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Main Title: Charakterisierung des Tigecyclinresistenzmechanismus in Enterococcus faecium und Enterococcus faecalis
Translated Title: Characterization of the tigecycline resistance mechanism in Enterococcus faecium and Enterococcus faecalis
Author(s): Fiedler, Stefan
Advisor(s): Werner, Guido
Szewzyk, Ulrich
Referee(s): Szewzyk, Ulrich
Grohmann, Elisabeth
Werner, Guido
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Tigecyclin ist ein Reserveantibiotikum der Stoffklasse der Glycylcycline und ein Tetracyclinderivat. Es findet Anwendung bei der Behandlung von Infektionen mit MRSA, VRE und gramnegativen Bakterien. Im NRZ für Staphylokokken und Enterokokken sind zwischen 2010 und 2015 über 90 tigecyclinresistente E.-faecium- und E.-faecalis-Isolate eingegangen. Aufgrund der umfangreichen Stammsammlung und des Modelcharakters für Antibiotikaresistenz bei grampositiven Bakterien sollte der Resistenzmechanismus gegenüber Tigecyclin bei Enterokokken aufgeklärt werden. Mithilfe von Effluxpumpeninhibitorexperimenten und Ganzgenomanalysen konnten sowohl eine Effluxpumpe tet(L) als auch ein ribosomales Protektionsprotein tet(M) als putative Resistenzgene bestimmt werden. Diese Tetracyclinresistenzgene sind in der Regel nicht in der Lage, eine Tigecyclinresistenz zu vermitteln. In weiteren Experimenten konnte jedoch gezeigt werden, dass sowohl eine Überexpression beider Resistenzgene als auch Mutationen innerhalb der Resistenzgene zu einem Resistenzphänotyp führen können. Dies wurde mit Expressionsanalysen innerhalb von L. monocytogenes als auch E. faecium bestätigt. Es konnte gezeigt werden, dass bei den plasmidkodierten Resistenzgenen tet(L) und tet(M) die Regulation der Transkription über die Plasmidkopienzahl erfolgte. Für das chromosomal kodierte Resistenzgen tet(M) konnte dies wiederlegt werden. Hier war vermutlich eine Deletion des sogenannten tet(M) Signalpeptides verantwortlich. Dieses Signalpeptid, direkt 5‘ seitig von tet(M) lokalisiert, ist für eine Dämpfung der Transkription verantwortlich. Eine Deletion führte zu einer verstärkten Expression. Ein weiterer Resistenzmechanismus ist die Mutation des ribosomalen Proteins S10. Das Protein befindet sich in direkter Nachbarschaft zur Tigecyclin-Bindestelle. Mutationen und Deletion führten zu einer geringen Steigerung der minimalen Hemmkonzentration. Eine Veränderung innerhalb des ribosomalen Proteins S10 konnte in 92 % der getesteten tigecyclinresistenten Isolate festgestellt werden. In weiteren Experimenten konnte gezeigt werden, dass eine Behandlung von tigecyclinsensiblen Enterokokken mit Tetracyclin einen direkten Einfluss auf den Tigecyclinresistenzmechanismus hatte und zu einer gesteigerten minimalen Hemmkonzentration führte. Diese Ergebnisse sind besonders besorgniserregend, da eine antibiotische Behandlung von Viehbeständen zu einer Verbreitung von resistenten zoonotischen Pathogenen beitragen könnte. Aufgrund des seltenen Einsatzes von TGC ist in den kommenden Jahren in Deutschland mit einem verstärkten Auftreten von TGC-resistenten Enterokokken nicht zu rechnen.
Tigecyclin is a last line antibiotic of the glycylcycline class and a tetracycline derivative. It is used for the treatment of infections with MRSA, VRE and Gram-negative bacteria. Between 2010 and 2015, the NRZ for staphylococci and enterococci received more than 90 tigecycline-resistant E. faecium and E. faecalis isolates. Due to the large collection and the model character for antibiotic resistance in Gram-positive bacteria, the mechanism of resistance to tigecycline should be elucidated in enterococci. Using efflux pump inhibitor experiments and whole genome analysis, both an efflux pump tet(L) and a ribosomal protection protein tet(M) were identified as putative resistance genes. These tetracycline resistance genes are usually unable to mediate tigecycline resistance. In further experiments it could be shown that an overexpression of both resistance genes and mutations can lead to a resistance phenotype. This results were confirmed by expression in L. monocytogenes as well as E. faecium. The level of tigecycline resistance was in direct correlation to the transcription level of the plasmid-encoded resistance gene tet(L) and tet(M), regulated via the plasmid copy number. For an chromosomal coded tet(M) gene, an increase of copy’s on the genome could not be detected. For that a deletion within the signal peptide is responsible for an overexpression. This signal peptide, located 5' to the side of tet(M), is responsible for attenuation of transcription. A deletion led to an increased expression. Another mechanism is the mutation of the ribosomal protein S10. The protein is in close proximity to the tigecycline binding pocket. Mutations and deletions resulted in a slightly increase of the minimal inhibitory concentration. Alteration within the ribosomal protein S10 was found in 92 % of the tested tigecycline-resistant isolates. In a further experiment it was shown that the treatment of tigecycline-sensitive enterococci with tetracycline had a direct influence on the tigecycline resistance mechanism and led to an increased minimal inhibitory concentration. These results are of particular concern due to the high antibiotic consumption during livestock farming. This could possibly contribute to the spread of resistant zoonotic pathogens. An increased incidence of TGC-resistant enterococci is not expected in Germany within the next years due to the rare use as an antibiotic of last resort.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/11720
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-10612
Exam Date: 21-Sep-2020
Issue Date: 2020
Date Available: 2-Nov-2020
DDC Class: 579 Mikroorganismen, Pilze, Algen
576 Genetik und Evolution
Subject(s): Tigecyclin
Antibiotikaresistenz
Enterokokken
Resistenzmechanismus
Effluxpumpeninhibitoren
tigecycline
antibiotic resistance
enterococci
resistance mechanism
efflux pump inhibitors
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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