Эволюционный и молекулярно-генетический анализ пилей первого типа Escherichia coli тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.07, кандидат биологических наук Бесхлебная, Виктория Александровна

• Бесхлебная, Виктория Александровна
• кандидат биологических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат биологических наук Бесхлебная, Виктория Александровна

СОКРАЩЕННЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В РАБОТЕ 6 ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Уропатогенные Escherichia coli

1.1.1 Общая характеристика УПКП

1.1.2 Адгезины как факторы патогенности УПКП

1.2 Роль пилей первого типа в экологии микроорганизмов

1.2.1 Пили первого типа в историческом аспекте

1.2.2 Адгезии FimH как представитель класса лектинов

1.2.3 Роль пилей первого типа в адаптации микроорганизмов

1.3 Современные представления о пилях первого типа Е. coli

1.3.1 Морфология и структура пилей первого типа

1.3.2 Структурные компоненты пилей первого типа

1.3.3 Генетическая структура Jim кластера. Строение, функция отдельных генов в функционировании кластера

1.3.4 Регуляция экспрессии пилей первого типа

1.3.5 Биогенез фимбрии: секреция и процессинг субъединиц, сборка органеллы

1.4 Структурно-функциональные свойства пилей первого типа

1.4.1 История исследования рецепторной специфичности FimH

1.4.2 Современные представления о взаимодействии FimH с рецепторами

1.4.3 Взаимодействие FimH с гликопротеинами, не являющимися структурными белками клеточных мембран

1.4.4 Фенотипическая гетерогенность кишечных палочек по способности связываться с маннозосодержащими рецепторами

1.4.5 Три варианта адгезивного фенотипа FimH

1.4.6 Количественные разновидности в пределах М-фенотипа

1.4.7 Количественные различия, возникающие за счет вариабельной способности связываться с одиночными маннозильными остатками

1.5 Роль вариантов FimH в тканевом тропизме

1.5.1 Прочность фиксации на Ман-БСА коррелирует с результатами модельных опытов на уроэпителиальных клетках

1.5.2 Варианты FimH и количественные различия в связывании с ассиметричными участками мембран уроэпителия in situ

1.5.3 Варианты FimH отличаются по способности колонизировать мочевой пузырь мыши in vivo

1.5.4 Мутации FimH, повышающие уровирулентность, препятствуют адгезии к клеткам орофарингеального эпителия

1.6 Варианты FimH и эволюция вирулентности

1.6.1 Филогенетический анализ аллелей FimH •

1.6.2 Основы структурного и функционального разнообразия адгезинов. Патоадаптивные мутации.

1.6.3 Значение и перспективы дальнейшего изучения адгезина FimH пилей первого типа

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

2.1 Материалы

2.1.1 Штаммы микроорганизмов, плазмиды и конструкции гибридов

2.1.2 Среды, антибиотики и реактивы, используемые в работе

2.1.2.1 Среды

2.1.2.2 Антибиотики

2.1.2.3 Реактивы

2.1.3 Животные

2.1.4 Культуры клеток

2.2 Методы

2.2.1 Исследование агрегации дрожжей х

2.2.2 Исследование агглютинации эритроцитов

2.2.3 "Исследование роста" (Growth assay, ИР)

2.2.4 Обогащение культуры микроорганизмов

2.2.5 Радионуклеотидное исследование адгезии

2.2.6 Исследование адгезии в условиях непрерывного потока

2.2.7 Исследование адгезии к уроэпителиальным клеткам

2.2.8 Изучение процесса колонизации мочевого пузыря in vivo

2.2.9 Взаимодействие FimH антител и неимунной сыворотки со штаммами Е. coli, экспрессирующими FimH

2.2.10 Выделение плазмидной ДНК

2.2.11 Обработка ДНК

2.2.12 Классическая (кальциевая) трансформация клеток Е. coli ДНК

2.2.13 Электропорация 66 2.3 Математическая и статистическая обработка данных

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

3.1 Исследование факторов, влияющих на биогенез пилей первого типа

3.2 Влияние уровня экспрессии белков fim-оперона на формирование пилей первого типа 71 3.2.1 Выявление минимальной структурной единицы FimH, необходимой для биогенеза пилей первого типа

3.3 Пато-адаптивная эволюция FimH Е. coli у больного с хроническим циститом

3.3.1 Мутация в fimH, выявленная в популяции у пациента с острым циститом

3.3.2 Аргинин в позиции 66 как патоадаптивная мутация

3.3.3 Штамм с мутацией в позиции 66 быстро элиминируется из общей популяции.

3.3.4 Роль изменений функциональной активности FimH в элиминации штамма с аргинином в позиции 66 из общей популяции E.coli

3.3.5 Эффект мутации в 66 позиции на связывание Е. coli с 1М субстратами в условиях непрерывного потока

3.4 Внутриклональная эволюция Dr адгезинов Е. coli

3.4.1 Влияние факторов отбора на структурное разнообразие поверхностных антигенов

3.4.2 Внутриклональная эволюция в группе ST

3.4.3 Патоадаптивная эволюция DraE адгезинов 87 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 90 ВЫВОДЫ 92 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 93 ПРИЛОЖЕНИЕ

Сокращенные обозначения, используемые в работе

АЕМ, AUMs - асимметричные единицы мембран (уроэпителия) а. к. - аминокислота а-ммп - а-метил-О-маннопиранозид

БК - клетки буккального эпителия

ИМП - инфекция мочевыводящих путей

ИР - тест "исследование роста", Growth assay

ИИА — тест "инвертированное исследование адгезии "

КОЕ - колониеобразующая единица

КОЕ/лунка - кое на 1 лунку

ЛД — лектиновый домен

MLST, MJ1CT - multiple locus sequence typing

MH, MN, 1M - маннан, мономаннозный рецептор

МЧ — маннозочувствительная (адгезия) н. п. - нуклеотидных пар

ПД - пилиновый домен

ПДбГис - ПД с присоединенным отрезком из шести гистидинов п. о. - пар оснований

PFGE, ПФГЭ - pulsed-field gel electrophoresis ПЦР, PCR - полимеразная цепная реакция RNAseB, ЗМ - РНКазаБ, трехманнозный рецептор СГ - сигнальный пептид

ST, СТ, КГ - sequence type, клональная группа УП, UP - уроплакины

УПКП - уропатогенные кишечные палочки

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Эволюционный и молекулярно-генетический анализ пилей первого типа Escherichia coli»

Инфекция мочевыводящих путей (ИМП) - это одно из наиболее распространенных урологических заболеваний. На сегодняшний день кишечная палочка определена как один из основных этиологических факторов заболеваний мочевыводящего тракта. В 70-90% случаев Escherichia coli является причиной цистита, уретрита и пиелонефрита.

Колонизация слизистой хозяина патогенными микроорганизмами является обязательным этапом для возникновения и развития заболевания. Определяющим фактором успешной колонизации, первым этапом в возникновении инфекционного процесса считается прикрепление бактерий к эпителиальной поверхности, т.е. адгезия патогенных микроорганизмов к клеткам-мишеням.

Адгезия кишечной палочки осуществляется в первую очередь благодаря пилям первого типа, или фимбриям, несущим специфический белок, адгезии FimH, способный узнавать структуру маннозных рецепторов эпителиальной ткани и осуществлять с ними взаимодействие.

Способность адгезинов избирательно взаимодействовать с теми, или иными рецепторами, определяет тканевой тропизм патогенных вариантов кишечной палочки. Разные структурные варианты FimH демонстрируют сходный высокий уровень тропизма к триманнозным (ЗМ), но различный тропизм к мономаннозным (1М) рецепторам. Высокий уровень сродства к 1 М-рецепторам ассоциируется с уропатогенными штаммами Е. coli. Изменение адгезивного фенотипа связано с возникновением точечных мутаций в различных участках fimH, это так называемые патоадаптивные мутации. Было замечено, что в fimH имеются определенные нуклеотидные позиции, в которых вышеуказанные мутации происходят чаще, чем в других участках, подобный феномен был назван «горячие точки» (hot spot). Изучение эволюционной динамики Е. coli с высокоадгезивным 1М фенотипом, закономерностей их адаптации к той или иной экологической нише (кишечник или мочевой тракт) очень важно для понимания путей энтеробактериальной патогенной диссеминации, и поисков путей к ее предотвращению.

Для обеспечения адгезии к клеткам-мишеням пили должны быть функционально полноценными и представлены на поверхности бактерии в достаточном количестве. В данной работе изучалось влияние изменения уровня экспрессии различных генов /zw-кластера на способность бактерии формировать функционально полноценные фимбрии, а также проверялась гипотеза о возможной роли субъединиц FimH пилинового (ПД) и лектинового (ЛД) доменов в процессе биогенеза фимбрий.

Е. coli имеет и другие факторы адгезии, кроме фимбрий первого типа, способствующие колонизации бактерией мочевыводящего тракта. Среди них DraE фимбрии, взаимодействующие с DAF (decay-accelerating factor), присутствующим на поверхности ряда эпителиальных клеток [2], и коллагеном IV типа. В связи с этим представляется интересным проследить возможные па-тоадаптивные изменения, происходящие параллельно в двух различных адгезивных органеллах, способствующих развитию заболеваний мочевыводящего тракта [3,4].

Цели и задачи исследования

Целью настоящих исследований являлось изучение биогенеза пилей первого типа; изучение популяционной динамики Е. coli у пациентов с заболеваниями мочевого тракта в различных экологических нишах; изучение па-тоадаптивной эволюции Е. coli под влиянием направленного отбора, конверсии комменсальных штаммов кишечной палочки в потенциально патогенные путем набора точечных мутаций, меняющих адгезивный фенотип штаммов.

Для достижения вышеуказанных целей последовательно решались следующие задачи:

Определить влияние уровня экспрессии белков fim-оперона на формирование пилей первого типа;

Определить минимальную структурную единицу FimH, необходимую для биогенеза пилей первого типа;

Провести филогенетические исследования в выборке E.coli, изолированных от пациентов с инфекцией мочевыводящего тракта, а также генетический и функциональный анализ адгезина FimH;

На примере пациента ТОР17 проанализировать роль патоадаптивных мутаций в развитии инфекций мочевых путей;

В группе штаммов E.coli, миеющих Dr фимбрии и пили первого типа, проследить патоадаптивную эволюцию обоих адгезинов.

Научная новизна

Впервые изучено влияние уровня экспрессии отдельных компонентов /?га-оперона на количество функциональных пилей на поверхности бактерии, для чего были созданы конструкты, содержащие fimH или весь fim-оперон в различных экспрессионных системах. Было показано, что значительное увеличение количества функциональных пилей на поверхности клетки достигается только при увеличении экспрессии всех компонентов /?га-оперона; селективное увеличение продукции FimH не существенно влияло на экспрессию функциональных фимбрий.

Впервые проверялась гипотеза о роли лектинового домена (ЛД) в инициации сборки пилей. Было показано, что для биогенеза пилей не достаточно только ПД, являющегося связующим звеном между адгезином и собственно фимбрией, необходимы обе субъединицы FimH - ЛД и ПД.

Впервые был найден пример патоадаптивной эволюции адгезина FimH в пределах одного пациента и прослежена популяционная динамика E.coli на протяжении развития мочевой инфекции от острого цистита, асимптоматиче-ской бактериурии, к хроническому циститу, в различных экологических нишах (мочевой тракт и кишечник). Подтвердилась гипотеза о том, что патоа-даптивные мутации, дающие преимущество колонизации мутантному штамму относительно исходного варианта в новой экологической нише, в то же самое время способствуют элиминации мутантного штамма из первичного, естественного биоценоза. Было показано, что чем более выражен новый признак у мутанта, тем меньше у него возможность удержаться в организме хозяина.

Впервые была прослежена патоадаптивная эволюция, происходящая параллельно в двух адгезивных органеллах - пилях первого типа и DraE фимбриях.

Практическая значимость

Понимание механизмов патоадаптации бактерий к условиям новой экологической ниши помогает отличать потенциально патогенных Е. coli от комменсальных вариантов и дает ключ к созданию медицинстких препаратов, селективно направленных против патогенных штаммов бактерий.

Изучение популяционной динамики бактерий в различных экологических нишах в течение заболевания даст возможность выявить источник пото-генных бактерий, оценить вероятность их персистенции в очаге инфекции или повторного заражения, и прогнозировать переход заболевания в хроническую форму.

Известно, что механизм сборки фимбрий с участием шаперона и ушера, посредством которого осуществляется биогенез пилей первого типа Е. coli, используется большим количеством патогенных бактерий для формирования более тридцати видов различных адгезивных органелл [5]. Пили первого типа являются типовой моделью для изучения данного механизма.

Положения, выносимые на защиту

1. Селективное увеличение продукции FimH не приводит к значимому увеличению уровня экспрессии функциональных пилей; для увеличения количества функциональных пилей на поверхности клетки необходим высокий уровень экспрессии всех генов/?га-оперона.

2. ЛД необходим для инициации биогенеза пилей.

3. Штаммы E.coli с высоко адгезивным 1М фенотипом могут селектироваться в ходе колонизации одного пациента и быстро элиминироваться из циркуляции, что определяется особенностями взаимодействия FimH с рецепторами в условиях потока жидкости.

4. Большинство штаммов, имеющих DraE фимбрии, принадлежат к одной клональной группе, внутри которой наблюдается очень быстрая патоадап-тация адгезина.

Заключение диссертации по теме «Микробиология», Бесхлебная, Виктория Александровна

ВЫВОДЫ

1. Уровень экспрессии функциональных пилей не зависит от селективного увеличения уровня продукции FimH, а определяется уровнем экспрессии всех генов/гт-оперона.

2. При биогенезе пилей первого типа ЛД необходим для инициации сборки пилей.

3. Популяционная стабильность штамма обратно пропорциональна выраженности функционального эффекта мутации, которую имеет данный штамм.

4. Большинство штаммов, имеющих DrE адгезины, принадлежат к одной клональной группе, внутри которой наблюдается быстрая патоадаптация штаммов через набор точечных мутаций, изменяющих адгезивный фенотип штамма.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Обсуждая полученные результаты, можно заключить, что мутации в генах, кодирующих адгезины Е. coli, и последующий направленный отбор определенных фенотипов по функциональной активности, занимают существенное место в патогенезе уроинфекции.

Вероятно, основным источником уроинфекции следует считать кишечную микрофлору, где из популяции Е. coli вычленяются варианты, способные колонизировать новую экологическую нишу — урогенитальный тракт. Уропатогенные кишечные палочки (УПКП) отличаются от остальных Е. coli наличием ряда факторов патогенности, среди которых адгезины играют первостепенную роль. Пили первого типа большинства УПКП отличаются от таковых у коммепсальных Е. coli способностью активно взаимодействовать с 1М рецепторами, которые широко представлены на поверхности эпителия мочевого пузыря в составе гликопротеина уроплакина 1а. Высокая степень сродства FimH УПКП к 1М определяется особенностями в структуре белковой молекулы FimH в связи с появлением точечных мутаций, получивших название патоадаптивпых. В нашей работе мы показываем, что популяционная стабильность штамма обратно пропорциональна выраженности функционального эффекта мутации, которую имеет данный штамм. Штаммы с наиболее высоким сродством к 1М имеют преимущество при колонизации мочевого пузыря в период острой инфекции, и в то же время, в долгосрочной перспективе, они не способны закрепиться ни в первичной (кишечной) нише, ни в мочевой системе. Это может быть следствием (i) повышенной чувствительности к ингибированию связывания растворенной маннозой, в изобилии имеющейся в ротовой полости и в кишечнике; (ii) недостаточной способностью удерживаться на поверхности эпителия в условиях потока жидкости; (iii) отсутствием способности к перекатыванию по поверхности эпителия, играющей важную роль для формирования бактериальной биопленки. Штаммы Е. coli с умеренно повышенным сродством к 1М циркулируют в природе в течение долгого времени, достаточного для накопления определенного количества генетических различий, и часто ассоциируются с хронической инфекцией. Однако, из результатов данной работы в том числе, видно, что, не смотря на корреляцию ИМП со штаммами Е. coli с повышенным сродством к 1М, ИМП может быть вызвана Е. coli с HimH, фенотипически идентичным таковому у комменсальных кишечных изолятов.

В свете имеющихся на сегодняшний день данных, ИМП представляется многофакторным процессом, возникновение и развитие которого зависит как от особенностей возбудителя, так и от состояния организма хозяина. И все же нельзя исключить возможности формирования вариантов Е. coli, обладающих высокой адаптацией к существованию в мочевых путях. Если допустить, что в результате патоадаптации возникнут подобные штаммы, то их можно рассматривать, как «профессиональные» патогены, а вызванную ими инфекцию, как экзогенную. Решение этого вопроса требует углубленных эпидемиологических исследований.

Список литературы диссертационного исследования кандидат биологических наук Бесхлебная, Виктория Александровна, 2007 год

1. Sokurenko, E.V., et al., Pathogenic adaptation of Escherichia coli by natural variation of the FimH adhesin. Proc Natl Acad Sci USA, 1998. 95(15): p. 8922-6.

2. Medof, M.E., et al., Identification of the complement decay-accelerating factor (DAF) on epithelium and glandular cells and in body fluids. J Exp Med, 1987. 165(3): p. 848-64.

3. Connell, 1., et al., Type 1 fimbrial expression enhances Escherichia coli virulence for the urinary tract. Proc Natl Acad Sci USA, 1996. 93(18): p. 982732.

4. Servin, A.L., Pathogenesis of Afa/Dr diffusely adhering Escherichia coli. Clin Microbiol Rev, 2005. 18(2): p. 264-92.

5. Soto, G.E. and S.J. Hultgren, Bacterial adhesins: common themes and variations in architecture and assembly. J Bacteriol, 1999. 181(4): p. 1059-71.

6. Caugant, D.A., et al., Genetic diversity and relationships among strains of Escherichia coli in the intestine and those causing urinary tract infections. Prog Allergy, 1983. 33: p. 203-27.

7. Johnson, J.R., Virulence factors in Escherichia coli urinary tract infection. Clin Microbiol Rev, 1991. 4(1): p. 80-128.

8. Marrs, C.F., et al., Variations in 10 putative uropathogen virulence genes among urinary, faecal and peri-urethral Escherichia coli. J Med Microbiol, 2002. 51(2): p. 138-42.

9. Johnson, J.R., et al., Clonal relationships and extended virulence genotypes among Escherichia coli isolates from women with a first or recurrent episode of cystitis. J Infect Dis, 2001. 183(10): p. 1508-17.

10. Johnson, J.R. and T.A. Russo, Extraintestinal pathogenic Escherichia coli: "the other badE coli". J Lab Clin Med, 2002. 139(3): p. 155-62.

11. Berglund, J. and S.D. Knight, Structural basis for bacterial adhesion in the urinary tract. Adv Exp Med Biol, 2003. 535: p. 33-52.

12. Schilling, J.D., et al., Bacterial invasion augments epithelial cytokine responses to Escherichia coli through a lipopolysaccharide-dependent mechanism. J Immunol, 2001. 166(2): p. 1148-55.

13. Mulvey, M.A., Adhesion and entry of uropathogenic Escherichia coli. Cell Microbiol, 2002. 4(5): p. 257-71.

14. Xia, Y., et al., Regulatory cross-talk between adhesin operons in Escherichia coli: inhibition of type 1 fimbriae expression by the PapB protein. EMBO J, 2000. 19(7): p. 1450-7.

15. Zhou, G., et al., Uroplakin la is the urothelial receptor for uropathogenic Escherichia coli: evidence from in vitro FimH binding. J Cell Sci, 2001. 114(Pt 22): p. 4095-103.

16. Dodson, K.W., et al., Structural basis of the interaction of the pyelo-nephritic E. coli adhesin to its human kidney receptor. Cell, 2001. 105(6): p. 73343.

17. Leffler, H. and C. Svanborg-Eden, Chemical identification of a gly-cosfingolipid receptor for Escherichia coli attaching to human urinary tract epithelial cells and agglutinating human erythrocytes. FEMS Microbiol Lett, 1980. 8: p. 127-132.

18. Justice, S.S., et al., Differentiation and developmental pathways of uropathogenic Escherichia coli in urinary tract pathogenesis. Proc Natl Acad Sci U S A, 2004. 101(5): p. 1333-8.

19. Mulvey, M.A., et al., Induction and evasion of host defenses by type 1-piliated uropathogenic Escherichia coli. Science, 1998. 282(5393): p. 1494-7.

20. Pratt, L.A. and R. Kolter, Genetic analysis of Escherichia coli biofilm formation: roles of flagella, motility, chemotaxis and type I pili. Mol Microbiol, 1998. 30(2): p. 285-93.

21. Orndorff, P.E., et al., Immunoglobulin-mediated agglutination of and biofilm formation by Escherichia coli K-12 require the type 1 pilus fiber. Infect Immun, 2004. 72(4): p. 1929-38.

22. Nowicki, В., R. Selvarangan, and S. Nowicki, Family of Escherichia coli Dr adhesins: decay-accelerating factor receptor recognition and invasiveness. J Infect Dis, 2001. 183 Suppl 1: p. S24-7.

23. Selvarangan, R., et al., Interaction of Dr adhesin with collagen type IV is a critical step in Escherichia coli renal persistence. Infect Immun, 2004. 72(8): p. 4827-35.

24. Guyot, G., Uber die bakterielle haemagglutination. Zbl. Bakt. Abt. I. Orig., 1908.47: p. 640-653.

25. Rosenthal, L., Agglutinating properties of Escherichia coli. Agglutination of erythrocytes, leucocytes, thrombochtes, speermatozoa, spores of molds, and pollen by strains ofE. coli. J Bacteriol, 1943. 45: p. 545-550.

26. Howink, A.L., and van Iterson, W, Electron microscopical observations on bacterial cytology. II. A study on flagellation. Biochim. Biophys. Acta, 1950. 5: p. 10-44.

27. Collier, W.A., and de Miranda, J.C., Bacterien- haemagglutination. III. Die hemmung der Coli-haemagglutination durch mannose. Antonie van Leeu-wenhoek, 1955. 21: p. 133-140.

28. Brinton С. C., J., The structure, function, synthesis and genetic control of bacterial pili and a molecular model for DNA and RNA transport in gram negative bacteria. Trans N Y Acad Sci, 1965. 27(8): p. 1003-54.

29. Brinton С. C., J., Non-flagellar appendages of bacteria. Nature, 1959. 183: p. 782-786.

30. Duguid J.P., S.I.W., Dempster G., Edunds P. N., Non-flagellar filamentous appendages ("fimbriae") and haemagglutinating activity in Bacterium coli. J. Pathol. Bact., 1955. 70: p. 335-348.

31. Duguid, J.P., and Old, D.C., Introduction: A historical persperctive, in Fimbriae: Adhesion, Genetics, Biogenesis, and Vaccines, P. Klemm, Editor. 1994, CRC Press: Boca Raton, FL. p. 1-7.

32. Costerton, J.W., et al., Microbial biofdms. Annu Rev Microbiol, 1995. 49: p. 711-45.33. de Graaf F. K., M.F.R., The fimbrial adhesins of Escherichia coli. Adv. Microb. Physiol., 1986. 28: p. 65-143.

33. Jann K., J.B., Bacterial Adhesins. 1990, Berlin: Springer- Verlag.

34. Klemm, Fimbriae. Adhesion, Genetics, and Vaccines. 1994, Boca Raton, FL: CRC Press, Inc.

35. Ofek, I. and R.J. Doyle, Bacterial adhesion to Cells and Tissues. 1994, London: Chapman and Hall.

36. Lund, В., et al., The PapG protein is the a-D-galactopyranosyl-( 1-4)-B-D-galactopyranose-binding adhesin of uropathogenic Escherichia coli. Proc Natl Acad Sci USA, 1987. 84: p. 5898-5892.

37. Moch, Т., et al., Isolation and characterization of the a-sialyl-B-2,3-galactosyi-spesific adhesin from fimbriated Escherichia coli. Proc Natl Acad Sci U S A, 1987. 84(3462-3465).

38. Tarkkanen, A.-M., et al., Type V collagen as the target for type 3 fimbrial gene products. Infect Immun, 1992. 60: p. 1577-1581.

39. Sharon, N. and H. Lis, Lectins as cell recognition molecules. Science, 1989. 246(4927): p. 227-34.

40. Abraham, S.N., et al., Conservation of the D-mannose-adhesion protein among type 1 fimbriated members of the family Enterobacteriaceae. Nature, 1988.336(6200): p. 682-4.

41. Hanson, M.S. and C.C. Brinton, Jr., Identification and characterization of E. coli type-1 pilus tip adhesion protein. Nature, 1988. 332(6161): p. 265-8.

42. McCormick, B.A., et al., Type I pili are not necessary for colonization of the streptomycin- treated mouse large intestine by type 1-piliated Escherichia coli F-l 8 and E. coli K-12. Infect Immun, 1989. 57(10): p. 3022-9.

43. McCormick, В.A., et al., Escherichia coli F-18 phase locked 'on' for expression of type 1 fimbriae is a poor colonizer of the streptomycin-treated mouse large intestine. Microb Pathog, 1993. 14(1): p. 33-43.

44. Krogfelt, K.A., et al., Expression of Escherichia coli F-18 type 1 fimbriae in the streptomycin-treated mouse large intestine. Infect Immun, 1991. 59(4): p. 1567-8.

45. Bloch, C.A., B.A. Stocker, and P.E. Orndorff, A key role for type 1 pi-li in enterobacterial communicability. Mol Microbiol, 1992. 6(6): p. 697-701.

46. Guerina, N.G., et al., The role of pili and capsule in the pathogenesis of neonatal infection with Escherichia coli Kl. J Infect Dis, 1983. 148(3): p. 395405.

47. Langermann, S., et al., Prevention of mucosal Escherichia coli infection by FimH-adhesin-based systemic vaccination. Science, 1997. 276(5312): p. 607-11.

48. Sokurenko, E.V., et al., Diversity of the Escherichia coli type 1 fim-brial lectin. Differential binding to mannosides and uroepithelial cells. J Biol Chem, 1997. 272(28): p. 17880-6.

49. Sokurenko, E.V., et al., Functional heterogeneity of type 1 fimbriae of Escherichia coli. Infect Immun, 1992. 60(11): p. 4709-19.

50. Sokurenko, E.V., et al., Quantitative differences in adhesiveness of type 1 fimbriated Escherichia coli due to structural differences in fimH genes. J Bacteriol, 1995. 177(13): p. 3680-6.

51. Sokurenko, E.V., et al., FimH family of type 1 fimbrial adhesins: functional heterogeneity due to minor sequence variations among fimH genes. J Bacteriol, 1994. 176(3): p. 748-55.

52. Mitsui, Y., F.P. Dyer, and R. Langridge, X-ray diffraction studies of bacterial pili. J Mol Biol, 1973. 79(1): p. 57-64.

53. Bullitt, E. and L. Makowski, Structural polymorphism of bacterial adhesion pili. Nature, 1995. 373(6510): p. 164-7.

54. Klemm, P. and K.A. Krogfelt, Type 1 fimbriae of Escherichia coli, in Fimbriae: Adhesion, Genetics, Biogenesis, and Vaccines, P. Klemm, Editor. 1994, CRC Press: Boca Raton, FL. p. 9-26.

55. Hanson, M.S., J. Hempel, and C.C. Brinton, Jr., Purification of the Escherichia coli type 1 pilin and minor pilus proteins and partial characterization of the adhesin protein. J Bacteriol, 1988. 170(8): p. 3350-8.

56. Klemm, P., The fimA gene encoding the type-1 fimbrial subunit of Escherichia coli. Nucleotide sequence and primary structure of the protein. Eur J Biochem, 1984. 143(2): p. 395-9.

57. Eshdat, Y., F.J. Silverblatt, and N. Sharon, Dissociation and reassembly of Escherichia coli type 1 pill J Bacteriol, 1981. 148(1): p. 308-14.

58. Krogfelt, K.A. and P. Klemm, Investigation of minor components of Escherichia coli type 1 fimbriae: protein chemical and immunological aspects. Mi-crob Pathog, 1988. 4(3): p. 231-8.

59. Klemm, P. and G. Christiansen, Three fim genes required for the regulation of length and mediation of adhesion of Escherichia coli type 1 fimbriae. Mol Gen Genet, 1987. 208(3): p. 439-45.

60. Krogfelt, K.A., H. Bergmans, and P. Klemm, Direct evidence that the FimH protein is the mannose specific adhesin of Escherichia coli type 1 fimbriae. Infect Immun, 1990. 58: p. 1995-2000.

61. Valenski, M.L., et al., The Product of the fiml gene is necessary for Escherichia coli type 1 pilus biosynthesis. J Bacteriol, 2003. 185(16): p. 5007-11.

62. Klemm, P., Two regulatory fim genes, fimB and fimE, control the phase variation of type 1 fimbriae in Escherichia coli. Embo J, 1986. 5(6): p. 138993.

63. Dorman, C.J. and C.F. Higgins, Fimbrial phase variation in Escherichia coli: dependence on integration host factor and homologies with other site-specific recombinases. J Bacteriol, 1987. 169(8): p. 3840-3.

64. Abraham, S.N., et al., Identification of two ancillary subunits of Escherichia coli type 1 fimbriae by using antibodies against synthetic oligopeptides of fim gene products. J Bacteriol, 1987. 169(12): p. 5530-6.

65. Orndorff, P.E. and S. Falkow, Identification and characterization of a gene product that regulates type 1 piliation in Escherichia coli. J Bacteriol, 1984. 160(1): p. 61-6.

66. Orndorff, P.E. and S. Falkow, Organization and expression of genes responsible for type 1 piliation in Escherichia coli. J Bacteriol, 1984. 159(2): p. 736-44.

67. Klemm, P., et al., The fim genes responsible for synthesis of type 1 fimbriae in Escherichia coli, cloning and genetic organization. Mol Gen Genet, 1985. 199(3): p. 410-4.

68. Krallmann-Wenzel, U., et al., Chromosomal mapping of genes encoding mannose-sensitive (type I) and mannose-resistant F8 (P) fimbriae of Escherichia coli 018:K5:H5. FEMS Microbiol Lett, 1989. 49(2-3): p. 315-21.

69. Blattner, F.R., et al., The complete genome sequence of Escherichia coli K-12. Science, 1997. 277(5331): p. 1453-74.

70. Maurer, L. and P.E. Orndorff, A new locus, pilE, required for the binding of type 1 piliated Escherichia coli to erythrocytes. FEMS Microbiol Lett, 1985. 30: p. 59-66.

71. Minion, F.C., et al., The genetic determinant of adhesive function in type 1 fimbriae of Escherichia coli is distinct from the gene encoding the fimbrial subunit. J Bacteriol, 1986. 165(3): p. 1033-6.

72. Maurer, L. and P.E. Orndorff, Identification and characterization of genes determining receptor binding and pilus length of Escherichia coli type 1 pili. J Bacteriol, 1987. 169(2): p. 640-5.

73. Ofek, I. and N. Sharon, Lectinophagocytosis: a molecular mechanism of recognition between cell surface sugars and lectins in the phagocytosis of bacteria. Infect Immun, 1988. 56(3): p. 539-47.

74. May, A.K., et al., Enhanced virulence of Escherichia coli bearing a site-targeted mutation in the major structural subunit of type 1 fimbriae. Infect Immun, 1993. 61(5): p. 1667-73.

75. Abraham, S.N., et al., Protection against Escherichia coli-induced urinary tract infections with hybridoma antibodies directed against type 1 fimbriae or complementary D-mannose receptors. Infect Immun, 1985. 48(3): p. 625-8.

76. McClain, M.S., I.C. Blomfield, and B.I. Eisenstein, Roles of fimB and fimE in site-specific DNA inversion associated with phase variation of type 1 fimbriae in Escherichia coli. J Bacteriol, 1991. 173(17): p. 5308-14.

77. Gaily, D.L., J. Leathart, and I.C. Blomfield, Interaction of FimB and FimE with the fim switch that controls the phase variation of type 1 fimbriae in Escherichia coli K-12. Mol Microbiol, 1996. 21(4): p. 725-38.

78. Eisenstein, B.I., et al., Integration host factor is required for the DNA inversion that controls phase variation in Escherichia coli. Proc Natl Acad Sci U S A, 1987. 84(18): p. 6506-10.

79. Blomfield, I.C., M.S. McClain, and B.I. Eisenstein, Type 1 fimbriae mutants of Escherichia coli К12: characterization of recognized afimbriate strains and construction of new fim deletion mutants. Mol Microbiol, 1991. 5(6): p. 143945.

80. Blomfield, I.C., et al., Lrp stimulates phase variation of type 1 fimbri-ation in Escherichia coli K-12. J Bacteriol, 1993. 175(1): p. 27-36.

81. Gaily, D.L., T.J. Rucker, and I.C. Blomfield, The leucine-responsive regulatory protein binds to the fim switch to control phase variation of type 1 fim-brial expression in Escherichia coli K-12. J Bacteriol, 1994. 176(18): p. 5665-72.

82. Kawula, Т.Н. and P.E. Orndorff, Rapid site-specific DNA inversion in Escherichia coli mutants lacking the histonelike protein H-NS. J Bacteriol, 1991. 173(13): p. 4116-23.

83. Olsen, P.B. and P. Klemm, Localization of promoters in the fim gene cluster and the effect of H- NS on the transcription of fimB and fimE. FEMS Microbiol Lett, 1994. 116(1): p. 95-100.

84. Leathart, J.B. and D.L. Gaily, Regulation of type 1 fimbrial expression in uropathogenic Escherichia coli: heterogeneity of expression through sequence changes in the fim switch region. Mol Microbiol, 1998. 28(2): p. 371-81.

85. Hacker, J., et al., Pathogenicity islands of virulent bacteria: structure, function and impact on microbial evolution. Mol Microbiol, 1997. 23(6): p. 108997.

86. Newman, J.V., et al., Stimulation of Escherichia coli F-I8C0I- type-1 fimbriae synthesis by leuX. FEMS Microbiol Lett, 1994. 122(3): p. 281-7.

87. Ritter, A., et al., The Pai-associated leuX specific tRNA5(Leu) affects type 1 fimbriation in pathogenic Escherichia coli by control of FimB recombinase expression. Mol Microbiol, 1997. 25(5): p. 871-82.

88. Schwan, W.R., et al., Osmolarity and pH growth conditions regulate fim gene transcription and type 1 pilus expression in uropathogenic Escherichia coli. Infect Immun, 2002. 70(3): p. 1391-402.

89. Lowe, M.A., S.C. Holt, and B.I. Eisenstein, Immunoelectron microscopic analysis of elongation of type 1 fimbriae in Escherichia coli. J Bacteriol, 1987. 169(1): p. 157-63.

90. Jacob-Dubuisson, F., et al., Initiation of assembly and association of the structural elements of a bacterial pilus depend on two specialized tip proteins. Embo J, 1993. 12(3): p. 837-47.

91. Jones, C.H., et al., FimH adhesin of type 1 pili is assembled into a fibrillar tip structure in the Enterobacteriaceae. Proc Natl Acad Sci USA, 1995. 92(6): p. 2081-5.

92. Jones, C.H., et al., The chaperone-assisted membrane release and folding pathway is sensed by two signal transduction systems. EMBO J, 1997. 16(21): p. 6394-406.

93. Lindberg, F., et al., PapD, a periplasmic transport protein in P-pilus biogenesis. J Bacteriol, 1989. 171(11): p. 6052-8.

94. Choudhury, D., et al., X-ray structure of the FimC-FimH chaperone-adhesin complex from uropathogenic Escherichia coli. Science, 1999. 285(5430): p. 1061-6.

95. Sauer, F.G., et al., Structural basis of chaperone function and pilus biogenesis. Science, 1999. 285(5430): p. 1058-61.

96. Saulino, E.T., et al., Ramifications of kinetic partitioning on usher-mediated pilus biogenesis. EMBO J, 1998.17(8): p. 2177-85.

97. Saulino, E.T., E. Bullitt, and S.J. Hultgren, Snapshots of usher-mediated protein secretion and ordered pilus assembly. Proc Natl Acad Sci USA, 2000. 97(16): p. 9240-5.

98. Ofek, I., D. Mirelman, and N. Sharon, Adherence of Escherichia coli to human mucosal cells mediated by mannose receptors. Nature, 1977. 265(5595): p. 623-5.

99. Ofek, I. and E.H. Beachey, Mannose binding and epithelial cell adherence of Escherichia coli. Infect Immun, 1978. 22(1): p. 247-54.

100. Firon, N., et al., Aromatic alpha-glycosides of mannose are powerful inhibitors of the adherence of type 1 fimbriated Escherichia coli to yeast and intestinal epithelial cells. Infect Immun, 1987. 55(2): p. 472-6.

101. Firon, N., I. Ofek, and N. Sharon, Carbohydrate specificity of the surface lectins of Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, and Salmonella typhimu-rium. Carbohydr Res, 1983. 120: p. 235-49.

102. Firon, N., I. Ofek, and N. Sharon, Carbohydrate-binding sites of the mannose-specific fimbrial lectins of enterobacteria. Infect Immun, 1984. 43(3): p. 1088-90.

103. Ofek, I. and N. Sharon, Mannose specific bacterial surface lectins, in Microbial Lectins and Agglutinins. Properties and Biological Activity, D. Mirel-man, Editor. 1986, John Wiley & Sons: New York. p. 55-81.

104. Neeser, J.R., B. Koellreutter, and P. Wuersch, Oligomannoside-type glycopeptides inhibiting adhesion of Escherichia coli strains mediated by type 1 pili: preparation of potent inhibitors from plant glycoproteins. Infect Immun, 1986. 52(2): p. 428-36.

105. Schaeffer, A.J., S.K. Amundsen, and L.N. Schmidt, Adherence of Escherichia coli to human mucosal cells mediated by mannose receptors. Nature, 1979. 265: p. 623-629.

106. Fujita, K., et al., In vitro adherence of type 1-fimbriated uropathogenic E. coli to human ureteral mucosa. Infect Immun, 1989. 57: p. 2574-2578.

107. Bouckaert, J., et al., Receptor binding studies disclose a novel class of high-affinity inhibitors of the Escherichia coli FimH adhesin. Mol Microbiol, 2005. 55(2): p. 441-55.

108. Hung, C.S., et al., Structural basis of tropism of Escherichia coli to the bladder during urinary tract infection. Mol Microbiol, 2002. 44(4): p. 903-15.

109. Sperling, O., A. Fuchs, and Т.К. Lindhorst, Evaluation of the carbohydrate recognition domain of the bacterial adhesin FimH: Design, synthesis and binding properties of mannoside ligands. Org Biomol Chem, 2006. 4(21): p. 391322.

110. Xie, В., et al., Distinct glycan structures of uroplakins la and lb: structural basis for the selective binding of FimH adhesin to uroplakin la. J Biol Chem, 2006. 281(21): p. 14644-53.

111. Wu, X.R., T.T. Sun, and J.J. Medina, In vitro binding of type 1-fimbriated Escherichia coli to uroplakins la and lb: relation to urinary tract infections. Proc Natl Acad Sci USA, 1996. 93(18): p. 9630-5.

112. Fontan, E., et al., Purification of a 92 kDa human immunostimulating glycoprotein obtained from the Tamm-Horsfall glycoprotein. J Immunol Methods, 1995. 187(1): p. 81-4.

113. Dulawa, J., et al., Tamm Horsfall glycoprotein interferes with bacterial adherence to human kidney cells. Eur J Clin Invest, 1988. 18(1): p. 87-91.

114. Hasty, D.L., et al., Interaction between fibronectin and bacteria, in Fibronectin in health and desease, S. Carsons, Editor. 1990, CRC press: Boca Raton, FL. p. 89-110.

115. Fu, D., L. Chen, and R.A. O'Neill, A detailed structural characterization of ribonuclease В oligosaccharides by 1H NMR spectroscopy and mass spectrometry. Carbohydr Res, 1994. 261(2): p. 173-86.

116. Wu, X.R., et al., Mammalian uroplakins. A group of highly conserved urothelial differentiation-related membrane proteins. J Biol Chem, 1994. 269(18): p. 13716-24.

117. Schembri, M.A., et al., Linker insertion analysis of the FimH adhesin of type 1 fimbriae in an Escherichia coli fimH-null background. FEMS Microbiol Lett, 1996. 137(2-3): p. 257-63.

118. Bloch, C.A. and P.E. Orndorff, Impaired colonization by and full invasiveness of Escherichia coli K1 bearing a site-directed mutation in the type 1 pi-lin gene. Infect Immun, 1990. 58(1): p. 275-8.

119. Hedrick, P.W., Genetic polymorphism in heterogeheous environments a decade later. Annu. Rev. Ecol. Syst., 1986. 17: p. 535-566.

120. Boyd, E.F. and D.L. Hartl, Diversifying selection governs sequence polymorphism in the major adhesin proteins fimA, papA, and sfaA of Escherichia coli. J Mol Evol, 1998. 47(3): p. 258-67.

121. Zhu, P., et al., Fit genotypes and escape variants of subgroup III Neisseria meningitidis during three pandemics of epidemic meningitis. Proc Natl Acad Sci USA, 2001. 98(9): p. 5234-9.

122. Peek, A.S., et al., The interaction of protein structure, selection, and recombination on the evolution of the type-1 fimbrial major subunit (fimA) from Escherichia coli. J Mol Evol, 2001. 52(2): p. 193-204.

123. Boyd, E.F. and M.K. Waldor, Evolutionary and functional analyses of variants of the toxin-coregulated pilus protein TcpA from toxigenic Vibrio chole-rae non-Ol/non-0139 serogroup isolates. Microbiology, 2002. 148(Pt 6): p. 165566.

124. Sokurenko, E.V., D.L. Ilasty, and D.E. Dykhuizen, Pathoadaptive mutations: gene loss and variation in bacterial pathogens. Trends Microbiol, 1999. 7(5): p. 191-5.

125. Covacci, A., et al., Did the inheritance of a pathogenicity island modify the virulence of Helicobacter pylori? Trends Microbiol, 1997. 5(5): p. 205-8.

126. Salyers, A.A. and D.D. Whitt, Bacterial pathogenesis. A molecular approach. 1994, Washington DC: ASM Press.

127. Kimura, M., The neutral theory of molecular evolution. 1983, Cambridge, United Kingdom: Cambridge University Press.

128. Thomas, W.E., et al., Bacterial adhesion to target cells enhanced by shear force. Cell, 2002. 109(7): p. 913-23.

129. Nilsson, L.M., et al., Elevated shear stress protects Escherichia coli cells adhering to surfaces via catch bonds from detachment by soluble inhibitors. Appl Environ Microbiol, 2006. 72(4): p. 3005-10.

130. Mobley, H.L., et al., Isogenic P-fimbrial deletion mutants of pyelo-nephritogenic Escherichia coli: the role of alpha Gal(l-4) beta Gal binding in virulence of a wild-type strain. Mol Microbiol, 1993. 10(1): p. 143-55.

131. Tenover, F.C., et al., Interpreting chromosomal DNA restriction patterns produced by pulsed-field gel electrophoresis: criteria for bacterial strain typing. J Clin Microbiol, 1995. 33(9): p. 2233-9.

132. Weissman, S.J., et al., Clonal analysis reveals high rate of structural mutations in fimbrial adhesins of extraintestinal pathogenic Escherichia coli. Mol Microbiol, 2006. 59(3): p. 975-88.

133. Wirth, Т., et al., Sex and virulence in Escherichia coli: an evolutionary perspective. Mol Microbiol, 2006. 60(5): p. 1136-51.

134. Barnhart, M.M., et al., Chaperone-subunit-usher interactions required for donor strand exchange during bacterial pilus assembly. J Bacteriol, 2003. 185(9): p. 2723-30.