Campylobacteriosis is the most common cause of human bacterial gastroenteritis in the developed world. The most often isolated causative agent from diseased humans is C. jejuni, but also C. coli and C. upsaliensis, common colonizers of pigs and dogs, respectively, are known to cause disease. Campylobacteriosis is usually self-limiting but antimicrobial treatment is warranted in severe cases, with macrolides and fluoroquinolones being the first and second options, respectively. Intravenous aminoglycosides are indicated in Campylobacter bacteraemia. However, high rates of fluoroquinolone-resistant Campylobacter spp. have emerged in many parts of the world. Also, in several studies, high proportions of streptomycin-resistant C. coli or C. upsaliensis, have been found. Yet, the mechanisms of STR resistance have been only partially characterized in C. jejuni and C. coli and completely ignored in C. upsaliensis.
The primary aim of this thesis was to investigate the molecular mechanisms of STR resistance in porcine C. coli and canine C. upsaliensis isolates. We were able to associate high level of STR resistance in porcine C. coli to mutations in the rpsL gene. In C. upsaliensis, a mutation in rpsL was also noted in all the low- and high-level STR-resistant isolates. All highly STR-resistant C. upsaliensis isolates had, in addition to the rpsL mutation, significant truncation of rsmG, encoding a conserved methyltransferase responsible for methylation of the ribosomal STR binding site. Even though STR resistance conferring mutations in rpsL and rsmG have been well documented in other bacterial species, they were first time described in Campylobacter spp. in the present study. Further, using genomics and insertional mutagenesis, a novel STR resistance-conferring gene was identified in the intermediately STR-resistant C. coli isolates. This gene is homologous, albeit at a low level, to other previously described aminoglycoside 6-adenylyltransferase encoding genes, and does not appear to originate from Gram-positive bacterial species. Based on our findings, we hypothesize that this gene could have evolved from a proto-resistance element in Campylobacter spp. Altogether these results provide a significant advance in understanding the mechanisms of STR resistance in Campylobacter spp. and will aid in predicting the phenotypic resistance from genome data.
Fluoroquinolone resistance-associated mutations in the DNA gyrase-encoding gene gyrA were characterized in porcine C. coli treated with danofloxacin as well as among canine C. upsaliensis. The commonly described C257T mutation was found in both species. In C. coli this caused the amino acid change T86I in DNA gyrase and high levels of ciprofloxacin resistance, while in C. upsaliensis the predicted amino acid change was T86M causing only minor increase in CIP MIC but a high level of nalidixic acid resistance. Therefore, danofloxacin does not seem to induce novel mutations in C. coli in vivo but the same mutation appears not to be sufficient to cause a high level of fluoroquinolone resistance in C. upsaliensis.Kampylobakteerit ovat yleisimpiä bakteeriperäisiä ihmisten suolistotulehdusten aiheuttajia. Kampylobakterioosi on zoonoosi, eli se tarttuu eläinten ja ihmisten välillä. Ihmisillä yleisin taudinaiheuttaja on C. jejuni mutta myös sioilla yleisesti esiintyvä C. coli ja koirilla yleinen C. upsaliensis aiheuttavat sairastumisia. Kampylobakterioosia ei yleensä hoideta antibiooteilla mutta vakavissa infektioissa antibioottihoito on tarpeen, ja tällöin käytetään yleensä makrolidi- ja fluorokinoloniryhmien antibiootteja. Verenmyrkytystapauksissa hoito aminoglykosidiryhmän antibiooteilla on indikoitua. Viime vuosina C. jejuni ja C. coli bakteerien vastustuskyky eli resistenssi fluorokinoloneille on kuitenkin yleistynyt monissa maissa. Useissa tutkimuksissa on lisäksi havaittu että resistenssi aminoglykosideihin kuuluvalle streptomysiinille (STR) on varsin tavallista C. coli- ja C. upsaliensis-bakteereilla. Aminoglykosidiresistenssimekanismeja on karakterisoitu kuitenkin vain osittain C. jejuni ja C. coli-bakteereilla eikä lainkaan C. upsaliensis-isolaateilla.
Väitöstutkimukseni ensisijainen tavoite oli tutkia sioista eristettyjen C. coli ja koirien C. upsaliensis-bakteerien streptomysiiniresistenssin geneettisiä mekanismeja. Tutkimuksessamme löytyi yhteys C. coli-bakteerin korkean tason STR-resistenssin ja kromosomaalisen rpsL-geenin mutaatioiden välillä. C. upsaliensis-bakteerilla mutaatioita rpsL-geenissä löytyi sekä matalalla että korkealla tasolla streptomysiinille resistenteiltä isolaateilta, ja lisäksi kaikilta korkeasti streptomysiinille resistenteiltä C. upsaliensis-bakteereilta löytyi mutaatioita rsmG-geenissä. Vaikka rpsL- ja rsmG-geenien mutaatioiden yhteys STR resistenssiin tunnetaan useilla muilla bakteerilajeilla, kuvasimme ne ensimmäistä kertaa kampylobakteereilla. Lisäksi löysimme uuden STR resistenssiä aiheuttavan geenin sikojen C. coli isolaateilta. Kyseinen geeni muistuttaa etäisesti aiemmin löydettyjä STR-resistenssigeenejä, mutta, toisin kuin ne, se ei näytä olevan peräisin grampositiivisista bakteerilajeista. Löydösten perusteella oletamme kyseisen geenin kehittyneen resistenssigeeniksi kampylobakteereissa. Tulokset syventävät huomattavasti ymmärrystä kampylobakteerien STR resistenssimekanismeista ja auttavat ennustamaan bakteerien fenotyyppistä resistenssiä genomisekvensointidataan perustuen.
Tutkimme myös fluorokinoloniresistenssimekanismeja danofloksasiinilla hoidettujen sikojen C. coli sekä koirien C. upsaliensis bakteereilla. Molemmilla lajeilla löytyi sama mutaatio DNA gyraasia koodaavasta geenistä gyrA, mutta johtuen geenisekvenssien eroista, kyseinen mutaatio johti C. coli ja C. upsaliensis bakteereilla eri aminohappomuutoksiin. C. coli bakteereilla todettiin korkean tason resistenssi fluorokinoloneille kun taas C. upsaliensis bakteereilla resistenssi oli vain matalalla tasolla. Kuvattu mutaatio on yleisin fluorokinoloniresistenssiin johtava mutaatio C. coli ja C. jejuni bakteereilla kun taas C. upsaliensis isolaateilla mekanismeja ei ole aiemmin juuri tutkittu. Tutkimuksen perusteella danofloksasiini ei aiheuta uusia mutaatioita gyrA geeniin C. coli bakteereilla, kun taas sama mutaatio ei riitä korkean tason fluorokinoloniresistenssiin C. upsaliensis bakteereilla
