Open Access

Molecular typing of bacteria for epidemiological surveillance and outbreak investigation / Molekulare Typisierung von Bakterien für die epidemiologische Überwachung und Ausbruchsabklärung

Werner Ruppitsch
Werner Ruppitsch
   | Dec 30, 2016
Die Bodenkultur: Journal of Land Management, Food and Environment's Cover Image
About this article
Previous Article
Next Article
Cite
Article Category: Research Article
Published Online: Dec 30, 2016
Page range: 199 - 224
Received: Sep 30, 2016
Accepted: Nov 15, 2016
DOI: https://doi.org/10.1515/boku-2016-0017
Keywords
© 2016 De Gruyter, www.degruyter.com/view/j/boku
This article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License, which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Outbreak investigation: The first step in outbreak investigation is the isolation and identification of the respective pathogen from a suspected source as well as from patients. Next, the identified isolates are characterized below species level by diverse typing methods. Typing results linked with epidemiological data may lead to the identification of the source of infection. In this example, the food isolate g sharing the same genetic fingerprint, sequence type, melting curve profile, and toxin gene profile with isolates b, f, and h from humans might be the source of infection.Abbildung 1. Ausbruchabklärung: Der 1. Schritt ist die Isolierung und Identifizierung des Pathogens aus der verdächtigen Probe und von Patienten. Danach werden die identifizierten Isolate durch verschiedene Methoden typisiert. Eine Kombination von Typisierungsergebnissen mit epidemiologischen Daten kann schließlich zur Identifizierung der Infektionsquelle führen. Im Beispiel hat das Lebensmittelisolat g den gleichen genetischen Fingerabdruck wie die Humanisolate b, f und h und ist damit die m ögliche Infektionsquelle.
Outbreak investigation: The first step in outbreak investigation is the isolation and identification of the respective pathogen from a suspected source as well as from patients. Next, the identified isolates are characterized below species level by diverse typing methods. Typing results linked with epidemiological data may lead to the identification of the source of infection. In this example, the food isolate g sharing the same genetic fingerprint, sequence type, melting curve profile, and toxin gene profile with isolates b, f, and h from humans might be the source of infection.Abbildung 1. Ausbruchabklärung: Der 1. Schritt ist die Isolierung und Identifizierung des Pathogens aus der verdächtigen Probe und von Patienten. Danach werden die identifizierten Isolate durch verschiedene Methoden typisiert. Eine Kombination von Typisierungsergebnissen mit epidemiologischen Daten kann schließlich zur Identifizierung der Infektionsquelle führen. Im Beispiel hat das Lebensmittelisolat g den gleichen genetischen Fingerabdruck wie die Humanisolate b, f und h und ist damit die m ögliche Infektionsquelle.

Detection of virulence plasmids pOX1 and pOX2 using plasmid-specific primer pairs, which are species specific for Bacillus anthracis. S, isolate from sample; R, reference strain; M, 100 base pair molecular weight marker.Abbildung 2. Nachweis der Bacillus anthracis spezifischen Virulenzplasmide pOX1 und pOX2 mit Plasmid spezifischen Primern. S, Isolat aus Untersuchungsmaterial, R, Referenzstamm, M, 100 Basenpaar Molekulargewichtsmarker.
Detection of virulence plasmids pOX1 and pOX2 using plasmid-specific primer pairs, which are species specific for Bacillus anthracis. S, isolate from sample; R, reference strain; M, 100 base pair molecular weight marker.Abbildung 2. Nachweis der Bacillus anthracis spezifischen Virulenzplasmide pOX1 und pOX2 mit Plasmid spezifischen Primern. S, Isolat aus Untersuchungsmaterial, R, Referenzstamm, M, 100 Basenpaar Molekulargewichtsmarker.

High-resolution melting curve analysis of amplification products of cluster I of the rpoB gene of Mycobacterium tuberculosis isolates for mutation scanning. The baseline represents the drug-sensitive control. The mutations of the respective drug-resistant isolates are indicated for the different melting curve profiles.Abbildung 3. Hochauflösende Schmelzkurvenanalyse von PCR Produkten des rpoB Gencluster I von Mycobacterium tuberculosis Isolaten zur Identifizierung von Mutationen. Die Basislinie zeigt die Antibiotika sensitive Kontrolle. Die Mutationen der entsprechenden Antibiotika resistenten Isolate sind für die verschiedenen Schmelzkurvenprofile angegeben.
High-resolution melting curve analysis of amplification products of cluster I of the rpoB gene of Mycobacterium tuberculosis isolates for mutation scanning. The baseline represents the drug-sensitive control. The mutations of the respective drug-resistant isolates are indicated for the different melting curve profiles.Abbildung 3. Hochauflösende Schmelzkurvenanalyse von PCR Produkten des rpoB Gencluster I von Mycobacterium tuberculosis Isolaten zur Identifizierung von Mutationen. Die Basislinie zeigt die Antibiotika sensitive Kontrolle. Die Mutationen der entsprechenden Antibiotika resistenten Isolate sind für die verschiedenen Schmelzkurvenprofile angegeben.

Diversity of Vibrio cholerae isolates as determined by amplified fragment length polymorphism. Each isolate is characterized by a specific band pattern. Related isolates display identical band patterns (CHT18, CHT57, CHT59).Abbildung 4. Diversität von Vibrio cholarae Isolaten dargestellt durch Amplifizierte Fragmentlängen Polymorphismen. Jedes Isolat ist durch ein spezifisches Bandenmuster charakterisiert. Verwandte Isolate habengleiche Bandenmuster (CHT18, CHT57, CHT59).
Diversity of Vibrio cholerae isolates as determined by amplified fragment length polymorphism. Each isolate is characterized by a specific band pattern. Related isolates display identical band patterns (CHT18, CHT57, CHT59).Abbildung 4. Diversität von Vibrio cholarae Isolaten dargestellt durch Amplifizierte Fragmentlängen Polymorphismen. Jedes Isolat ist durch ein spezifisches Bandenmuster charakterisiert. Verwandte Isolate habengleiche Bandenmuster (CHT18, CHT57, CHT59).

Schematic presentation of PFGE analysis for Listeria monocytogenes (from Allerberger et al., 2015; with permission from Springer Verlag, Heidelberg).Abbildung 5. Schematische Darstellung der PFGE Analyse von Listeria monocytogenes (aus Allerberger et al., 2015; mit Genehmigung des Springer Verlags, Heidelberg).
Schematic presentation of PFGE analysis for Listeria monocytogenes (from Allerberger et al., 2015; with permission from Springer Verlag, Heidelberg).Abbildung 5. Schematische Darstellung der PFGE Analyse von Listeria monocytogenes (aus Allerberger et al., 2015; mit Genehmigung des Springer Verlags, Heidelberg).

Schematic presentation of MLVA typing. Two different loci for diverse isolates are shown. PCR fragments size (indicated by different colors) depends on the number of repeat units within each repeat locus.Abbildung 6. Schematische Darstellung der MLVA Typisierung. Zwei Repeatloci für verschiedene Bakterienisolate werden gezeigt. Die DNA Fragmentgröße (angezeigt durch verschiedene Farben) ist abhängig von der Repeatanzahl im jeweiligen Repeatlocus.
Schematic presentation of MLVA typing. Two different loci for diverse isolates are shown. PCR fragments size (indicated by different colors) depends on the number of repeat units within each repeat locus.Abbildung 6. Schematische Darstellung der MLVA Typisierung. Zwei Repeatloci für verschiedene Bakterienisolate werden gezeigt. Die DNA Fragmentgröße (angezeigt durch verschiedene Farben) ist abhängig von der Repeatanzahl im jeweiligen Repeatlocus.

Schematic presentation of spa typing of Staphylococcus aureus isolates. Repeat units are presented by colors. A spa type is characterized by the order and number of certain repeat units, resulting in a numerical code for repeat units and finally for a given spa type.Abbildung 7. Schematische Darstellung der spa Typisierung von Staphylococcus aureus Isolaten. Repeateinheiten sind durch Farben dargestellt. Der spa Typ wird durch die Reihenfolge und Anzahl der Repeateinheiten bestimmt. Für die unterschiedlichen Repeateinheiten und spa Typen werden Nummerncodes vergeben.
Schematic presentation of spa typing of Staphylococcus aureus isolates. Repeat units are presented by colors. A spa type is characterized by the order and number of certain repeat units, resulting in a numerical code for repeat units and finally for a given spa type.Abbildung 7. Schematische Darstellung der spa Typisierung von Staphylococcus aureus Isolaten. Repeateinheiten sind durch Farben dargestellt. Der spa Typ wird durch die Reihenfolge und Anzahl der Repeateinheiten bestimmt. Für die unterschiedlichen Repeateinheiten und spa Typen werden Nummerncodes vergeben.

Scheme for multilocus sequence typing adapted from mlst.net. MLST uses sequence variations in up to seven housekeeping genes. Allele numbers are assigned to unique sequences and the allele number combination result in a sequence type.Abbildung 8. Schematische Darstellung der Multilocus Sequenztypisierung – adaptiert aus mlst.net. MLST beruht auf Sequenzunterschieden in bis zu sieben Haushaltsgenen. Allelnummern werden spezifischen Sequenzen zugeordnet und die Kombination ergibt den Sequenztyp.
Scheme for multilocus sequence typing adapted from mlst.net. MLST uses sequence variations in up to seven housekeeping genes. Allele numbers are assigned to unique sequences and the allele number combination result in a sequence type.Abbildung 8. Schematische Darstellung der Multilocus Sequenztypisierung – adaptiert aus mlst.net. MLST beruht auf Sequenzunterschieden in bis zu sieben Haushaltsgenen. Allelnummern werden spezifischen Sequenzen zugeordnet und die Kombination ergibt den Sequenztyp.

The superior resolution of WGS: Minimum spanning tree for LA-MRSA isolates, all with classical MLST ST398, based on the cgMLST of S. aureus consisting of 1,862 alleles. Colors correspond to the province of origin in Austria. Each circle represents isolates with an allelic profile based on the cgMLST. Blue numbers show the allelic differences between two isolates. Clusters of closely related isolates are shaded in gray (Source: Lepuschitz, 2015)Abbildung 9. Die höhere Auflösung der Gesamtgenomsequenzierung: minimaler Spannbaum für LA-MRSA Isolate, alle mit klassischem MLST ST398, basierend auf dem S. aureus Kerngenom bestehen aus 1862 Allelen. Die verschiedenen Farben entsprechen den Bundesländern. Jeder Kreis entspricht Isolaten mit einem bestimmten Genprofil basierend am cgMLST. Blaue Zahlen auf den Linien geben die Anzahl der Unterschiede zwischen Isolaten an. Cluster, bestehend aus ähnlichen Isolaten, sind grau markiert (Quelle: Lepuschitz, 2015).
The superior resolution of WGS: Minimum spanning tree for LA-MRSA isolates, all with classical MLST ST398, based on the cgMLST of S. aureus consisting of 1,862 alleles. Colors correspond to the province of origin in Austria. Each circle represents isolates with an allelic profile based on the cgMLST. Blue numbers show the allelic differences between two isolates. Clusters of closely related isolates are shaded in gray (Source: Lepuschitz, 2015)Abbildung 9. Die höhere Auflösung der Gesamtgenomsequenzierung: minimaler Spannbaum für LA-MRSA Isolate, alle mit klassischem MLST ST398, basierend auf dem S. aureus Kerngenom bestehen aus 1862 Allelen. Die verschiedenen Farben entsprechen den Bundesländern. Jeder Kreis entspricht Isolaten mit einem bestimmten Genprofil basierend am cgMLST. Blaue Zahlen auf den Linien geben die Anzahl der Unterschiede zwischen Isolaten an. Cluster, bestehend aus ähnlichen Isolaten, sind grau markiert (Quelle: Lepuschitz, 2015).

Detection of diverse toxin and virulence genes by PCR. VPI, vibrio pathogenic island; (+) target is present; (-) target is absent. The absence and presence of targets yield isolate-specific binary codes.Tabelle 1. Nachweis von Toxin- und Virulenzgenen mittels PCR. VPI, Vibrionen pathogenitätsinsel, (+) Target ist vorhanden, (-) Target fehlt. Die Anwesenheit und das Fehlen vonTargets ergibt Isolat spezifische Binärcodes.

Strain IDVPISerogroupCTXtoxRToxine genes
tcpItcpA (class.)tcpA *vpi RssrAvpi LVc-O139Vc-O1ctxAzotacesthlyA (class.)hlyA *ompU
CHT 18/01++-+++-+-+++---+
CHT 57/03++-+++-+-+++---+
CHT 17/01----------------
CHT 59/04+-++++-+-+++-+++
CHT 60/04+-+-++-+++++-+++
W 15/EU 158----+------+-++-
W 16/EU 156----+------+-+++
W 27/CHT 71-----------+-++-
CHT 14/00-------------+--
CHT 15/00-----------+--+-
CHT 16/01-----------+--+-
CHT 19/01-----------+--+-
CHT 20/01-----------+----
CHT 54/02----+------+-+++
CHT 55/02-------------+--
CHT 61/04----+------+-+++
CHT 62/04----------------
CHT 63/05----------------
CHT 64/05----+------+-++-
CHT 67/05----+------+-++-
CHT 68/05-------------+--
eISSN:
0006-5471
Language:
English
Publication timeframe:
4 times per year
Journal Subjects:
Life Sciences, Ecology, other
Journal RSS Feed