Stress response of Group I and II Clostridium botulinum

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-0516-5
Title: Stress response of Group I and II Clostridium botulinum
Author: Derman, Yağmur
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Veterinary Medicine, Department of Food Hygiene and Environmental Health
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2015-02-06
Language: en
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-0516-5
http://hdl.handle.net/10138/152839
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: The capability of Clostridium botulinum to survive food processing and grow in foods is a substantial hazard to human health. Clostridium botulinum can thrive under stress conditions and the wide genetic variation among C. botulinum strains reflects differences in their growth properties. However, the strain variation in growth, molecular mechanisms, and genetic markers behind the stress tolerance of C. botulinum are poorly understood. This study focused on the variation in growth of Group II C. botulinum strains at temperatures out of the optimal range and characterized the role of the genes that are involved in the stress response of Group I ATCC 3502 and Group II Beluga strains. At extreme temperatures, Group II C. botulinum strains showed significant variation. Some strains showed better growth at 37 °C than their generally accepted optimum growth temperature of 30 °C. Although not absolute, the minimum growth temperatures of 24 Group II strains in our experimental setting were higher than expected. The AFLP typing indicated a weak association between genetic background and growth at extreme temperatures. In addition, clustering analysis showed that the type B and F strains are closely related, since they were clustered together, and the type E strains formed a separate cluster. Our data indicated that Group II C. botulinum strains show considerable differences in their growth properties, and this should be taken into account in designing safety measures against this foodborne pathogen. The study implied that csp genes play important roles in NaCl, pH, and ethanol stress and motility of C. botulinum ATCC 3502. The growth of the cspB mutant was impaired in relation to the wild-type strain under all stress conditions tested, suggesting a universal role in stress response. Additionally, functional cspC was required for efficient growth during NaCl, pH, and ethanol stress. The cspA did not take part in NaCl, pH, and ethanol stress responses, and inactivation of this gene enhanced growth, which suggested a possible growth repressor role. In addition, cspB was not involved in motility, but cspA and cspC were crucial for flagellation and motility. The two-component system CBO2306/CBO2307 of Group I C. botulinum ATCC 3502 and CLO3403/CLO3404 of the Group II Beluga strain were induced up to 4.4- and 3.4-fold, respectively, after cold shock, but not at optimum growth temperatures. This indicated that both systems were involved in rapid response to cold shock. This argument was further confirmed by inactivation of the CBO2306/CBO2307 or CLO3403/CLO3404 genes, which resulted in impaired ability of the mutant strains to grow at low temperatures compared with the wild-type strains. In addition, the histidine kinase encoding clo3403 was required for motility. The cbo2802 that encodes the DEAD-box RNA helicase in C. botulinum ATCC 3502 was cold-inducible. The RT-qPCR analysis showed a 7.6-fold rapid increase in the relative expression of cbo2802 after cold shock. The significance of cbo2802 in the growth at suboptimal temperature of C. botulinum ATCC 3502 was further characterized by disruption of this gene. The mutants without functional cbo2802 showed impaired growth and restricted motility at suboptimal temperature. This study concluded that strains of Group II C. botulinum pose considerable variation in growth properties, which may be of critical importance in predictive modeling of growth in foods. The major cold-shock protein-encoding gene cspB seems to play a universal role in stress response and cspC a role in NaCl, pH, ethanol stress, and motility. The cspA gene is not involved in the stress response of C. botulinum ATCC 3502, but is important for flagella formation. The CBO2306/CBO2307 in Group I C. botulinum ATCC 3502 and CLO3403/CLO3404 in the Group II Beluga strain are part of the cold stress response machinery. Moreover, clo3403 is required for motility. We report for the first time in C. botulinum that DEAD-box RNA helicase is crucial for growth at suboptimal temperature and motility.Clostridium botulinum on ympäristössä tavattava bakteeri, joka muodostaa erittäin vaarallista, maailman voimakkainta luonnollista myrkkyä botulinumneurotoksiinia, minkä vuoksi bakteeri on erittäin merkittävä ja vaarallinen taudinaiheuttaja. Bakteeri pystyy muodostamaan erittäin kestäviä itiöitä. Itiöt ovat terveelle aikuiselle vaarattomia, mutta kasvulle suotuisissa, hapettomissa olosuhteissa ne voivat muuttua eläviksi bakteerisoluksi ja alkaa sitten tuottaa toksiinia. C. botulinum pystyy selviytymään elintarvikkeiden valmistusprosesseista ja myöhemmin lisääntymään elintarvikkeissa tuottaen samalla botulinumneurotoksiinia muodostaen merkittävän vaaran ihmisten terveydelle. C. botulinum kykenee kasvamaan vaativissa olosuhteissa, ja C. botulinum -kantojen laaja geneettinen vaihtelu heijastelee eroja kantojen kasvuominaisuuksissa. C. botulinum jaetaankin neljään eri ryhmään (I-IV) geneettisten ja kasvuun liittyvien ominaisuuksien mukaan. Tässä tutkimuksessa keskityttiin selvittämään ryhmän II C. botulinum -kantojen kasvua ääriolosuhteissa sekä ryhmän I C. botulinum ATCC 3502 -kannan ja ryhmän II C. botulinum Beluga -kannan stressivasteeseen vaikuttavien geenien merkitystä. Ryhmän II toksiinityyppien B ja F -kantojen todettiin olevan läheisesti sukua, sillä ne ryhmittyivät samaan ryhmään kasvuominaisuuksien suhteen, kun taas E-tyypin toksiinia tuottavat kannat muodostivat oma erillisen ryhmän. Tutkimus osoitti, että ryhmän II C. botulinum –kannoilla on merkittäviä eroja kasvuominaisuuksissa, mikä tulisi huomioida suunnitellessa toimenpiteitä elintarviketurvallisuuden parantamiseksi tätä elintarvikevälitteistä taudinaiheuttajaa vastaan. Tutkimus osoitti, että kylmäsokkigeeneillä (csp-geenit) on tärkeä rooli C. botulinum ATCC 3502 -kantojen NaCl-, pH- ja etanolistressioloissa ja liikkuvuudessa. Kun cspB-geeni inaktivoitiin, niin tämän mutantin kasvu oli heikentynyt suhteessa villityypin kantaan kaikissa testatuissa stressioloissa, mikä viittaa geenin yleiseen merkitykseen stressivasteessa. Lisäksi toimiva cspC-geeni vaadittiin tehokkaaseen kasvuun NaCl-, pH- ja etanolistressioloissa. cspA-geenillä ei ollut osuutta NaCl-, pH- ja etanolistressivasteisiin, ja tämän geenin inaktivointi paransi kasvua, mikä viittaa tämän geenin mahdolliseen rooliin kasvurepressorina. Lisäksi cspA ja cspC geenit olivat ratkaisevia flagellan muodostumiselle ja liikkuvuudelle. DEAD-box-RNA-helikaasia C. botulinum ATCC 3502 -kannoissa koodaava cbo2802-geenin aktiivisuus lisääntyi bakteerin kasvaessa alhaisessa lämpötilassa. Kun kyseisen geenin toiminta inaktivoitiin, niin C. botulinum ATCC 3502 –kannan kasvu estyi merkittävästi alhaisessa lämpötilassa. RNA-helikaasigeeneillä on merkittävä rooli parantaa bakteerin kasvua alhaisissa lämpötiloissa. Tutkimuksessa osoitettiin myös kaksoiskomponenttijärjestelmien tärkeä rooli bakteerien mahdollisuudessa kasvaa alhaisessa lämpötilassa. Ryhmän I C. botulinum ATCC 3502 -kannan CBO2306/CBO2307-kaksoiskomponenttijärjestelmän ja ryhmän II C. botulinum Beluga-kannan CLO3403/CLO3404-kaksoiskomponenttijärjestelmän geenien toiminta lisääntyi merkittävästi kylmäsokin jälkeen. Tätä löydöstä vahvisti edelleen geenien CBO2306/CBO2307 ja CLO3403/CLO3404 inaktivointi, joka johti mutanttikantojen heikentyneeseen kykyyn kasvaa matalissa lämpötiloissa verrattuna villityypin kantaan. Tämän tutkimuksen mukaan molempia kaksoiskomponenttijärjestelmiä tarvitaan bakteerien nopeassa vasteessa kylmäsokkiin. Tämä tutkimus osoitti, että ryhmän II C. botulinum -kantojen kasvuominaisuuksissa on huomattavia eroja, millä voi olla kriittistä merkitystä laadittaessa ennustavia malleja kantojen kasvusta elintarvikkeissa. Merkittävimmällä kylmäshokkiproteiinia koodaavalla geenillä cspB vaikuttaa olevan yleinen rooli stressivasteessa ja geenillä cspC rooli NaCl-, pH- ja etanolistressissä sekä liikkuvuudessa. Geenillä cspA ei ole osuutta C. botulinum ATCC 3502 -kannan stressivasteessa, mutta se on tärkeä flagellan muodostumiselle. DEAD-box-RNA-helikaasi on ratkaiseva liikkuvuudelle sekä kasvulle alhaisessa lämpötilassa. Ryhmän I C. botulinum ATCC 3502 -kannan BO2306/CBO2307- ja ryhmän II Beluga-kannan CLO3403/CLO3404-kaksoiskomponenttijärjestelmät ovat osa kylmäsokkivastekoneistoa.
Subject: veterinary medicine
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
stressre.pdf 468.1Kb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record