Research Collection
Doctoral Thesis
The role of the intestinal microbiota in enteric Salmonella typhimurium infection
Author(s):
Maier, Lisa Beate Publication Date:
2013
Permanent Link:
https://doi.org/10.3929/ethz-a-010079693
Rights / License:
In Copyright - Non-Commercial Use Permitted
This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information please consult the Terms of use.
ETH Library
DISS. ETH Nr. 21643
The Role of the Intestinal Microbiota in Enteric Salmonella Typhimurium Infection
A dissertation submitted to the
ETH Zurich
for the degree of
Doctor of Sciences
presented by
Lisa Beate Maier
Dipl.-Biochem., Eberhard Karls University, Tübingen, Germany Born June 2
nd1984
Citizen of Germany
Accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Wolf-Dietrich Hardt Prof. Dr. Julia Vorholt Prof. Dr. Andrew Macpherson
2013
Summary
In a healthy individual, enteric infections are prevented by a series of immunological and physical barriers, as well as by activities of the gut microbes. Both the host and its microbiota live in a mutualistic relationship; the microbes benefit from stable growth conditions and nutrient supply while the microbiota helps the host in shaping the mucosal immune system, degrading nutrients and inhibiting pathogen invasion. However, enteropathogenic bacteria including Salmonella enterica spp.
I serovar Typhimurium (S. Tm), have evolved strategies to intrude into this complex ecosystem and to propagate in this highly competitive niche. As soon as the pathogen’s population density is sufficiently high, S. Tm elicits mucosal inflammation to further inhibit competitors and to gain access to additional nutrients.
The molecular basis of how S. Tm competes with the microbiota during the early phase of gut ecosystem invasion has remained elusive. In particular, as nutrients are scarce in the densely colonized gut, the substrates for consumption by S. Tm remain to be identified. To address these questions, we developed an in vivo screening approach to search for S. Tm genes conferring fitness benefits during the early phase of S. Tm infection in mice.
First, a reliable screening technique for S. Tm mutants with a growth deficit in vivo had to be established. As our strategy was based on negative selection, random loss of mutants (which would result in a high false-positive rate) had to be avoided. Random disappearance of mutants can occur in case of a drastic decrease of the population size (i.e. a bottleneck effect). Indeed, we detected a transient, inflammation-dependent population bottleneck phenomenon within the course of the S.
Tm infection in our standard mouse model for Salmonella diarrhea. This provided important new information on the pathogen-host interaction in the gut infection. Based on these findings we were able to modify our infection model to circumvent bottleneck effects and to establish conditions which would allow genome-wide genetic screens.
In a pilot in vivo screen we found that the hyb hydrogenase supports S. Tm growth during this early gut ecosystem invasion phase of infection. This hydrogenase enables S. Tm to oxidize hydrogen (H2) for anaerobic respiration and consequently fuels microbial growth. As H2 is a central metabolite of the microbiota metabolism, it is highly abundant in the unperturbed gut. Thus, S. Tm can exploit microbiota-derived H2 to gain a competitive edge in the gut.
The level of competitiveness of S. Tm against the resident gut microbes in the absence of inflammation can lead to the emergence of “asympomatic pathogen excretors”, a condition in which the microbiota cannot clear the pathogen from the gut lumen after infection. We questioned
whether antibiotic treatment could reduce the emergence of asymptomatic pathogen excretion. In our mouse model for Salmonella diarrhea, antibiotic therapy with ceftriaxone and ciprofloxacin reduced fecal shedding and disease symptoms, but it did not change the frequency of non- symptomatic excretors compared to untreated controls. Interestingly, only ceftriaxone-treated mice developed protective adaptive immune responses against invasive Salmonella infection.
In conclusion, this work provides both experimental tools and a first glimpse into the interaction between the resident microbiota and an intruding enteric pathogen in the gut ecosystem. This paves the way for future studies on such interactions, which will provide new insights for the prevention and treatment of enteric diseases.
Zusammenfassung
Im gesunden Menschen dienen eine Reihe von immunologischen und physischen Barrieren, zusammen mit den Aktivitäten der Darmmikroben, zum Schutz vor Darminfektionen. Der Wirt und seine Mikrobiota leben in einer wechselseitigen Beziehung: die Mikroben profitieren von stabilen Wachstumsbedingungen und einer stetigen Nährstoffversorgung, während die Mikrobiota dem Wirt bei der Ausbildung des mukosalen Immunsystems, beim Abbau von Nährstoffen und zum Schutz vor Krankheitserregern dient. Jedoch haben Darmerreger wie Salmonella enterica spp. I serovar Typhimurium (S. Tm) Strategien entwickelt, um in dieses komplexe und kompetitive Ökosystem einzudringen und sich zu vermehren. Sobald die Populationsdichte des Erregers ausreichend hoch ist, löst S. Tm eine Darmentzündung aus, um Konkurrenten am Wachstum zu hindern und sich Zugang zu zusätzlichen Nährstoffen zu verschaffen.
Auf molekularer Ebene ist der Wettstreit zwischen S. Tm und der Mikrobiota in der frühen Phase der Invasion in das Darmökosystem noch ungeklärt. Da im dicht besiedelten Darm die Nährstoffe knapp sind, müssen die Substrate, die S. Tm zum Wachstum zur Verfügung stehen, ermittelt werden.
Hierfür wurde im Rahmen dieser Arbeit eine in vivo Screening-Methode entwickelt, die es erlaubt, nach Genen zu suchen, die S. Tm während der frühen Phase der Infektion in der Maus Fitnessvorteile verschaffen.
Zunächst musste eine verlässliche Screening-Methode für S. Tm Mutanten mit Wachstumsdefizit in vivo etabliert werden. Da unsere Screening-Strategie auf einer negativen Selektion basiert, kann der zufällige Verlust von Mutanten zu einem hohen Anteil an falsch-positiven Entdeckungen führen und muss daher verhindert werden. Das zufällige Verschwinden von Mutanten kann im Falle einer drastischen Abnahme der Populationsgrösse eintreten (Bottleneck-Effekt). Ein solches vorübergehendes, entzündungsabhängiges Populations-Bottleneck konnte im verwendeten Standard-Mausmodell für Salmonella-induzierte Diarrhö nachgewiesen werden. Diese Entdeckung liefert wichtige neue Informationen über die Pathogen-Wirts-Interaktionen während der Darminfektion. Durch diese Erkenntis konnte das Infektionsmodell entsprechend anpasst werden, um Bottleneck-Phänomene zu vermeiden und Bedingungen zu schaffen, die genomweite Screens erlauben.
Ein in vivo Pilotscreen zeigte, dass die hyb Hydrogenase das Wachstum von S. Tm in dieser frühen Infektionsphase, der Invasion ins Darmökosystem, unterstützt. Diese Hydrogenase ermöglicht es S.
Tm Wasserstoff (H2) zur anaeroben Atmung zu oxidieren und verstärkt daher mikrobielles Wachstum. Wasserstoff, als ein zentraler Metabolit des Mikrobiota-Stoffwechsels, ist im gesunden
Darm reichlich vorhanden. Salmonella kann daher den von der Mikrobiota produzierten Wasserstoff ausnutzen, um selbst einen Wettbewerbsvorteil im Darm zu erlangen.
Im gesunden Darm kann eine hohe Wettbewerbsfähigkeit von S. Tm im Vergleich zur den Darmmikroben zu „asymptomatischen Keimausscheidern“ führen, ein Zustand in dem die Mikrobiota die pathogenen Darmkeime nach der Infektion nicht aus dem Darmlumen verdrängen kann. Es wurde die Frage adressiert, ob Antibiotiabehandlung das Auftreten solcher asymptomatischen Keimausscheider reduzieren kann. In unserem Mausmodell für Salmonella- Diarrhö reduzierte die Behandlung mit den Antibiotika Ceftriaxon und Ciprofloxacin die Keimausscheidung und Krankheitssymptome, änderte aber die Häufigkeit asymptomatischer Ausscheider nicht im Vergleich zu unbehandelten Kontrollen. Interessanterweise entwickelten nur Ceftriaxon-behandelte Mäuse protektive adaptive Immunantworten gegen Salmonella-Infektionen.
Diese Arbeit liefert sowohl experimentelle Hilfsmittel als auch erste Einblicke in die Interaktion zwischen der Darmmikrobiota und eindringenden Krankheitserregern im Darmökosystem. Das ebnet den Weg für zukünftige Studien solcher Interaktionen, die wiederum für die Prävention und Behandlung von Darmerkrankungen hilfreich sein werden.
