Population genetics and molecular epidemiology of Campylobacter jejuni

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-1806-6
Title: Population genetics and molecular epidemiology of Campylobacter jejuni
Author: Llarena, Ann-Katrin
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Veterinary Medicine, Department of Food Hygiene and Environmental Health
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2015-12-14
Language: en
Belongs to series: Dissertationes Schola Doctoralis Scientiae Circumiectalis, Alimentariae, Biologicae - URN:ISSN:2342-5431
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-1806-6
http://hdl.handle.net/10138/158507
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: During the last 40 years, Campylobacter has emerged as the number one cause of human gasteroenteritis in the developed world, of which C. jejuni accounts for the majority of cases. This Campylobacter species has an extremely broad host-range, and has been isolated from arctic penguins to cattle. Broiler chickens has traditionally been considered as the reservoir of importance for public health, but evidence suggests that other source, both known and unknown, are relevant. To decrease the number of human infections, targeted control efforts to reduce C. jejuni exposure to humans are needed. Such control efforts relies on knowledge on the nature of C. jejuni in both established and candidate sources such as broilers and wild birds, respectively, and reliable methods to trace and attribute human infections. Therefore, this thesis evaluated the usefulness of three metabolic markers in source attribution, resolved a Campylobacter outbreak using whole-genome sequence and characterized the dynamics and epidemiology of C. jejuni in Finnish chickens and barnacle geese. First, the possible host association of three metabolic markers, gamma-glutamyl transpeptidase, and the genes of secretory L-asparaginase and fucose permease, was investigated by examining their distribution among isolates collected from a variety of reservoirs and human patients, and by assessing their association with C. jejuni lineages as expressed by multilocus sequence typing. According to our results, the presence and absence of these three traits were linked to the lineages, and no evidence for host association independently of population structure was found. Therefore, these metabolic markers were deemed unsuitable as the sole subtyping scheme in source attribution. Secondly, in an attempt to identify possible new sources for human campylobacteriosis, the character, dynamics, and epidemiology of C. jejuni in barnacle geese and broiler chickens were investigated by multilocus sequence typing and whole-genome sequencing. In line with other studies, the C. jejuni population in barnacle geese was specific to that host, as certain genotypes (ST-702 and ST-1034 CC) were overrepresented in the collection. Furthermore, we proved that the C. jejuni in this wild bird species generally differed from the C. jejuni population found in agricultural animals and C. jejuni infecting humans. Therefore, barnacle geese are most probably not a major source for human campylobacteriosis. Tracing zoonotic pathogens from humans to the source of infection using whole-genome sequencing is a hot topic in the research community. To provide knowledge on how to utilize whole-genome data to profit future real-time investigations of Campylobacter outbreaks, next generation sequencing was used to reinvestigate a waterborne C. jejuni outbreak. Our results revealed that the pulsed-field gel electrophoresis performed in the original outbreak investigation overestimated the clonal relationship between some of the apparently related strains. Through the reanalysis, it became clear that the outbreak was caused by at least two different strains, or an unrelated, sporadic human case was mistakenly classified as part of the outbreak. Whole-genome sequence was therefore needed to infer the correct epidemiology of the studied human infections. To increase the knowledge on C. jejuni in a well-established reservoir, we characterized nearly 90% of all C. jejuni-positive chicken flocks by multilocus sequence typing and linked this information to the isolates metadata, such as farm and collection time-points. We found that the C. jejuni population on Finnish chicken farms was dominated by one genotype (ST-45 CC). Furthermore, our statistical analysis showed that slaughterhouse and year of collection affected the C. jejuni population in chickens mildly, while season influenced the presence of only one genotype (ST-45). Furthermore, the chicken farms were sporadically and infrequently colonized by C. jejuni, as is typical when no persistent colonization source is present on the farms. This thesis utilized an array of subtyping methods on both long- and short-time scales. The results highlight that more traditional methods, such as pulsed-field gel electrophoresis, still have their use in the current genomic era, and stress the usefulness of multilocus sequence typing as a preliminary screening tool to determine the population structure in the C. jejuni collection being investigated. However, we are convinced that whole-genome sequencing will be the subtyping scheme of choice in the near future, as it provides the full resistome, toxiome and virulome concurrently with the genotyping depth of need in a single operation.  Campylobacter har varit den främsta orsaken till human gastroenterit i den västliga värden under dom senaste 40 åren, och C. jejuni står for brorparten av dessa fallen. Denna Campylobacter-arten har ett extremt brett spektrum av värdorganismer, och finns i allt ifrån arktiska pingviner till nötkreatur. Broilerkyckling har traditionellt ansetts vara det reservoar av störst betydning för folkhälsan, men mycket tyder på at andra, alternativa källor, båda kända och okända, är relevanta. För att minska antalet infektioner hos människor, måste kontrollinsatser inriktade på att minska den mänskliga exponeringen för C. jejuni implementeras. Sådana kontrollinsatser bygger på kunskap om C. jejuni i olika källor såsom slaktkycklingar och vilda fåglar, samt tillförlitliga metoder för att spåra och attribuera människors Campylobacter infektioner. Detta doktorand-arbete utvärderar därför nyttan av tre metaboliska markörer till att attribuera campylobacterinfektioner och helgenomsekvensering i utbrotts uppklarning av Campylobacter utbrott. Vidare utforskar arbetet dynamiken och epidemiologin av C.jejuni i finländska kycklingar och vitkindade gäss. En möjlig association mellan värdorganism och förekomsten av tre metaboliska markörer i C. jejuni undersöktes ved att studera deras förekomst i bakteriestammar från olika reservoarer och patienter, samt att bedöma markörens association med multilocus sekvens typer. Enligt våra resultat är närvaron och frånvaro av dessa tre egenskaper kopplade till bakterielinjer, och inga bevis för en association med värdorganismen oberoende av populationsstrukturen hittades. Dessa metaboliska markörer anses därför vara olämpliga som enda använda subtyp-metod i Campylobacter attributionstudier. I ett försök att identifiera nya källor för människors campylobacterinfektion, ble karaktär, dynamik och epidemiologi av C. jejuni i vitkindade gäss och slaktkycklingar undersökt med multilocus sekvens typning och helgenomsekvensering. C. jejuni populationen i vitkindade gäss var värd-specifik och vissa genotyper (ST-702 och ST-1034 CC) var överrepresenterade i samlingen. Vi bevisade vidare att C.jejuni i denna vilda fågelarten skilde sig från C. jejuni i jordbruksdjur och patienter, och vitkindade gäss är derför sannolikt inte en viktig källa för mänsklig campylobacterinfektion. Spårning av zoonotiska patogen från människor till smittkällan med helagenomsekvensering är ett hett ämne i forskarvärlden. För att bidra med kunskap om hur man använder helagenomsekvensering till utbrotts uppklarning, omvärderades ett vattenburen C. jejuni utbrott från 2000 ved komparativ genomik och nästa generations sekvensering. Genom helgenomsekvensering stod det klart att utbrottet orsakades av en minst två olika C. jejuni bakterier, eller att et obesläktad, sporadiskt fall var klassificerad som en del av utbrottet. Helagenomsekvensen behövdes för att sluta sig till den rätta epidemiologin. För att öka kunskapen om C. jejuni i en väletablerad reservoar, typade vi nästan 90 % av alla C. jejuni-positiva kycklingflockar och kopplade detta till information om isolatens ursprung och insamlings tidspunkt. Vi fann att C.jejuni i finska kycklingar domineras av en genotyp (ST-45 CC). Dessutom visade vår statistiska analys att slakteri och insamlings-år svakt bestämde vilka typ av C. jejuni som hittas i kycklingar, medan säsong bara påverkar närvaron av endast en genotyp (ST-45). Vidarea var kyckling gårdarna sällan och tillfäldig koloniserad med C.jejuni, vilket är typiskt när ingen beständig källa föreligger på gårdarna. Denna avhandling utnyttjade en hel rad subtypmetoder, båda över lång och kort tid. Traditionella metoder, såsom pulsad-fält-gelelektrofores, är fortfarande aktuella i denna genomiska era, och multilocus sekvens typning är nyttig som et preliminärt screening verktyg för C. jejuni. Vi är dock övertygade om att helagenomsekvensering kommer att vara subtypning för val inom en snar framtid, eftersom denna metod ger hela resistom, toxiom och virulom och subtyping i en enda operation.
Subject: environmental health
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
populati.pdf 553.3Kb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record