Determinants of adaptation of Enterococcus faecalis and Enterococcus faecium to the hospital environment

Enterococci are a part of the natural intestinal microbiota of humans and animals. They are also found in various environments such as food, water, sewage, soil and plants. Although enterococci are generally recognized as harmless bacteria, they are a common cause of hospital-associated infections in patients with risk factors. Among enterococci, Enterococcus faecalis and Enterococcus faecium represent two species of the highest clinical importance. Nosocomial isolates of E. faecalis and E. faecium predominantly belong to distinct enterococcal subpopulations, i.e. high-risk clones, which are almost exclusively identified in hospital settings.The objective of this PhD thesis was to investigate determinants of adaptation of E. faecalis and E. faecium to the hospital environment.Three groups of isolates were investigated: E. faecalis from hospital and non-hospital sources, E. faecalis and E. faecium isolated from invasive infections, the most dangerous and life threatening type of infections, and clinical isolates of E. faecalis and E. faecium with resistance to linezolid, one of the last resort agents in the treatment of enterococcal infections. The study showed that nosocomial E. faecalis and E. faecium isolates belonged to few high-risk clones and frequently displayed the phenotype of multidrug resistance. Hospital-associated isolates of E. faecalis were enriched in virulence factors and resistance determinants, frequently encoded on mobile genetic elements (MGEs). High-risk clones of E. faecalis were also characterized by a lower prevalence of CRISPR-Cas systems of bacterial defence against foreign DNA, such as plasmids or phages, in comparison to isolates from other sources. Among recent invasive enterococcal isolates, the percentage of E. faecium isolates was higher that it had been previously observed, presumably due to the increased prevalence of isolates of the lineage 78 belonging to high-risk clone CC17. This lineage was characterized by the presence of additional genomic regions, containing genes associated with various metabolic features. Linezolid resistance was observed mainly among E. faecium isolates caused by a mutation in the drug target (23S rRNA). Moreover, the plasmid-encoded ABC-type transporter OptrA, which extrudes the drug outside the cell was observed.In summary, adaptation of clinical isolates of E. faecalis and E. faecium to the hospital environment was determined by the acquisition of virulence factors, resistance determinants and genes encoding additional metabolic pathways as well as the loss of the CRISPR-Cas systems, which resulted in the emergence of multidrug-resistant high-risk clones. The ongoing evolution of one of E. faecium lineages is associated with the increasing role of this species in enterococcal infections.Enterokoki stanowią składnik naturalnej mikroflory jelitowej ludzi i zwierząt. Są one także obecne w różnych środowiskach, takich jak produkty spożywcze, woda, ścieki, gleba oraz rośliny. Mimo że enterokoki są powszechnie uznawane za nieszkodliwe, są one również częstą przyczyną zakażeń związanych z opieką zdrowotną u pacjentów obarczonych czynnikami ryzyka. Pośród enterokoków, Enterococcus faecalis i Enterococcus faecium stanowią dwa gatunki o największym znaczeniu klinicznym. Zdecydowana większość szpitalnych izolatów E. faecalis i E. faecium należy do odrębnych subpopulacji enterokoków, tak zwanych klonów wysokiego ryzyka, które są niemal wyłącznie identyfikowane w szpitalach.Celem rozprawy doktorskiej było ustalenie czynników adaptacji E. faecalis i E. faecium do środowiska szpitalnego.Do badań wykorzystano trzy grupy izolatów: szpitalne i pozaszpitalne izolaty E. faecalis, izolaty E. faecalis i E. faecium z zakażeń inwazyjnych, które stanowią najbardziej niebezpieczne i zagrażające życiu pacjentów zakażenia, oraz kliniczne izolaty E. faecalis i E. faecium wykazujące oporność na linezolid, antybiotyk ostatniego rzuty w leczeniu zakażeń enterokokowych.Badania wykazały, że szpitalne izolaty E. faecalis i E. faecium należały do kilku klonów wysokiego ryzyka oraz często wykazywały fenotyp wielolekooporności. Czynniki wirulencji oraz determinanty oporności, często kodowane na ruchomych elementach genetycznych, wykrywane były częściej w izolatach E. faecalis związanych ze środowiskiem szpitalnym niż pozaszpitalnym. Klony wysokiego ryzyka E. faecalis charakteryzowała również niska częstość występowania systemów CRISPR-Cas stanowiących bakteryjną ochronę przed obcym DNA, takim jak plazmidy czy fagi, w porównaniu z izolatami pochodzącymi z innych środowisk. Pośród inwazyjnych izolatów enterokoków pochodzących z ostatnich lat odsetek izolatów E. faecium był wyższy niż było to wcześniej obserwowane, prawdopodobnie ze względu na wyższą częstość występowania izolatów należących do linii 78 klonu wysokiego ryzyka CC17. Linia ta charakteryzowała się obecnością dodatkowych regionów w genomie, kodujących geny związane z różnymi cechami metabolicznymi. Fenotyp oporności na linezolid najczęściej występował wśród izolatów E. faecium oraz był związany z mutacją miejsca docelowego działania leku (cząsteczka 23S rRNA). Zaobserwowano także obecność kodowanego plazmidowo transportera typu ABC, OptrA, usuwającego lek z komórki.Podsumowywując, adaptacja klinicznych izolatów E. faecalis i E. faecium do środowiska szpitalnego była warunkowana przez nabycie czynników wirulencji, determinant oporności oraz genów kodujących dodatkowe szlaki metaboliczne, a także utratę systemów CRISPR-Cas, co doprowadziło do wyłonieniem się wielolekoopornych klonów wysokiego ryzyka. Trwająca ewolucja jednej z lini E. faecium wpływa na wzrost roli tego gatunku w infekcjach enterokokowych