Informatie

2.5C: Fimbriae en Pili - Biologie


leerdoelen

  1. Geef de chemische samenstelling, structuur en functie van de korte adhesiepili van bacteriën.
  2. Noem de functie van een bacteriële conjugatie (geslachts)pilus.
  3. Definieer bacteriële conjugatie.
  4. Geef aan hoe het vermogen om de vorm van de plakkerige punt van zijn pili te veranderen een voordeel zou kunnen zijn voor een bacterie.
  5. Beschrijf kort de beweeglijkheid van de spiertrekkingen die wordt veroorzaakt door type IV pili.

Gemarkeerde bacterie

  1. Lees de beschrijving van Neisseria gonorrhoeae en match de bacterie met de beschrijving van het organisme en de infectie die het veroorzaakt.

Structuur en compositie

Fimbriae en pili zijn dunne, eiwitbuisjes die afkomstig zijn uit het cytoplasmatische membraan van veel bacteriën. Beide kunnen bacteriën op oppervlakken plakken, maar pili zijn meestal langer en minder in aantal dan fimbriae. Ze worden gevonden in vrijwel alle Gram-negatieve bacteriën, maar niet in veel Gram-positieve bacteriën. De fimbriae en pili hebben een schacht die bestaat uit een eiwit dat piline wordt genoemd. Aan het uiteinde van de schacht bevindt zich de hechtpuntstructuur met een vorm die overeenkomt met die van specifieke glycoproteïne- of glycolipidereceptoren op een gastheercel (Figuur (PageIndex{1})). Er zijn twee basistypen pili: korte bevestigingspili en ikong vervoeging pili.

Korte opzetpili, ook wel bekend als fimbriae, zijn meestal kort en vrij talrijk (Figuur (PageIndex{1})) en stellen bacteriën in staat om omgevingsoppervlakken of cellen te koloniseren en weerstand te bieden tegen doorspoelen.

Lange conjugatie-pili, ook wel "F" of sex-pili genoemd (Figuur (PageIndex{4})), die langer zijn en zeer weinig in aantal. De conjugatiepilus maakt conjugatie mogelijk. Zoals later in dit hoofdstuk zal worden gezien, is conjugatie de overdracht van DNA van de ene bacterie naar de andere door cel-tot-cel contact. Bij gramnegatieve bacteriën is het typisch de overdracht van DNA van een donor of "mannelijke bacterie" met een geslachtspilus naar een ontvanger of "vrouwelijke bacterie" om genetische recombinatie mogelijk te maken.

Betekenis van Pili voor bacteriële pathogeniteit

De korte aanhechtingspili of fimbriae zijn organellen van adhesie waardoor bacteriën omgevingsoppervlakken of cellen kunnen koloniseren en weerstand kunnen bieden aan het doorspoelen. De pilus heeft een schacht die bestaat uit een eiwit genaamd pilin. Omdat zowel de bacteriën als de gastheercellen een negatieve lading hebben, kan pili de bacteriën in staat stellen om zich aan gastheercellen te binden zonder in eerste instantie dichtbij genoeg te hoeven komen om door elektrostatische afstoting weggeduwd te worden. Eenmaal gehecht aan de gastheercel, kan de pili depolymeriseren en verklevingen in de bacteriële celwand mogelijk maken om intiemer contact te maken.

Bacteriën verliezen en hervormen voortdurend pili terwijl ze in het lichaam groeien en dezelfde bacterie kan de zelfklevende uiteinden van de pili verwisselen om zich aan verschillende soorten cellen te hechten en immuunafweer te omzeilen (Figuur (PageIndex{6})) . Dit zal later in Unit 3 onder Bacteriële Pathogenese in detail worden besproken. Bacteriën die pili gebruiken om in eerste instantie gastheercellen te koloniseren, zijn onder meer: Neisseria gonorrhoeae, Neisseria meningitidis (inf), uropathogene stammen van Escherichia coli, en Pseudomonas aeruginosa (inf).

Eén klasse pili, bekend als type IV pili, maakt niet alleen hechting mogelijk, maar maakt ook een trillende motiliteit mogelijk. Ze bevinden zich aan de polen van bacillen en zorgen voor een glijdende beweeglijkheid langs een vast oppervlak zoals een gastheercel. Door het verlengen en terugtrekken van deze pili kan de bacterie zichzelf over het vaste oppervlak slepen (zie figuur (PageIndex{5})). Bovendien kunnen bacteriën hun type IV pili gebruiken om de bacterie over een celoppervlak te "katapulteren". In dit geval, als de pili samentrekken, wordt gedacht dat ze strak worden als een uitgerekte rubberen band. Wanneer een verankerende pilus loslaat, "katapult" de gespannen pili de bacterie in de tegenovergestelde richting (zie figuur (PageIndex{6})). Deze beweging wordt typisch afgewisseld met de trillingsmotiliteit en maakt een snellere beweging en richtingsverandering mogelijk dan met de trillingsmotiliteit, omdat de snelle katapultbeweging de viscositeit van de omringende biofilm vermindert.

Hierdoor kunnen bacteriën met dit soort pili in een biofilm zich over een celoppervlak verplaatsen en een optimaal gebied op die cel vinden voor hechting en groei zodra ze zich in eerste instantie hebben gebonden. Bacteriën met type IV pili omvatten: Pseudomonas aeruginosa, Neisseria gonorrhoeae, Neisseria meningitidis, en Vibrio cholerae.

  • Elektronenmicrofoto van type IV pili van Neisseria gonorrhoeae van Magdalene So, Universiteit van Arizona

You Tube-film wordt vertoond Pseudomonas type IV pili gebruiken om overeind te "lopen" na binaire splitsing.
Met dank aan Gerard Wong, UCLA Bioengineering, CNSI

Oefening: Think-Pair-Share vragen

Neisseria gonorrhoeae is een gram-negatieve diplococcus die meerdere allelen heeft die coderen voor verschillende en verschillende pili-adhesieve uiteinden, evenals verschillende en verschillende celwandadhesen die Opa-eiwitten worden genoemd.

De gonococcus kan een groot aantal plaatsen in het lichaam koloniseren en infecteren, waaronder de urethra, het rectum, de keel, het bindvlies van het oog en de eileiders. Het kan ook sperma koloniseren.

  1. Gezien de locaties in het lichaam waar het koloniseert, waarom spoelt het lichaam de bacterie niet gewoon uit het lichaam?
  2. Waarom is N. gonorroein staat om zoveel verschillende plaatsen in het lichaam te koloniseren?
  3. We herkennen pili-kleefpunten en celwandadhesinen als vreemd en maken tijdens adaptieve immuniteit antilichamen aan die zich aan deze microbiële moleculen binden. Geef aan hoe dit kan helpen om het lichaam te beschermen.

Betekenis van Fimbriae en Pili bij het begin van lichaamsverdediging

Initiatie van adaptieve immuniteit

Eiwitten geassocieerd met bacteriële fimbriae en pili fungeren als antigenen en initiëren adaptieve immuniteit. Een antigeen wordt gedefinieerd als een moleculaire vorm die reageert met antilichaammoleculen en met antigeenreceptoren op lymfocyten. We herkennen die moleculaire vormen als vreemd of verschillend van de moleculaire vormen van ons lichaam omdat ze passen op specifieke antigeenreceptoren op onze B-lymfocyten en T-lymfocyten, de cellen die adaptieve immuniteit uitvoeren.

Epitopen van een antigeen (polysacharide). Eiwitten hebben veel epitopen met verschillende specificiteiten. Tijdens humorale immuniteit worden antilichamen gemaakt die passen bij elk epitoop van elk antigeen.

De eigenlijke delen of fragmenten van een antigeen die reageren met antilichamen en met receptoren op B-lymfocyten en T-lymfocyten worden epitopen genoemd. Een epitoop is typisch een groep van 5-15 aminozuren met een unieke vorm die een deel van een eiwitantigeen vormt, of 3-4 suikerresiduen die aftakken van een polysacharide-antigeen. Een enkel micro-organisme heeft vele honderden verschillend gevormde epitopen die onze lymfocyten als vreemd kunnen herkennen en waartegen een adaptieve immuunrespons kan worden opgebouwd.

Epitopen van een antigeen (polysacharide)

Het lichaam herkent een antigeen als vreemd wanneer epitopen van dat antigeen binden aan B-lymfocyten en T-lymfocyten door middel van epitoop-specifieke receptormoleculen met een vorm die complementair is aan die van het epitoop. De epitoopreceptor op het oppervlak van een B-lymfocyt wordt een B-celreceptor genoemd en is eigenlijk een antilichaammolecuul. De receptor op een T-lymfocyt wordt een T-celreceptor (TCR) genoemd.

Er zijn twee hoofdtakken van de adaptieve immuunresponsen: humorale immuniteit en celgemedieerde immuniteit.

1. Humorale immuniteit: Humorale immuniteit omvat de productie van antilichaammoleculen als reactie op een antigeen en wordt gemedieerd door B-lymfocyten. Door een verscheidenheid aan mechanismen zijn deze antilichamen in staat om micro-organismen en hun toxines te verwijderen of te neutraliseren na binding aan hun epitopen. Antilichamen die zijn gemaakt tegen pili-antigenen kunnen bijvoorbeeld bacteriën aan fagocyten plakken, een proces dat opsonisatie. Antilichamen die tegen de klevende uiteinden van pili worden gemaakt, kunnen voorkomen dat bacteriën zich hechten aan gastheercellen en deze koloniseren.

2. Celgemedieerde immuniteit: Celgemedieerde immuniteit omvat de productie van cytotoxische T-lymfocyten, geactiveerde macrofagen, geactiveerde NK-cellen en cytokinen als reactie op een antigeen en wordt gemedieerd door T-lymfocyten. Deze afweercellen helpen bij het verwijderen van geïnfecteerde cellen en kankercellen die vreemde epitopen vertonen.

Adaptieve immuniteit zal meer in detail worden besproken in Unit 6.

Medscape-artikel over infecties die verband houden met organismen die in dit leerobject worden genoemd. Registratie om toegang te krijgen tot deze website is gratis.

  • Neisseria gonorrhoeae
  • Neisseria meningitidis
  • Escherichia coli
  • Pseudomonas aeruginosa
  • Vibrio cholerae

Samenvatting

  1. Fimbriae en pili zijn dunne, eiwitbuisjes die afkomstig zijn van het cytoplasmatische membraan dat in vrijwel alle Gram-negatieve bacteriën wordt aangetroffen, maar niet in veel Gram-positieve bacteriën. Pili zijn meestal langer en minder in aantal dan fimbriae.
  2. De korte aanhechtingspili of fimbriae zijn organellen van adhesie waardoor bacteriën omgevingsoppervlakken of cellen kunnen koloniseren en weerstand kunnen bieden aan het doorspoelen.
  3. De lange conjugatiepilus maakt conjugatie in Gram-negatieve bacteriën mogelijk.
  4. De pilus heeft een schacht die bestaat uit een eiwit dat piline wordt genoemd, met aan het uiteinde een klevende puntstructuur met een vorm die overeenkomt met die van specifieke receptoren op een gastheercel.
  5. Dezelfde bacterie kan de klevende uiteinden van de pili verwisselen om zich aan verschillende soorten cellen te hechten en immuunafweer te omzeilen.
  6. Type IV-pili maakt niet alleen hechting mogelijk, maar maakt ook een trillende beweeglijkheid mogelijk waardoor bacteriën over de oppervlakken waaraan ze zich hebben gehecht kunnen "kruipen" of "lopen" door hun type IV-pili uit en in te trekken.

Vragen

Bestudeer de stof in dit gedeelte en schrijf de antwoorden op deze vragen op. Klik niet zomaar op de antwoorden en schrijf ze op. Dit zal uw begrip van deze tutorial niet testen.

  1. Noem de functie van de korte adhesiepili van bacteriën. (Antwoord)
  2. Definieer bacteriële conjugatie. (Antwoord)
  3. Geef aan hoe het vermogen om de vorm van de plakkerige punt van zijn pili te veranderen een voordeel zou kunnen zijn voor een bacterie. (Antwoord)
  4. Meerkeuze (Antwoord)

Verschil tussen Pili en Fimbriae | bacteriën

5. De vorming van pili wordt gecontroleerd door F+ of vruchtbaarheidsfactor.

6. Het zijn buisvormige structuren.

Verschil # Fimbriae:

1. Fimbriae worden gevonden in zowel Gram +ve- als Gram-ve-bacteriën.

2. Het aantal is 300-400 per cel.

3. Fimbriae zijn korter en smal.

4. Ze nemen deel aan de hechting.

5. De vorming van fimbriae wordt gecontroleerd door een nucleoïde gen.

6. Het zijn borstelachtige vaste structuren.

Gerelateerde artikelen:

Welkom bij BiologieDiscussie! Onze missie is om een ​​online platform te bieden om studenten te helpen bij het delen van aantekeningen in biologie. Deze website bevat studienotities, onderzoekspapers, essays, artikelen en andere verwante informatie die is ingediend door bezoekers zoals JIJ.

Lees de volgende pagina's voordat u uw kennis op deze site deelt:

Vragen

Over ons

Suggesties

Nieuwe vragen en antwoorden en forumcategorieën

Dit is een vraag- en antwoordforum voor studenten, docenten en algemene bezoekers voor het uitwisselen van artikelen, antwoorden en notities. Beantwoord nu en help anderen.

  1. Iedereen kan een vraag stellen
  2. Iedereen kan antwoorden
  3. De beste antwoorden worden gestemd en stijgen naar de top

Forumcategorieën


De capsule is om vier redenen belangrijk:

(1) Het is een bepalende factor voor de virulentie van veel bacteriën, omdat het het vermogen van fagocyten om de bacteriën te verzwelgen, beperkt. Negatieve ladingen op het kapselpolysaccharide stoten het negatief geladen celmembraan van de neutrofiel af en voorkomen dat het de bacteriën opneemt. Varianten van ingekapselde bacteriën die het vermogen hebben verloren om een ​​capsule te produceren, zijn meestal niet-pathogeen.

(2) Specifieke identificatie van een organisme kan worden gemaakt door antiserum te gebruiken tegen het kapselpolysacharide. In aanwezigheid van het homologe antilichaam zal de capsule sterk zwellen. Dit zwellingsverschijnsel, dat in het klinisch laboratorium wordt gebruikt om bepaalde organismen te identificeren, wordt de quellung-reactie genoemd.

(3) Kapselpolysachariden worden gebruikt als antigenen in bepaalde vaccins omdat ze beschermende antilichamen kunnen opwekken. Zo zijn de gezuiverde capsulaire polysachariden van 23 soorten S. pneumoniae aanwezig in het huidige vaccin.

(4) De capsule kan een rol spelen bij de hechting van bacteriën aan menselijke weefsels, wat een belangrijke eerste stap is bij het veroorzaken van infectie.


Overdrachtmechanisme van de groeiende pilus door de bacteriële buitenmembraan-bodes FimD

Pathogene bacteriën zoals Escherichia coli assembleren oppervlaktestructuren die pili of fimbriae worden genoemd, om binding aan gastheercelreceptoren te mediëren 1 . Type 1 pili worden geassembleerd via de geconserveerde chaperonne-usher-route 2-5. De buitenmembraan-inleider FimD werft pilus-subeenheden die zijn gebonden door de chaperonne FimC via het periplasmatische N-terminale domein van de bode. Translocatie van subeenheden door het β-barrel-kanaal van de bode vindt plaats op de twee C-terminale domeinen (die we CTD1 en CTD2 noemen) van dit eiwit. Hoe het chaperonne-subeenheidcomplex gebonden aan het N-terminale domein wordt overgedragen aan de C-terminale domeinen, evenals de timing van subeenheidpolymerisatie in de groeiende pilus, waren eerder onduidelijk. Hier gebruiken we cryo-elektronenmicroscopie om een ​​tussenproduct voor pilusassemblage (FimD-FimC-FimF-FimG-FimH) vast te leggen in een conformatie waarin FimD bezig is het chaperonne-gebonden uiteinde van de groeiende pilus over te dragen aan de C- terminale domeinen. In deze structuur heeft FimF al gepolymeriseerd met FimG, en het N-terminale domein van FimD zwaait over om CTD2 te binden, het N-terminale domein onderhoudt contact met FimC-FimF, terwijl het tegelijkertijd toegang geeft tot de C-terminale domeinen. FimD heeft een intrinsiek ongeordende N-terminale staart die voorafgaat aan het N-terminale domein. Deze N-terminale staart vouwt zich in een spiraalvormig motief bij het rekruteren van het FimC-subeenheidcomplex, maar reorganiseert zich in een lus om CTD2 te binden tijdens de overdracht. Omdat zowel de N-terminale als C-terminale domeinen van FimD zijn gebonden aan het uiteinde van de groeiende pilus, suggereert de structuur verder een mechanisme voor het stabiliseren van het assemblagetussenproduct om te voorkomen dat de pilusvezel weg diffundeert tijdens de opname van duizenden subeenheden.

Belangenconflict verklaring

De auteurs verklaren geen concurrerende financiële belangen.

Figuren

Uitgebreide gegevens Afbeelding 1.. Pilus-assemblage vindt plaats...

Uitgebreide gegevens Afbeelding 1. Pilus-assemblage vindt plaats via donorstrengcomplementatie (DSC) en donorstrenguitwisseling (DSE).

Uitgebreide gegevens Afbeelding 2. Cryo-EM van FimD-tip...

Uitgebreide gegevens Figuur 2.. Cryo-EM van FimD-tip complex.

( een ) Het gelfiltratieprofiel…

250.370 deeltjes leidden naar de 4,0-Å resolutie 3D-kaart van Conformer 1, en

166.913 deeltjes leidden tot de 5,1-Å resolutie 3D-kaart van Conformer 2.

Uitgebreide gegevens Afbeelding 3.. Resolutieschatting en...

Uitgebreide gegevens Afbeelding 3. Resolutieschatting en geselecteerde regio's van de 3D EM-kaarten.

Uitgebreide gegevens Afbeelding 4.. Vergelijking tussen Conformer...

Uitgebreide gegevens Figuur 4.. Vergelijking tussen Conformer 1 en Conformer 2 van het FimD-tipcomplex.

Uitgebreide gegevens Afbeelding 5. Vergelijking van interactie…

Uitgebreide gegevens Afbeelding 5. Vergelijking van interactie tussen FimD-plugdomein en NTD (a) en...

Uitgebreide gegevens Figuur 6.. Sequentiebehoud van…

Uitgebreide gegevens Afbeelding 6. Sequentiebehoud van de interactie-interface aan de twee uiterste uiteinden…

Uitgebreide gegevens Figuur 7.. De interacties tussen…

Uitgebreide gegevens Afbeelding 7.. De interacties tussen FimD NTD en FimCF in Conformer 1 (a)…

Figuur 1.. De ontbrekende schakel in pilus…

Figuur 1.. De ontbrekende schakel in pilusbiogenese en cryo-EM van FimD-tipcomplex.

Figuur 2.. Atoommodellen van Conformers 1…

Figuur 2.. Atoommodellen van Conformers 1 en 2.

Figuur 3.. De FimD N-tail neemt drie…

Figuur 3.. De FimD N-staart neemt drie conformaties aan tijdens een subeenheid-opnamecyclus.


Verschil tussen Pili en Fimbriae | bacteriën

5. De vorming van pili wordt gecontroleerd door F+ of vruchtbaarheidsfactor.

6. Het zijn buisvormige structuren.

Verschil # Fimbriae:

1. Fimbriae worden gevonden in zowel Gram +ve- als Gram-ve-bacteriën.

2. Het aantal is 300-400 per cel.

3. Fimbriae zijn korter en smal.

4. Ze nemen deel aan de hechting.

5. De vorming van fimbriae wordt gecontroleerd door een nucleoïde gen.

6. Het zijn borstelachtige vaste structuren.

Gerelateerde artikelen:

Welkom bij BiologieDiscussie! Onze missie is om een ​​online platform te bieden om studenten te helpen bij het delen van aantekeningen in biologie. Deze website bevat studienotities, onderzoekspapers, essays, artikelen en andere verwante informatie die is ingediend door bezoekers zoals JIJ.

Lees de volgende pagina's voordat u uw kennis op deze site deelt:

Vragen

Over ons

Suggesties

Nieuwe vragen en antwoorden en forumcategorieën

Dit is een vraag- en antwoordforum voor studenten, docenten en algemene bezoekers voor het uitwisselen van artikelen, antwoorden en notities. Beantwoord nu en help anderen.


Cellulaire aanhangsels (Fimbria of Pili)

Veel gram-negatieve bacteriën hebben korte, fijne, haarachtige aanhangsels aan het oppervlak die fimbriae of pili worden genoemd, afhankelijk van hun functie. Ze zijn korter en dunner dan flagella (0,1 tot 1,5 m lang en uniforme breedte tussen 4 en 8 nm) en komen uit de celwand. Er is waargenomen dat afzonderlijke cellen bedekt zijn met slechts 10 fimbriae tot wel 1000. Ze zijn afkomstig uit de cytoplasmatisch membraan en zijn samengesteld uit structurele eiwitsubeenheden genaamd pilins zoals flagellen. Ze komen voor in niet-beweeglijke, maar ook in beweeglijke stammen. Fimbriae zijn antigeen. Het is noodzakelijk ervoor te zorgen dat de bacteriële antigenen die worden gebruikt voor serologische tests en de bereiding van antisera geen fimbriae bevatten, aangezien leden van verschillende geslachten hetzelfde fimbriale antigeen kunnen bezitten.

Demonstratie van Fimbriae

1. Elektronenmicroscopie: Ze zijn niet te zien met de lichtmicroscoop, maar zijn vanwege hun kleinere formaat alleen zichtbaar in een elektronenmicroscoop.

2.Hemagglutinatie: De meeste fimbriae bacteriën dragen fimbriae van een type dat hen in staat stelt zich te hechten aan, naast andere soorten weefselcellen, de rode bloedcellen van veel dierlijke weefsels. Ze hechten zeer sterk aan de rode bloedcellen van cavia's, vogels, paarden en varkens, matig sterk aan menselijke cellen, zwak aan schapencellen en nauwelijks aan ossencellen. De hechtingsfuncties kunnen worden gedetecteerd door het vermogen van bacteriën om zich aan epitheelcellen te hechten of om hemagglutinatie te veroorzaken. Daarom kan een eenvoudige hemagglutinatietest worden gebruikt om te bepalen of een kweek fimbriaatbacillen bevat of niet. De hechting van bacteriën aan rode bloedcellen, gekweekte cellen of weefseloppervlakken kan competitief worden geblokkeerd door de fimbriae.

Soorten Fimbriae

Verschillende soorten fimbriae hebben verschillende hechtende eigenschappen en kunnen worden onderverdeeld in vier soorten:

Type 1 fimbriae (mannose-gevoelig)

Typ 2 fimbriae

Typ 3 fimbriae (mannose-resistent)

Typ 4 fimbriae.

Functies van Pili

Op basis van hun functie kunnen twee klassen worden onderscheiden:

gewone (gewone) pili en sekspili.

1.Gewone (gewone) pili: Fimbriae functioneren waarschijnlijk als organen van verklevingen die hechting van een bacteriële cel aan andere cellen of oppervlakken mogelijk maken. De hechtende eigenschap kan van waarde zijn voor de bacteriën om ze in de qua voedingswaarde gunstige micro-omgeving te houden.

2.Seks pili: Sex pili lijken op fimbriae, ongeveer 1-10 per cel, maar zijn functioneel verschillend. Deze zijn langer en minder in aantal dan andere fimbriae. Ze worden genetisch bepaald door geslachtsfactoren of conjugatieve plasmiden en lijken betrokken te zijn bij de overdracht van DNA tijdens conjugatie. Ze zijn te vinden op ‘mannelijke’ bacteriën en helpen bij de hechting van die cellen aan 'vrouwelijke' bacteriën, waardoor holle conjugatiebuizen worden gevormd waardoor, naar wordt aangenomen, genetisch materiaal wordt overgedragen van de donor naar de ontvangende cel. Sommige bacteriële virussen hechten zich specifiek aan receptoren op sex pili aan het begin van hun voortplantingscyclus.

Pili worden ingedeeld in verschillende typen (bijvoorbeeld F, I) op basis van hun gevoeligheid voor specifieke bacteriofaag.


Fimbriae-artikel

Een van de frustrerende aspecten van het werken met bacteriën is dat ze zo klein zijn dat het bijna onmogelijk is om iets anders dan hun vorm te zien wanneer zelfs de allerbeste optische microscopen naar beneden kijken. Zelfs dan is hun brekingsindex zo vergelijkbaar met die van water dat ze op een glasplaatje moeten worden geplakt, gedood en gekleurd voordat zelfs hun vorm wordt onthuld. Microscopen die gebruik kunnen maken van gepolariseerd licht (fasecontrastmicroscopie) kunnen worden gebruikt om levende bacteriën te zien, maar afgezien van het extra vermogen om sommige soorten gelukkig rond te zien zwemmen, voegen ze weinig toe aan wat we kunnen zien met conventionele kleurtechnieken.

Het feit dat sommige soorten vrij snel konden bewegen intrigeerde veel vroege microbiologen en uiteindelijk leidden enkele speciale kleurprocedures tot de ontdekking van dunne zweepachtige aanhangsels die ze flagellen noemden en beweeglijkheid verleenden. Dit wil niet zeggen dat lichtmicroscopie niet nuttig is. Het blijft een essentieel hulpmiddel in elk bacteriologisch laboratorium, maar het moet worden erkend dat de verkregen informatie, hoewel uiterst nuttig bij routinewerk, beperkt is.

Elektronenmicroscopie onthult meer

De uitvinding van de elektronenmicroscoop bracht veel meer details van bacteriën aan het licht. Vergeleken met de fascinerende structuren die werden ontdekt in eukaryote cellen, waren bacteriën, zowel van binnen als van buiten, behoorlijk oninteressant. Pas in het begin van de jaren zestig werden enkele interessante oppervlaktekenmerken van sommige bacteriesoorten opgemerkt. Deze vertraging was deels te wijten aan de destijds gebruikte elektronenmicroscopietechnieken. De toenmalige afspraak was om ultradunne weefselcoupes te gebruiken, veel dunner dan de secties die voor lichtmicroscopie worden gebruikt. Het leek toen normaal om bacteriën op dezelfde manier te bereiden. Met behulp van deze technieken leken de buitenoppervlakken van bacteriën tamelijk onvruchtbaar, maar de techniek onthulde wel iets van de dubbelmembraanachtige samenstelling van Gram-negatieve bacteriën.

Shadow-Casting onthult nog meer

Hoewel dunne coupes van bacteriën niet toestonden dat flagella in hun geheel werd gezien, onthulden ze wel interessante dwarsdoorsneden die hun interne structuur lieten zien. Het maakte het ook mogelijk om details van flagella-aanhechting te demonstreren. Pas toen elektronenmicroscopen werden gebruikt om naar hele cellen te kijken in plaats van naar ultradunne secties, werd meer vooruitgang geboekt. Deze verandering vereiste de ontwikkeling van nieuwe kleurtechnieken die bekend staan ​​als schaduwvorming, waarbij bacteriële oppervlakken onder een hoek werden besproeid met elektronendicht materiaal zoals goud of koolstof. Dit benadrukte de fijne oppervlaktestructuren op een manier die precies analoog is aan licht dat onder een hoek op een stenen oppervlak valt, meer details onthult dan licht dat er onder een rechte hoek op valt.

Schaduwen, Flagellae en Fimbriae

Toen de technieken voor het werpen van schaduwen eenmaal waren ontwikkeld, waren de zweepachtige flagellen de eersten die in detail werden onderzocht, maar één onderzoeker in het bijzonder merkte de aanwezigheid op van voorheen onvoorstelbare structuren op het oppervlak van sommige soorten. De persoon die voor het eerst deze structuren beschreef die hij vond op stammen van Escherichia coli en Salmonella was professor James Duguid. Hij noemde ze fimbriae.

Fimbriae zijn dunne, haarachtige uitsteeksels gemaakt van eiwitsubeenheden. Er zijn een aantal verschillende typen beschreven (ongeveer 7 bij de laatste telling, gelabeld Type I-VII) die kunnen worden onderscheiden door hun grootte (lengte en diameter) en het type antigenen dat ze dragen. Ze zijn kenmerkend voor sommige Gram-negatieve bacteriën zoals Escherichia coli en Salmonella spp en werden voor het eerst beschreven in de jaren zestig door JP Duguid, hoogleraar microbiologie aan de universiteit van Dundee. Later werd ontdekt dat deze fimbriae opnieuw zouden groeien nadat ze waren afgebroken, b.v. door krachtig te schudden en dat deze hergroei afkomstig was van voorgevormde eiwitsubeenheden die in de cellen waren opgeslagen. Fimbriae ontstaan ​​in het cytoplasma van de cel en steken door het celmembraan en de celwand.

Dus wat doen Fimbriae eigenlijk?

In de loop der jaren hebben we heel veel geleerd over fimbriae en vanaf het allereerste begin werd gedacht dat ze betrokken waren bij het helpen van de bacteriën om zich aan oppervlakken te hechten. Er is nu een aanzienlijke hoeveelheid bewijsmateriaal ter ondersteuning van dit veel ervan met betrekking tot pathogene stammen van E coli.

Type I Fimbriae zijn pathogeniteitsfactoren

Het is tegenwoordig duidelijk dat type I-fimbriae betrokken zijn bij bacteriële adhesie en het allerbeste voorbeeld zijn die welke worden gedragen door pathogene stammen van E.coli. Deze komen in verschillende vormen, waaronder gewone oude Enteropathogene E.coli (EPEC), EnteroToxigene E.coli (ETEC), Entero-invasieve E.coli (EIEC) en VeroToxogene E.coli (VTEC). Deze E.coli-stammen gebruiken Type I-fimbriae om zich aan darmslijmvliescellen te hechten, wat de eerste stap is in het pathogene proces. Zonder de fimbriae is hun vermogen om ziekten te veroorzaken sterk verminderd of volledig verdwenen.

Type IV fimbriae zijn bijzonder interessant. Deze worden ook wel 'bundelvormende pili' genoemd vanwege hun vermogen om te aggregeren tot bundels. Men denkt dat deze fimbriae verband houden met het vermogen van EPEC-stammen om microkolonies te vormen op weefselmonolagen en mutanten die dit vermogen missen, vertonen verminderde virulentie. Van type IV fimbriae is ook aangetoond dat ze betrokken zijn bij het opmerkelijke fenomeen van bacteriële spiertrekkingen, waardoor bacteriële cellen over een oppervlak kunnen kruipen.


2.5C: Fimbriae en Pili - Biologie

Trefwoorden: bacteriële structuur, flagellum, flagella, pilus, pili, fimbriae, capsule, S-laag, glycocalyx, slijmlaag, biofilm, buitenmembraan, LPS, celwand, peptidoglycaan, mureïne, teichoïnezuur, plasmamembraan, celmembraan, fosfolipide dubbellaag, transportsysteem, proton-aandrijfkracht, pmf, ATPase, DNA, chromosoom, nucleoïde, ribosoom, 30S-subeenheid, 50S-subeenheid, 16S rRNA, inclusie, PHB, glycogeen, carboxysoom, endospore, parasporaal kristal.

(Dit hoofdstuk heeft 10 pagina's)

Fimbriae en pili zijn onderling verwisselbare termen die worden gebruikt om korte, haarachtige structuren op de oppervlakken van prokaryotische cellen aan te duiden. Net als flagella zijn ze samengesteld uit eiwitten. Fimbriae zijn korter en stijver dan flagella en iets kleiner in diameter. Over het algemeen hebben fimbriae niets te maken met bacteriële beweging (er zijn uitzonderingen, bijv. Pseudomonas). Fimbriae komen veel voor bij Gram-negatieve bacteriën, maar komen ook voor in sommige archaea en Gram-positieve bacteriën. Fimbriae zijn meestal betrokken bij de hechting van bacteriën aan oppervlakken, substraten en andere cellen of weefsels in de natuur. In E coli, een gespecialiseerd type pilus, de F of sekspilus, stabiliseert blijkbaar paringsbacteriën tijdens het proces van conjugatie, maar de functie van de kleinere, talrijkere gewone pili is heel anders.

gemeenschappelijke pili (bijna altijd gebeld) fimbriae) zijn meestal betrokken bij specifieke hechting (hechting) van prokaryoten aan oppervlakken in de natuur. In medische situaties zijn ze belangrijke determinanten van bacteriële virulentie omdat ze ervoor zorgen dat ziekteverwekkers zich kunnen hechten aan (koloniseren) weefsels en/of aanvallen door fagocytische witte bloedcellen kunnen weerstaan. Bijvoorbeeld pathogeen Neisseria gonorrhoeae hecht zich specifiek aan het menselijke cervicale of urethrale epitheel door middel van zijn fimbriae enterotoxigene stammen van E coli hechten aan het slijmvliesepitheel van de darm door middel van specifieke fimbriae het M-eiwit en bijbehorende fimbriae van Streptococcus pyogenes (Zie figuur 2) zijn betrokken bij therapietrouw en weerstand tegen verzwelging door fagocyten.


Figuur 8. Fimbriae (gewone pili) en flagella op het oppervlak van bacteriële cellen. Links: delen Shigella ingesloten in fimbriae. De structuren zijn waarschijnlijk betrokken bij het vermogen van de bacterie om zich aan het darmoppervlak te hechten. Rechts: deelpaar van Salmonella met zowel zijn peritrichous flagella als zijn fimbriae. De fimbriae zijn veel korter en iets kleiner in diameter dan flagella. Beide Shigella en Salmonella zijn darmbacteriën die verschillende soorten darmdiarree veroorzaken. De bacteriën kunnen worden onderscheiden door een motiliteitstest. Salmonella is beweeglijk Shigella is onbeweeglijk.


RESULTATEN

Fimbria-genclusters van A. naeslundi MG-1.

onderzoeken A. naeslundi MG-1 voor de aanwezigheid van fimbriae, werden cellen negatief gekleurd met uranylacetaat en bekeken met transmissie-elektronenmicroscopie. Typische afbeeldingen toonden consequent aan dat veel lange (lengte, 1 tot 2 μm) en dunne filamenteuze structuren waren verdeeld over het gehele bacteriële oppervlak (Fig. ​ (Fig.1A 1A).

Fimbriae en fimbriae genclusters van A. naeslundi. (EEN) A. naeslundi stam MG-1 cel negatief gekleurd met uranylacetaat en bekeken met transmissie-elektronenmicroscopie. Staaf = 0.2 μm. (B) Diagrammen van twee genclusters geïdentificeerd in het chromosoom van A. naeslundi MG-1, die elk één vermeend sortase-gen bevatten (srtC1 of srtC2) en twee met fimbria geassocieerde genen (fimP en fimQ of fimA en fimB). Een gen voor een vermeende huishoudelijke sortase (srtA) bevindt zich elders in het MG-1-chromosoom. overeenkomst tussen fim genproducten wordt aangegeven met verschillende kleuren (zwart, wit en grijs).

Om te bepalen of sorteersignalen van voorlopereiwitten en sortase-enzymen een rol spelen bij de aanmaak van Actinomyces fimbriae, hebben we de onvoltooide genoomsequentie van A. naeslundi MG-1 (The Institute of Genomic Research [TIGR] http://www.tigr.org/) met behulp van A. naeslundii orf365 en LPXTG-sorteersignalen als zoekopdrachten in BLAST-zoekopdrachten (1). We vonden twee chromosomale genclusters die in totaal vier voorspelde oppervlakte-eiwitgenen bevatten, die elk coderen voor een N-terminaal signaalpeptide en een C-terminaal sorteersignaal (fimA, fimB, fimP, en fimQ), evenals twee vermeende sortase-genen (srtC1 en srtC2) (Afb. ​ (Afb.1B). 1B ). We vonden een derde sortase-gen dat mogelijk codeert voor een huishoudelijke sortase (srtA), elders op het chromosoom. We gebruikten de aanduiding Fim voor Actinomyces fimbria-geassocieerde oppervlakte-eiwitten op basis van de oorspronkelijke beschrijving (41) en we hebben de sortasen SrtC1 en SrtC2 aangewezen op basis van hun mogelijke betrokkenheid bij de assemblage van respectievelijk type 1 en type 2 fimbriae, volgens de conventie om SrtC te gebruiken voor fimbria-specifieke sorteringen (12).

Fima en FimP vertonen significante homologie (respectievelijk 36 en 32'x00025) met de belangrijkste piline-subeenheden SpaH en SpaD van C. difterie (15, 33) (Fig. 2A en B). Dit suggereert dat FimA en FimP de belangrijkste fimbriale eiwitten kunnen zijn. In feite onthulde sequentie-uitlijning van verschillende belangrijke fimbriale eiwitten dat FimA en FimP ook het piline-motief, de E-box en het sorteersignaal met het LPXTG-motief bevatten, naast verschillende geconserveerde motieven die nog moeten worden gekarakteriseerd (Fig. ' x200B (Fig.2A).2A). Evenzo is het feit dat FimB homoloog is (36% identiteit) aan het SpaG-tip-eiwit van C. difterie suggereert dat FimB een kleine fimbriale component kan zijn. De SpaHIG-pilus wordt samengesteld door twee sortasen (SrtD en SrtE) die worden gecodeerd door genen in hetzelfde pilusgencluster dat de genen bevat die coderen voor SpaH, SpaG en SpaI (33), terwijl voor de vorming van de SpaDEF-pilus de sortasen SrtB en SrtC nodig zijn die worden gecodeerd door genen in de pilus-gencluster die SpaD, SpaE en SpaF produceren (15). In overeenstemming met de momenteel vastgestelde specificiteit van sortasen voor pilinen die worden gecodeerd door genen in het verwante pilus-gencluster, wordt voorspeld dat SrtC1 en SrtC2 homoloog zijn aan respectievelijk SrtB en SrtD (Fig. ​ (Fig. 2C 2C ).

Oppervlaktelokalisatie van voorspelde fimbria-eiwitten in A. naeslundi stam MG-1.

Om te bepalen of de voorspelde fimbria-genclusters functioneel zijn en om fimbria-structuren te bestuderen, hebben we specifieke antisera opgewekt tegen de voorspelde A. naeslundi fimbrial proteins by immunizing rabbits with recombinant proteins isolated from E. coli (see Materials and Methods). Using the antibody raised against purified FimP (anti-FimP), as well as gold-labeled IgG, we examined A. naeslundii strain MG-1 using electron microscopy and observed immunogold labeling along bacterial fimbrial fibers (Fig. ​ (Fig.3A). 3A ). There was no labeling of these structures on bacteria treated with control rabbit sera (data not shown). The data demonstrated that FimP is located all along the fimbrial shaft and hence is a major subunit of the fimbriae, which is consistent with its homology to other well-characterized major pilins, such as SpaD of corynebacteria.

Fimbrial structures consisting of FimP and FimQ. A. naeslundii strain MG-1 was immobilized on carbon grids and stained with a specific antiserum. Single-label experiments were performed by staining cells with anti-FimP (A), anti-FimQ (B), and IgG-conjugated 12-nm gold particles. For double labeling (D and E), cells were first reacted with anti-FimQ, followed by IgG-conjugated 18-nm gold particles (open arrowheads), and then were reacted with anti-FimP, followed by IgG-conjugated 12-nm gold particles (solid arrowheads). The area in the box in panel B is enlarged in panel C. Fimbriae were viewed by transmission electron microscopy. Bars = 0.2 μm.

By contrast, when we stained MG-1 with antibody against FimQ (anti-FimQ) and gold-labeled IgG, we observed gold particles both on the bacterial cell surface and at the distal ends of fimbriae, but not along the fimbrial shaft (Fig. 3B and C ), as observed for labeling with anti-FimP (Fig. ​ (Fig.3A). 3A ). Importantly, FimP/FimQ double staining not only confirmed these results but also demonstrated that FimP and FimQ are present in the same fimbrial structure (Fig. 3D and E ). We concluded that FimP is a component of the fimbrial rod, whereas FimQ is located at or near the fimbrial tip, as well as on the bacterial surface.

To determine whether FimA and FimB form a comparable structure, we stained wild-type strain MG-1 with specific antibody raised against purified FimA (anti-FimA) or FimB (anti-FimB), as well as gold particles conjugated with IgG. We observed FimA staining all along the fimbrial shaft (Fig. ​ (Fig.4A). 4A ). In contrast, FimB staining was observed on the cell surface and at a distance, but never along the fimbrial shaft (Fig. 4B and C ), as observed for labeling with anti-FimA (Fig. ​ (Fig.4A). 4A ). FimA/FimB double staining showed that FimA and FimB were present in the same fimbrial structure (Fig. 4D and E ). Together, the data demonstrated that FimA is the major fimbrial subunit and that FimB is located peripherally in the fimbrial tip region.

Fimbrial structures containing FimA and FimB. A. naeslundii strain MG-1 was analyzed as described in the legend to Fig. ​ Fig.3, 3 , except that the cells were stained with anti-FimA (A), anti-FimB (B), and IgG-conjugated 12-nm gold particles. For double labeling (D and E), cells were stained with anti-FimB, followed by IgG-conjugated 18-nm gold particles (open arrowheads), and then were stained with anti-FimA, followed by IgG-conjugated 12-nm gold particles (solid arrowheads). The area in the box in panel B is enlarged in panel C. Bars = 0.2 μm.

FimP and FimQ are components of type 1 fimbriae and FimA and FimB constitute type 2 fimbriae.

The results described above did not show that FimP and FimQ form a fimbrial structure that is distinct from the structure consisting of FimA and FimB. To address this question, we analyzed spontaneous mutants of A. naeslundii T14V that express either type 1 or type 2 fimbriae (4) by electron microscopy. Strain 5519, which is known to express only type 1 fimbriae (1 + 2 − ) (4), had FimP/FimQ-labeled fimbriae, like strain MG-1 (compare Fig. 5A and B and Fig. 3A to C ). Double labeling confirmed that FimP and FimQ are in the same fimbrial structure (Fig. 5C and D ). Importantly, immunostaining with anti-FimA or anti-FimB did not result in detection of any labeled structures (Fig. 5E and F ). This demonstrated that the fimbrial structures formed by FimP and FimQ are specific and that their assembly is independent of the type 2 fimbriae consisting of FimA and FimB.

Components of type 1 fimbriae on the surface of A. naeslundii strain 5519 (1 + 2 − ). Bacteria were stained with anti-FimP (A), anti-FimQ (B), anti-FimA (E), or anti-FimB (F) and IgG-conjugated 12-nm gold particles. For double labeling (C), cells were stained exactly as described in the legend to Fig. ​ Fig.3 3 (open arrowheads, FimQ solid arrowheads, FimP). The area in the box in panel C is enlarged in panel D. Bars = 0.2 μm.

Conversely, strain 5951, which expresses only type 2 fimbriae (1 − 2 + ), produced labeled fimbriae when anti-FimA and anti-FimB were used. Consistent with the results described above (Fig. ​ (Fig.4), 4 ), the FimA label was distributed along the fimbrial rod and the FimB label was found at the distal ends of the fimbriae, as well as on the bacterial surface (Fig. 6A and B ). Double staining confirmed that FimA and FimB are in the same fimbrial structure in this strain (Fig. 6C and D ). In contrast, immunostaining with anti-FimQ or anti-FimP did not result in detection of any labeled structures (Fig. 6E and F ). Together, our data show that FimA and FimB constitute the type 2 fimbrial structures, which are distinct from the type 1 fimbriae, which consist of FimP and FimQ. Additional electron microscopy and biochemical analysis established that the two distinct types of fimbriae consisting of FimA and FimB and of FimP and FimQ are also produced by the T14V strain of A. naeslundii (data not shown).

Components of type 1 fimbriae on the surface of A. naeslundii strain 5951 (1 − 2 + ). Bacteria were stained with anti-FimA (A), anti-FimB (B), anti-FimP (E), or anti-FimQ (F) and IgG-conjugated 12-nm gold particles. For double labeling (C), cells were stained exactly as described in the legend to Fig. ​ Fig.4 4 (open arrowheads, FimB solid arrowheads, FimA). The area in the box in panel C is enlarged in panel D. Bars = 0.2 μm.

Sortase SrtC2 is required for assembly of type 2 fimbriae.

The presence of a sortase gene in each fimbrial gene cluster suggests that a specific sortase might be required for the formation of the cognate type of fimbriae (Fig. ​ (Fig.1B). 1B ). To examine this, we generated an in-frame deletion of the type 2 fimbrial sortase srtC2 gene in parental strain MG-1.

To generate the desired deletion of the srtC2 gene, we used a kanamycin-resistant derivative of plasmid pUC19 (40), which cannot replicate in A. naeslundii. Briefly, a gene deletion cassette was constructed by crossover PCR (39) and cloned into pUC19-kan (see Materials and Methods). The deletion construct was then introduced into A. naeslundii MG-1 by electroporation, and kanamycin-resistant colonies resulting from chromosomal integration of the plasmid were selected. Kanamycin-resistant colonies were then serially passaged in the absence of kanamycin to allow growth of rare progeny in which the plasmid had been excised from the chromosome via a second recombination event. Kanamycin-sensitive colonies were then identified by replica plating and were subsequently screened for the expected deletion mutation by PCR analysis and Western blotting. While we obtained the desired ΔsrtC2 mutant by this procedure, so far we have not generated mutants with deletions in other fimbrial genes.

Next, using the ΔsrtC2 mutant, we investigated the function of the SrtC2 sortase in fimbrial assembly by immunoelectron microscopy. Although the mutant produced many fibrils, none of the fibrils was labeled with anti-FimA or anti-FimB (Fig. 7A and B ). The fact that these fibrils were labeled with both anti-FimP and anti-FimQ demonstrated that they represented the type 1 fimbriae (Fig. 7C and D ). Expression of srtC2 from a plasmid in the ΔsrtC2 mutant restored production of the type 2 fimbriae that were labeled with anti-FimA and anti-FimB (Fig. 7E and F ).

Assembly of type 2 fimbriae requires the SrtC2 sortase. Isogenic derivatives of A. naeslundii MG-1 with the srtC2 gene deleted (ΔsrtC2) (A to D) or this strain expressing srtC2 from plasmid pSrtC2 (E and F) were stained with a specific antiserum against FimA (A and E), FimB (B and F), FimP (C), or FimQ (D) and IgG-conjugated 12-nm gold particles. Bars = 0.2 μm.

To extend this observation, we performed a Western blot analysis with cell extracts prepared from wild-type strain MG-1 and mutant derivatives of this strain. Blotting with anti-FimA revealed FimA-containing material in lysozyme or formic acid extracts of wild-type bacteria but not in control cells boiled in SDS sample buffer (Fig. ​ (Fig.8A). 8A ). Heterogeneous high-molecular-weight bands of FimA (molecular mass, 𾈀 kDa) were detected in the SDS-PAGE stack, while monomeric FimA (calculated molecular mass, 56 kDa) migrated at � kDa. Importantly, deletion of srtC2 in strain AR1 eliminated synthesis of high-molecular-weight FimA but not synthesis of monomeric FimA (Fig. ​ (Fig.8A). 8A ). The SrtC2-encoding plasmid restored synthesis of high-molecular-weight FimA products in the ΔsrtC2 mutant (strain AR2) (Fig. ​ (Fig.8A). 8A ). Thus, the SrtC2 sortase is essential for the production of FimA polymers and for their covalent attachment to the cell wall.

Sortase SrtC2 is required for polymerization of type 2 fimbriae but not for polymerization of type 1 fimbriae. A. naeslundii strain MG-1 (wt), an isogenic ΔsrtC2 derivative of strain MG-1 (AR1), or strain AR1 expressing srtC2 from plasmid pSrtC2 (AR2) were treated with lysozyme (L) or formic acid (F) or were not treated (−) prior to extraction with hot SDS sample buffer. Proteins were separated by SDS-PAGE and detected by immunoblotting with anti-FimA (A), anti-FimB (B), anti-FimP (C), or anti-FimQ (D). The positions of monomeric products (FimAM, FimBM, FimPM, and FimQM) and high-molecular-weight products (FimAHMW, FimBHMW, FimPHMW, and FimQHMW) of fimbrial assembly, the molecular weight markers, and the stacking gel portion of the SDS-PAGE gel (stack) are indicated.

Similarly, Western blotting with anti-FimB revealed both high-molecular-weight and monomeric FimB in lysozyme or formic acid extracts of wild-type bacteria but only monomeric FimB in extracts of the ΔsrtC2 mutant (Fig. ​ (Fig.8B). 8B ). Again, expression of srtC2 from a plasmid restored the production of high-molecular-weight immunoreactive material in the deletion mutant (Fig. ​ (Fig.8B). 8B ). The monomeric FimB migrated as an 86-kDa protein, which was slightly less than the predicted molecular mass (� kDa), while polymeric FimB migrated in the same region as polymeric FimA (molecular mass, 𾈀 kDa). By contrast, a blotting experiment with anti-FimP and anti-FimQ revealed polymeric forms of the type 1 fimbrial proteins in extracts of the ΔsrtC2 mutant with a mobility pattern that is similar to that of the wild type (Fig. 8C and D ). Thus, neither the polymerization nor the cell wall linkage of type 1 fimbriae depends on SrtC2. Together, these results establish the specific role of SrtC2 in the assembly of type 2 fimbriae from FimA and FimB monomers.


Perinatal Diseases

Virulence Factors of E. coli

Virulence factors of E. coli include pili (fimbriae), enterotoxins (exotoxins), endotoxins, en capsules. The adhesins in the pili of ETEC allow them to adhere to intestinal villous epithelial cells and prevent peristaltic elimination by the gut and to produce enterotoxins.

The virulence factors are relevant to vaccine efficacy. The species-specific adhesin antigens must be identified and incorporated into vaccines, which are given to pregnant females in an attempt to stimulate the production of specific antibody in the colostrum, which will provide protection against enterotoxigenic colibacillosis. An essential element of vaccine development is the detection of common fimbrial antigens occurring among most pathogenic isolates and able to induce antibodies that block bacterial adhesion. The great diversity of potential pathogenic serotypes encountered in colisepticemia and the failure of serotype-specific antibody to cross-protect against a heterologous challenge in experimental infection have made it difficult to develop vaccines against septicemic colibacillosis.

The major virulence factors of ETEC in calves are the F5 (K99) adhesin antigen and the heat-stable enterotoxin (ST). The colonization in the small intestine of calves by F5 ETEC appears to be site specific, having a predilection for the ileum. Some serogroups also elaborate the F41 adhesin to the F5. Other surface-adhesive antigens, such as Att 25 and F17, have been identified on bovine enteropathogenic and septicemic E. coli. The F17a-positive ETEC strains are no longer isolated from diarrheic calves in some countries. It is postulated that the use of a vaccine including O101, K32, and H9 antigens in addition to F5 explains the strongly reduced incidence of the O101:K32:H9, F5 E. coli kloon. A F4-related fimbrial antigen occurs on some enterotoxigenic and septicemic strains.

Enterotoxins are plasmid-regulated secreted peptides of ETEC bacteria that affect the intestinal epithelium. Two types of enterotoxins are differentiated, large-molecular-weight (88 kDA) heat-labile enterotoxins (LT) and small-molecular-weight heat-stable enterotoxins (ST). 7 LT enterotoxins are predominantly produced by human and porcine ETEC strains, whereas ST enterotoxins are produced by human, porcine, and bovine ETEC strains. The heat-stable enterotoxin from bovine ETEC has been purified and characterized. There is evidence of a form of ST enterotoxin that is common to bovine, porcine, and human strains of ETEC.

Most strains of septicemic E. coli belong to certain serogroups with virulence properties that enable them to resist the defense mechanisms that would normally eliminate other E. coli. Septicemic strains produce endotoxin, which results in shock and rapid death, usually in calves that are less than 5 days of age and with FTPI. Isolates of E. coli from the blood of critically ill bacteremic calves on a calf-rearing farm in California constituted a heterogeneous group and were found to be aerobactin positive and often resistant to the bactericidal effects of serum. The relative importance of individual serogroups varies between countries. However, it has been established that typeable isolates of E. coli from septic calves belong to a relatively small number of serogroups. 9 Strains commonly isolated from calves with septicemia belong to serogroups O78 and O15. 9,10

Enterohemorrhagic E. coli (EHEC) and Shiga-toxin-producing E. coli (STEC) are recognized in humans and animals with increased frequency and constitute a major zoonotic concern (see the discussion of enterohemorrhagic E. coli in farm animals and zoonotic implications). These organisms are members of O111, O1O3, O5, and O26 serogroups, and none produces enterotoxin, nor do they possess the F5 pili. They produce the potent Shiga toxins or verotoxins SLT1 and SLT2 and some strains, the attaching and effacing E. coli (AEEC), attach to and efface the microvilli of the enterocytes, causing diarrhea and dysentery as a result of hemorrhagic colitis in calves 2 to 5 weeks of age. The effacing (eae) gene and the gene coding for the Shiga toxin 1 (SLT1) are associated with most isolates of AEEC in cattle. They have been isolated from both diarrheic and healthy sheep and goats.

A study of the onset and subsequent pattern of shedding of STEC O26, O103, O111, O145, and O157 in a cohort of beef calves on a mixed cattle and sheep farm in Scotland found that O26 was shed by 94% of the calves and that 90% of the O26 isolates carried the vtx1, eae, en ehl genes. E. coli O103 was the second most commonly shed serogroup of the tested calves, and the pattern of shedding was sporadic and random. There was an absence of shedding of E. coli O111, and the prevalence of shedding of O145 was low. Although some shedding of O157 occurred, shedding in calves was sporadic and infrequent. For O26, O103, and O157, there was no association between shedding by calves and shedding by dams within 1 week of birth. For O26 and O103, there was no association between shedding and diarrhea and no significant change in shedding following housing. In a sample of Australian dairy farms, calves as young as 48 to 72 hours had evidence of fecal excretion of STEC, indicating that dairy cattle are exposed to STEC from birth. Calves at weaning are most likely to shed STEC O26 or E. coli O157, similar to the prevalence surveys in the northern hemispheres.

Naturally occurring cases of attaching and effacing lesions of the intestines in calves with diarrhea and dysentery and infected with E. coli O126:H11, the predominant STEC strain in humans, have been described in the United Kingdom. STEC and eae-positive non-STEC have been isolated from diarrheic dairy calves 1 to 30 days of age.

E. coli O157 has been isolated from neonatal calves and has been implicated as a cause of diarrhea in calves. The isolates carried various virulence genes, such as Ehly, eae, stx1, en stx2. De Ehly gene may be a virulence marker for bovine enterohemorrhagic E. coli O157 strains. Similar findings have been reported in dairy cattle herds in Brazil. Strains of E. coli possessing a subtype beta intimin, normally found in human enteropathogenic E. coli, have been found in diarrheic calves in Brazil.

Non-O157 STEC have been isolated from diarrheic calves in Argentina, and the serotypes carried virulence traits associated with increased pathogenicity in humans and cattle. Severe clinical syndromes associated with non-O157 STEC are common in children under 4 years of age and may be associated with diarrheic calves, which shed highly virulent STEC strains and could act as a reservoir and contamination source in these areas.

E. coli O116, a serogroup previously associated with cases of hemolytic–uremic syndrome in humans, has been associated with an outbreak of diarrhea and dysentery in 1- to 16-week-old calves in India. E. coli O103:H2, an STEC strain causing disease in humans, has been isolated from calves with dysentery and from a sheep in Australia.

Necrotoxigenic E. coli (NTEC), which produce cytotoxic necrotizing factor (CNF), have been isolated from cattle in Northern Ireland and Spain and from diarrheic piglets in England. NTEC1 strains from cattle, pigs, and humans can belong to the same serogroups/biogroups, carry genes coding for adhesions belonging to the same families, and possess other identical virulence-associated properties, and they therefore do not exclude the possibility of cross-infection between humans and farm animals in some cases. In Spain NTEC were detected by tissue culture and PCR in 15.8% of diarrheic dairy calves from 1 to 90 days of age the majority were NTEC producing CNF2, and the risk increased with age. There was also a strong association between CNF2 and F17 fimbriae. The NTEC, with their associated adhesins and toxins, were present in diarrheic and septicemic calves as early as 1958, and their prevalence seems to be increasing. Their role in causing disease needs further examination.

Most ETEC from neonatal pigs belong to the so-called “classical serogroups”: O8:K87, O45, O138:K81, O141:K85, O147:K89, O149:K91, and O157:KXVX17. Strains of these serogroups usually express and produce F4 (K88), F5 (K99), F6 (987P), F18 and F41 pilus antigens. With the exception of F18, these pilus antigens mediate adhesion of E. coli to ileal villi in neonates, causing profuse diarrhea in unweaned pigs. The F4 and F5 piliated strains are the most common cause of enteric disease in piglets under 2 weeks of age. ETEC strains that produce F6 pili colonize the small intestines and cause diarrhea in neonatal pigs under 6 days of age, but not older pigs. F18, in contrast, is not associated with neonatal colibacillosis in piglets, but together with F4 is the most common adhesin associated with postweaning colibacillosis. There are also some ETEC strains that produce none of the antigens mentioned previously.

F4 produces heat-labile enterotoxin (LT), F5 and F6 do not produce LT, and all three types produce heat-stable enterotoxin STa in infant mice. Some isolates produce neither LT nor STa but produce enterotoxin in ligated intestinal loops of pigs (STb). Other “nonclassical” strains colonize the small intestine to a certain extent, do not strongly adhere to the intestinal epithelium, and produce enterotoxin and diarrhea in neonatal piglets.

The porcine ETEC strains that induce diarrhea in piglets less than 2 weeks of age but not in older pigs are designated class 2, whereas those strains that induce diarrhea in older pigs are class 1 ETEC. The bovine ETEC strains have several features in common with the porcine class 2 organisms, which include the possession of the 0 antigens 8, 9, 20, or 101 characterization as mucoid colonies possession of F5 pili and production of heat-stable enterotoxin. Most ETEC strains of pigs belong to a restricted number of serogroups.