de vida (Hendrix y Casjens, 2006) (Fig. 3). En el ciclo lítico se expresan primero los genes que se encuentran bajo el control de los promotores tempranos: PL y PR. En cambio, el estado de lisogenia es estabilizado por la acción 32 de la proteína CI, también llamada proteína represora. CI se une a los operadores OR y OL y en consecuencia, bloquea PR y PL, lo cual impide la expresión de genes líticos, y activa PRM, de esta forma estimula su propia expresión (Little, 2007). La proteína CII, un fuerte activador de la transcripción, es crítica para establecer el estado de lisogenia. Altos niveles de CII activan, entre otros, al promotor PRE (Kobiler et al., 2005; Little, 2005) a partir del cual se transcribe cI. Si bien PRE y PRM conducen a la síntesis de CI, la función de PRE es establecer el estado lisogénico, mientras quela de PRM es mantener este estado (Little, 2007). La expresión de cII, está bajo el control de PR. Es una proteína muy inestable (Kobiler et al., 2002) y es degradada por una proteasa del hospedador (Ito y Akiyama, 2005). Otra proteína represora involucrada en la regulación es Cro. Ésta se sintetiza a partir de PR, se une al operador OR, bloquea PRM y, de esta forma, inhibe la producción de CI. Por lo tanto, después de la infección de λ, lo que determina qué ciclo que va seguir el fago, es un balance entre la expresión de ciertos genes. Si hay altos niveles de CII, la síntesis de CI estará activa y bloqueará a los promotores PR y PL. Se establece así el estado de lisogenia. En cambio, si los niveles de Cro son altos, se inhibe la expresión de cI, los promotores PR y PL permanecen activos y se lleva a cabo el ciclo lítico que culmina con la lisis del hospedador y la liberación de nuevas partículas de fagos (Little, 2007). A partir de PR se sintetiza también la proteína Q, la cual es requerida para la transcripción de los genes tardíos (Kobiler et al., 2005). Figura 3. Modelo del mapa genético del profago λ En la parte superior se observan los genes estructurales y no estructurales. En la parte inferior, los genes involucrados en regulación de los ciclos de vida. Los promotores tempranos PR y PL son responsables de la transcripción de los genes que se encuentran hacia la derecha (PR) y hacia la izquierda (PL). A partir PRE y PRM se sintetiza CI. 33 1.2.1.3.1 Inducción del profago Un cambio epigenético en la regulación de genes conduce de un estado de lisogenia a un estado lítico. Este proceso generalmente sucede a una velocidad lenta por distintas causas, pero es extremadamente eficiente cuando se activa el sistema de regulación de la célula hospedadora llamado SOS, como respuesta a daños en el ADN o inhibición de su replicación (Little, 2007). La respuesta SOS es controlada por dos proteínas regulatorias críticas: una represora, LexA y una activadora, RecA. Cuando se produce un daño en el ADN o se interrumpe su síntesis, RecA se activa y actúa como una co-proteasa que cataliza la autodegradración de LexA y así estimula el sistema SOS. LexA es homóloga al represor CI, por lo tanto, RecA media también la degradación de CI induciéndose así el ciclo lítico del fago (Little, 2007). 1.2.2 Fagos Stx Por definición, todos los fagos portadores de un gen stx se consideran fagos Stx (Krüger y Lucchesi, 2014). Los fagos Stx descriptos hasta el momento son fagos temperados de ADNdc, que pertenecen principalmente a las familias Siphoviridae y Podoviridae y, en menor medida, a Myoviridae (Beutin et al., 2012; Bonanno et al., 2016; Muniesa et al., 2004a; Muniesa et al., 2004b; Yan et al., 2011) (Fig. 4). Se los denomina fagos lamboides, debido a que su ciclo de vida, morfología y disposición del genoma son similares a λ. No obstante, los fagos Stx son un grupo muy heterogéneo (Karama y Gyles, 2008; Krüger y Lucchesi, 2015; Muniesa y Schmidt, 2014; Schmidt, 2001). La diversidad de estos fagos se ve reflejada, por ejemplo, en diferentes morfologías, en el rango de hospedadores que pueden infectar, en el tamaño de los genomas (varían entre de 29,7 y 68,7 kpb), en variabilidades genéticas (evidenciadas por RFLP, caracterización de múltiples locus por PCR, análisis de genomas secuenciados), en los sitios de inserción del ADN viral al cromosoma bacteriano, en los niveles de inducción de profagos y producción de Stx, entre otros (Krüger y Lucchesi, 2015; Muniesa y Schmidt, 2014). 34 Figura 4. Micrografías electrónicas de fagos Stx de distintas familias a. Podoviridae. b. Siphoviridae. c. Myoviridae. (Yan et al., 2011). 1.2.2.1 Inducción de profagos y producción de Stx Los fagos Stx tienen una regulación del ciclo similar a λ (Fig. 5). En el estado lisogénico, el ADN del fago Stx se encuentra integrado al cromosoma de E. coli y la expresión de la mayoría de sus genes está inhibida. Gran parte de los lisógenos son estables, sin embargo, una pequeña proporción de profagos es inducida espontáneamente. Esta inducción espontánea es generalmente más elevada en los fagos Stx que en otros fagos lambdoides (Livny y Friedman, 2004; Shimizu et al., 2009). Bajo ciertas condiciones, se activa el ciclo lítico, se expresan los genes de los fagos y se producen y liberan nuevas partículas virales. En la mayoría de las cepas STEC, el operón que codifica para las subunidades A y B de Stx está localizado entre los genes tardíos del fago, bajo el control del promotor tardío, PR', y la proteína antiterminadora Q. Por lo tanto, su expresión y liberación se encuentra asociada al ciclo lítico del mismo (Fig. 6). No obstante, la expresión de stx1 también está bajo el control de un promotor propio regulado por hierro (Krüger y Lucchesi, 2015; Muniesa y Schmidt, 2014; Scheutz, 2015). Ciertos agentes externos, como la radiación con luz UV o la exposición a mitomicina C, pueden inducir el ciclo lítico a través de la activación del sistema SOS (revisados por Krüger y Lucchesi (2015)). Es así como el uso de antibióticos no está recomendado en pacientes infectados con STEC, ya que podrían incrementar el riesgo de desarrollar SUH al inducir la expresión de stx (Wong et al., 2000) (Fig. 5). Se ha encontrado también que estos fagos podrían ser inducidos por compuestos quelantes, a través de mecanismos independientes a la respuesta SOS (Imamovic y Muniesa, 2012). Debido al importante rol que juega la proteína Q en la expresión de los genes tardíos, incluido stx, ésta podría estar relacionada con la patogenicidad de STEC (Krüger y Lucchesi, 35 2015). Distintos alelos de q asociados a fagos Stx han sido descriptos. Los más estudiados son los que se encuentran con frecuencia en las cepas O157: q933 y q21. Otro alelo menos caracterizado es qO111, hallado por primera vez en una cepa STEC O111:H- aislada en Japón (Ogura et al., 2009). Generalmente, el alelo q933 se encuentra asociado al subtipo stx2a y q21 a stx2c (Arthur et al., 2013; Franz et al., 2012; Pianciola et al., 2014), pero esta asociación no es exclusiva (Eppinger et al., 2011).Varios autores han relacionado diferencias en los niveles de expresión de stx o producción de la toxina con la presencia de distintos alelos de q (Ahmad y Zurek, 2006; Koitabashi et al., 2006; Lejeune et al., 2004; Mellor et al., 2012; Olavesen et al., 2016; Steyert et al., 2012; Zhang et al., 2010). También los niveles de inducción de profagos se han asociado a Q (Tóth et al., 2009). La mayoría de estos trabajos se restringen solo al estudio de cepas del serogrupo O157. Estudios recientes sugieren que otro factor que determina el nivel de inducción de toxinas es la secuencia de la región entre los genes q y stx, en la cual se ubica el promotor PR' (Zhang et al., 2018). Figura 5. Esquema de los ciclos lítico y lisogénico de fagos Stx 1. Adhesión del fago a la célula huésped e inyección del ADN. 2. Circularización del ADN viral y decisión lisis-lisogenia. 3A. Síntesis de proteínas del fago, incluidas Stx y ensamblado de viriones. 4A. Lisis celular y liberación de fagos y Stx. 3B. Inserción del ADN viral al cromosoma bacteriano. El fago se convierte en profago y E. coli en un lisógeno codificante de Stx (STEC). 4B. Multiplicación del lisógeno. 5. Escisión del ADN viral del cromosoma bacteriano e inicio del ciclo lítico. Modificado de Tortora et al. (2010). 36 Figura 6. Esquema de regulación de la expresión de stx en los ciclos lítico y lisogénico Ciclo lisogénico: CI se une a los operadores OL y OR e inhibe la transcripción de los genes bajo el control de PL y PR. En consecuencia, no se sintetiza la proteína Q y PR'permanece inactivo. Ciclo lítico: Si se activa la respuesta de SOS, RecA escinde CI, se des-reprime PR y se expresa q. Este antiterminador se une a PR’ y se activala transcripción de stx. Modificado de Pacheco y Sperandio (2012). 1.2.3 Fagos como vectores de virulencia Los fagos juegan un rol importante en la propagación de genes de virulencia. Está probado que, tanto experimentalmente con cultivos in vitro como dentro del intestino de los mamíferos y en el ambiente, los fagos codificantes de Stx pueden formar lisógenos en E. coli y en otras bacterias de la familia Enterobacteriaceae (Döpfer et al., 2010; Imamovic et al., 2009; Mellmann et al., 2008; Schmidt et al., 1999; Tóth et al., 2003) y algunos autores sugieren que las cepas STEC emergentes se forman principalmente dentro del intestino bovino (Kroeger et al., 2003). Por lo tanto, cepas consideradas no patógenas pueden adquirir los genes stx convirtiéndose en cepas STEC virulentas para los humanos. Beutin et al. (2013) presentaron evidencia experimental de que cepas EAEC O104:H4 negativas para los genes stx han evolucionado a cepas EAEC-STEC mediante la transferencia de fagos portadores de stx2a en el reservorio bovino. Debido a la movilidad de los fagos Stx y a la asociación de diferentes serotipos con enfermedad en humanos, es indispensable incluir en los análisis no sólo aislamientos de humanos sino también de otros orígenes y no focalizarse solo en cepas O157:H7, sino ampliar el estudio hacia otros serotipos de STEC. 37 1.3 OBJETIVOS Dado que: Argentina posee la mayor incidencia a nivel mundial de SUH, cuyo principal agente etiológico es STEC; el principal factor de virulencia de STEC es la producción de Stx; las Stx son codificadas por un grupo heterogéneo de fagos que regulan su expresión; el subtipo stx2a se encuentra frecuentemente en cepas aisladas de pacientes y se asocia a mayor riesgo de desarrollo de SUH; los fagos juegan un rol importante en la propagación de genes de virulencia; los casos de SUH causados por STEC no-O157 han tomado mayor importancia; la virulencia de STEC no está esclarecida con certeza. Resulta fundamental profundizar la caracterización de factores relacionados a la virulencia de STEC y el conocimiento de los mecanismos que regulan la inducción de profagos y la producción de Stx. Los objetivos planteados para este trabajo fueron los siguientes: 1.3.1 Objetivo general Se postuló como objetivo general caracterizar los fagos codificantes de stx2a presentes en cepas STEC de distintos serotipos aisladas en Argentina. 1.3.2 Objetivos particulares A partir de una selección de cepas STEC nativas de distintos serotipos, aisladas de diferentes orígenes y portadoras de profagos Stx2a, se propuso: Caracterizar las regiones de regulación flanqueantes a stx2 en cepas STEC nativas de Argentina. Cuantificar los niveles de expresión de stx2a en estas cepas. Cuantificar los niveles de inducción de profagos Stx2a en las mismas. Evaluar ambos niveles en lisógenos obtenidos con un mismo profago en distintas cepas de E. coli. 38 Comparar los resultados obtenidos de acuerdo al serotipo, al origen y a características genotípicas de las cepas. 39 CAPÍTULO II: DISEÑO EXPERIMENTAL 40 2.1 Cepas bacterianas 2.1.1 Cepas de estudio El Laboratorio de Inmunoquímica y Biotecnología de la Facultad de Ciencias Veterinarias de la Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires cuenta con una amplia colección de cepas STEC aisladas de diferentes orígenes. Los serotipos de estas cepas, así como características genéticas de relevancia, entre ellas la presencia de diversos factores de virulencia y de subtipos de stx, han sido determinados en estudios previos (Alonso et al., 2016; Krüger et al., 2011; Krüger et al., 2015; Padola et al., 2004; Parma et al., 2000; Rivero et al., 2010; Sanz et al., 2007). A partir de dicha colección, se seleccionaron para su estudio las cepas portadoras del subtipo vt2EDL933, solo o en combinación con otro subtipo, y las cepas que, analizadas por microarray, fueron positivas para la sonda stx2a,c,d. 2.1.2 Cepas hospedadoras Para la cuantificación de fagos por el método de doble capa de agar se utilizó como hospedadora la cepa E. coli DH5α derivada de la cepa comensal E. coli K-12. En cambio, para los ensayos de obtención de lisógenos, las cepas derivadas de K-12 utilizadas fueron E. coli Y1090 y E. coli HB101. La cepa E. coli TOP10 fue utilizada en la clonación de un plásmido recombinante. 2.1.3 Cepas de referencia Las cepas STEC usadas como controles para la determinación de los subtipos de stx fueron: E. coli EDL933 (stx1a y stx2a), E. coli DG131/3 (stx1c), E. coli MHI813 (stx1d), E. coli EH250 (stx2b), E. coli F35790 (stx2c), E. coli 1112R15035 (stx2d), E. coli S1191 (stx2e), E. coli T4/97 (stx2f) y E. coli 7V (stx2g). La cepa E. coli EDL933 y el ADN de E. coli B2F2 se usaron como controles positivos para las PCR de caracterización de las regiones flanqueantes a stx2. Estos materiales (cepas/ADN) fueron gentilmente cedidas por A. B. Bentancor (Facultad de Ciencias Veterinarias, Universidad de Buenos Aires, Argentina), P. H. M. Leung (Hospital Queen Mary, Universidad de Hong Kong, China), J. Blanco (Laboratorio de Referencia de E. coli, España) y A.W. Friedrich (Hospital Universitario de Münster, Alemania). 41 2.1.4 Conservación de las cepas Tanto las cepas de estudio como las cepas hospedadoras y las de referencia se encontraban conservadas en viales a -80 °C en caldo LB con glicerol al 20 % v/v. A partir de estos viales se generaron stocks de uso para este trabajo: se cultivó cada cepa en caldo LB, a 37 °C con agitación durante toda la noche, y luego, se tomó una alícuota y se guardó a -80 °C con glicerol al 20 % v/v. 42 2.2 Identificación de subtipos de stx 2.2.1 Resubtipificación de cepas Si bien los subtipos de stx portados por las cepas de estudio seleccionadas ya habían sido previamente identificados, esta caracterización estaba realizada, para la mayoría de las cepas, mediante PCR-RFLP (Krüger et al., 2011), una metodología anterior a la expuesta por Scheutz et al. (2012). En este trabajo, los autores proponen un esquema de subtipificación por PCR con primers específicos para cada subtipo. Dado que es importante adoptar este protocolo para estandarizar y facilitar las comparaciones interlaboratorios, el mismo fue puesto a punto al inicio de esta tesis y se implementó para resubtipificar las cepas de estudio. Para su adaptación, se ensayaron distintos escenarios para las temperaturas de annealing y para las concentraciones de primers, de ADN polimerasa y de MgCl2, hasta lograr una correcta optimización. Concretamente, se cotejó que las cepas portadoras del subtipo vt2EDL933 fueran positivas para stx2a. Entre estas cepas, las que además presentaban otro subtipo identificado por PCR- RFLP fueron analizadas con el protocolo estandarizado para detectar el resto de los subtipos (Fig. 7a). En el caso de la gran mayoría de las cepas O26, los subtipos de stx2 estaban determinadas con un microarray que detecta los subtipos acorde a lo descripto por Scheutz et al. (2012), pero no discrimina entre stx2a, stx2c y stx2d (Krüger et al., 2015). Por lo tanto, las cepas positivas para la sonda stx2a,c,d se seleccionaron para precisar entre estos subtipos y analizar también la presencia de subtipos de stx1 (Fig. 7b). 43 Figura 7. Esquemas de trabajo para la selección y resubtipificación de las cepas a. b. a. Selección y resubtipificación de cepas caracterizadas previamente por PCR-RFLP. b. Selección y resubtipificación de cepas caracterizadas previamente por microarray. 2.2.1.1 Condiciones de reacción El protocolo de subtipificación descripto por Scheutz et al. (2012) se desarrolló en base a secuencias genéticas de las stx. Consiste en utilizar la técnica PCR (en monoplex y multiplex), empleando primers (Tabla 1) específicos
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