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UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS ESCOLA VETERINÁRIA E ZOOTECNIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA ANIMAL Disciplina: SEMINÁRIOS APLICADOS CARACTERÍSTICAS BIOLÓGICAS E ANTIGÊNICAS DE Escherichia coli COM ÊNFASE AOS GENES DE VIRULÊNCIA Ana Maria de Souza Almeida Orientadora: Maria Auxiliadora Andrade GOIÂNIA 2013

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS ESCOLA VETERINÁRIA E ZOOTECNIA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA ANIMAL

Disciplina: SEMINÁRIOS APLICADOS

CARACTERÍSTICAS BIOLÓGICAS E ANTIGÊNICAS DE Escherichia coli COM ÊNFASE AOS GENES DE VIRULÊNCIA

Ana Maria de Souza Almeida Orientadora: Maria Auxiliadora Andrade

GOIÂNIA

2013

ii

ANA MARIA DE SOUZA ALMEIDA

CARACTERÍSTICAS BIOLÓGICAS E ANTIGÊNICAS DE Escherichia coli COM ÊNFASE AOS GENES DE VIRULÊNCIA

Seminário apresentado junto à Disciplina de Seminários Aplicados do Programa de Pós-Graduação em Ciência Animal da Escola de Veterinária e Zootecnia da Universidade Federal de Goiás Nível: Mestrado

Área de Concentração: Sanidade Animal Higiene e Tecnologia de Alimentos

Linha de Pesquisa:

Etiopatogenia, epidemiologia, diagnóstico e controle das doenças infecciosas e parasitárias dos animais.

Orientadora:

Maria Auxiliadora Andrade

Comitê de orientação: Valéria de Sá Jayme

Guido Fontgalland Coelho Linhares

GOIÂNIA

2013

iii

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO .................................................................................................... 1

2 REVISÃO DE LITERATURA ............................................................................... 3

2.1 Escherichia coli ................................................................................................ 3

2.2 Patotipos .......................................................................................................... 3

2.3 Estruturas antigênicas ...................................................................................... 6

2.4 Patogênese ...................................................................................................... 7

2.5 Ilhas de patogenicidade.................................................................................. 10

2.6 Genes de virulência ........................................................................................ 11

2.6.1 Genes de aquisição de ferro ....................................................................... 11

2.6.2 Genes plasmidiais ....................................................................................... 12

2.6.3 Adesinas fimbriais ....................................................................................... 13

2.6.4 Adesinas afimbriais ..................................................................................... 15

2.7 Toxinas ........................................................................................................... 17

3. CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................. 20

REFERÊNCIAS .................................................................................................... 21

iv

LISTA DE ABREVIATURAS

A/E lesões de fixação e esfacelamento

Aerobactina sistema de aquisição de ferro

AmpC adenosina monofosfato

APEC Escherichia coli patogênica para aves

bfp feixe formador de pelos

CDT toxina de distinção citoletal

CNF fator citotóxico necrosante

CNF-1 citotoxina necrosante fator – 1

Crl gene de filamento curli

Csg gene de filamento curli regulada pela temperatura

eae intimina

EaggEC Escherichia coli enteroagregativa

EAST-1 toxinas termoestáveis enteroagregativas

EHEC Escherichia coli enterohemorrágica

EIEC Escherichia coli enteroinvasora

EPEC Escherichia coli enteropatogênica

ETEC Escherichia coli enterotoxigênica

Hly alfa hemolisina

IL interleucina

IP ilhas de patogenicidade

iss gene de alta sobrevivência ao soro

iuc hidroxamato sideróforo aerobactina

iut gene aerobactina de captação férrica

LEE Ilhas de patogenicidade locus para esfacelamento de

enterócitos

LPS lipopolissacarídeo

v

LT toxina termolábeis

MHC-1 complexo principal de histocompatibilidade classe 1

NMEC Escherichia coli de meningite neonatal

Pap fimbria P

REDEC Escherichia coli enteropatogênica para coelhos

Sab proteína autotransportadora para formação de biofilme.

Sfa Adesina S fimbria

ST toxina termo-estável

STEC Escherichia coli produtora de toxina Shiga

SSTT sistema de secreção tipo lll

STx Shiga-toxinas

Tir receptor de intimina

TNF-α fator de necrose tumoral

TraT gene estrutural para fator de sexo F de proteínas de

superfície de membrana externa

Tsh adesina regulada pela temperatura

UFC unidades formadoras de colônias

UPEC Escherichia coli uropatogênica

1 INTRODUÇÃO

Escherichia coli (E.coli) é um microrganismo comensal, presente no

intestino de mamíferos e aves (FERREIRA & KNÖBL, 2009), entretanto é

apontado como um dos agentes bacterianos mais frequentes em diarreias de

seres humanos e animais. Além de ter grande importância nas lesões

extraintestinais em aves.

Estudos recentes têm contribuido com descobertas a respeito de novas

estirpes, mutações, genes de virulência e sistemas de resistência indentificados

em diferentes bactérias. A alta capacidade adaptativa, mudanças fenotípicas e

genotípicas dos microrganismos tornam a pesquisa sobre o seu comportamento e

sua composição, essenciais para saúde pública e animal.

Colibacilose é uma das principais doenças de aves causadas por

E.coli. Apesar do grande conhecimento a respeito dessa doença, ela ainda

persiste entre as principais enfermidades endêmicas na avicultura mundial

(DZIVA & MARK, 2008). Isso ocorre devido a diversidade antigênica da E.coli,

que dificulta o controle e prevenção de todas enfermidades vinculadas a ela.

As manifestações de doenças por E.coli são associadas a diversos

fatores, destacando os genes de virulência codificados por plasmídeos,

bacteriófagos, ou ilhas de patogenicidade (IP) (GYLES & FAIRBROTHER, 2010).

Acredita-se que a maior parte dos sorogrupos de E.coli não

apresentem qualquer gene de virulência, porém, durante o processo evolutivo,

algumas cepas adquirem diferentes combinações de genes que lhes atribuem

capacidade de promover enfermidades (CHERNAKI-LEFFER et al., 2002).

Ressalta-se que as doenças vinculadas a esse patógeno trazem

grandes perdas econômicas como; queda na produção, custos com tratamento,

desvalorização dos animais, diminuição de índices reprodutivos, mortes e

reposição dos animais, além de sua relevante importância na saúde humana. Por

isso, a detecção e caracterização molecular de genes de virulência e de suas

combinações torna possível sua associação com a patogênese da doença e

possibilita o desenvolvimento de mecanismos eficazes no combate às infeções.

A elaboração de vacinas eficazes para a prevenção dessas doenças

vinculadas a E.coli é um dos principais objetivos das pesquisas atuais. Entretanto,

2

para eficácia dessas vacinas é necessário profundo conhecimento a respeito,

sobretudo, de seus genes de virulência.

O objetivo dessa revisão é descrever as principais características

biológicas e antigênicas da E.coli, com ênfase na patogênica para aves (APEC),

bem como seus principais genes de virulência e mecanismos ligados a resistência

no hospedeiro.

3

2 REVISÃO DE LITERATURA

2.1 Características da Escherichia coli

E.coli é uma bactéria Gram negativa da família Enterobacteriaceae,

não esporulada, anaeróbica facultativa, fermentativa, em sua maioria móveis

(flagelo peretríqueos) e pertence a microbiota entérica de mamíferos e aves.

Crescem em temperaturas de 18 a 44°C sendo 37°C é a temperatura ideal

(FERREIRA & KNÖBL, 2009).

Essa bactéria também é caracterizada por suas propriedades

bioquímicas; positiva para reação para indol, lisina, motilidade e reação de

vermelho metila; negativa para testes para urease e hidrogênio e utilização de

citrato. Além disso, algumas cepas podem produzir H2S (OLIVEIRA et al. 2004;

QUINN et al. 2005).

A produção de gás e ácido ocorre posteriormente à fermentação de

manitol, glicose, sorbitol, ramanose, maltose, manose, xilose, arabiose e glicerol.

A grande maioria das estirpes é capaz de fermentar lactose, embora algumas a

fermente tardiamente (ANDREATTI FILHO, 2007).

Em meios de nutrientes sólidos as unidades formadoras de colônias

(UFC) apresentam cerca de 1 a 3mm de diâmetro tanto com aspecto rugoso

quanto liso, no entanto podem existir colônias intermediárias e mucóides.

Colônias rugosas têm aspecto grosseiro e contornos irregulares, já as colônias

lisas são convexas, brilhantes e com bordos regulares (FERREIRA & KNÖBL,

2009).

Grande parte das E.coli são comensais, não apresentam qualquer

gene de virulência (CHERNAKI-LEFFER et al., 2002). Alguns estudos descrevem

que mesmo cepas de E.coli comensais podem conter um ou mais genes de

virulência com potencial de causar doenças em animais imunossuprimidos

(KARIYAWASAM et al., 2006).

2.2 Patotipos

Com base nos mecanismos de virulência específicos das cepas

patogênicas, E.coli pode ser classificada em patotipos. São eles;

enteropatogênica (EPEC), enterotoxigênica (ETEC), enteroinvasora (EIEC),

4

enterohemorrágica (EHEC), enteroagregativa (EaggEC), uropatogênica (UPEC),

de meningite neonatal (NMEC); enteropatogênica para coelhos (REDEC) e

patogênica para aves (APEC) (FERREIRA & KNÖBL, 2009).

E.coli produtora de toxina Shiga (STEC) é um dos patotipos mais

importantes para saúde pública. Embora sua maior característica seja a produção

da shiga toxina, ela é atribuída a algumas doenças veiculadas aos alimentos,

principalmente produtos cárneos, sendo capaz de colonizar o epitélio intestinal

(CADONA et al., 2013).

O patotipo APEC é considerado uma das principais causadores de

morbidade e mortalidade de frangos, além de contribuir com perdas econôminas

na indústria avícola (KNÖBL et al., 2004). Dentre os diversos quadros

anatomopatológicos atribuídos a esse patotipo, destacam-se; pericardites,

hepatites, endocardites (Figura 1), doenças respiratórias (LYNNE et al., 2012),

doenças reprodutivas e colibaciloses (ANDREATTI FILHO, 2007).

Atualmente, com novas pesquisas a respeito dos inúmeros genes de

virulência presentes na APEC, não se pode mais considera-lá como um patógeno

simplesmente oportunista, pois algumas cepas podem causar a doença em

animais sadios, como é o caso das estipes relacionadas á síndrome da cabeça

FIGURA 1a: Lesões de colisepticemia em galinhas não vacinadas causada por E.coli O78. (A) pericardite; (B) aerossaculite; (C) perihepatites. Presença de franjas amareladas (fibrina) nas serosas dos sacos aéreos, coração e fígado.

FIGURA 1b: Lesões histopatológicas em um frango não vacinado desafiado com APEC O78: (A) aerosaculite. Hiperplasia epitelial, congestão e infiltrado de heterófilos e linfócitos. (B) perihepatite. Material fibropurulento sobre a superfície hepática e infiltrado inflamatório de heterófilos e linfócitos. (C) Lesão hepática. Necrose de hepatócitos e infiltrado inflamatório linfocitário. (D) Lesões cardíacas. Infiltrado inflamatório de heterófilos e linfócitos no pericárdio e epicárdio.

Fonte: LYNNE et al. (2012).

5

inchada que são mais patogênicas e possuem características mais agressivas,

incluindo elevada letalidade, presença de ampla combinação de genes de

virulência e capacidade de se aderir aos diferentes tipos celulares (MATURANA et

al., 2011).

Além da diferenciação de patogenicidade e agressividade MATURANA

et al. (2011) distinguem as cepas de acordo com a doença causada por elas. Os

autores citam a existência de pelo menos dois subgrupos dentro do patotipo

APEC, classificados de acordo com seus genes de virulência e as doenças

desenvolvidas por elas. Uma delas é composta, principalmente, por estirpes que

determinam a síndrome da cabeça inchada e outra composta especialmente por

estirpes que causam onfalite. Os autores acrescentam ainda que a diversidade

existente entre estirpes que ocasionam diferentes doenças estão relacionadas ao

número de genes de virulência e suas caracteristicas fenotípicas como aderência

e letalidade. Estirpes que causam septicemia estão distribuídas entre essas duas

enfermidades. A aparente diversidade de estirpes que provocam septicemia pode

repletir na falta de identificação de um conjunto específico de genes de virulência

entre essas linhagens.

Cepas enteropatogênicas são comumente isoladas de aves com

diarreia e não isoladas de aves sadias. Porém, quando em ambiente adequado e

alimentação saudável, as aves podem albergar bactérias patogênicas sem

desenvolver a doença. Nesse caso, também podem ser isoladas de frangos

aparentemente hígidos cepas de EPEC e ETEC portadores de pili, gene que

auxilia na aderência da bactéria ao epitélio traqueal da ave, facilitando a

penetração e invasão da mucosa (KARIUKI et al., 2002).

Recentemente a preocupação com doenças ocasionadas por estirpes

de EHEC tem aumentado, pois surtos de diarreia hemorrágica estão sendo

relatados. Os bovinos são descritos como uma das principais fontes de infecção

de cepas de EHEC, que geralmente colonizam o terço final do intestino e são

excretadas pelas fezes, sem causar prejuizos ao animal (JORIS et al., 2013).

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2.3 Estruturas antigênicas

A estrutura da APEC é composta de seguimentos antigênicos que

permitem a diferenciação sorológica e identificação de antígenos somáticos O,

flagelares H, fimbrial F e capsular K (Figura 2).

O antígeno somático O corresponde ao lipopolissacarídeo (LPS),

elemento termo-resistente que se projeta da membrana externa para o ambiente

extracelular. O lipídeo A (endotoxina), componente do LPS, é liberado durante a

multiplicação ou após a morte da bactéria, atua na ativação de macrófagos e de

mediadores da inflamação (FERREIRA & KNÖBL, 2009). O comprimento da

cadeia lateral na unidade de repetição do antígeno somático O impedem a ligação

do complexo de ataque a membrana do sistema complemento (HIRSH, 2003).

A colibacilose possui vários sorogrupos associados a sua patogenia,

porém os mais frequentes são O1, O2 e O78 (DZIVA et al., 2008). Já os

sorogrupos O2 e S8 de APEC, foram os mais encontrados por SILVEIRA et al.

(2002) e o O6 por KNÖBL el al. (2012), que caracteriza influência na prevalência

de diferentes estirpes de acordo com a região estudada.

Os antígenos capsulares K são polissacarídeos capsulares

relacionados à resistência bacteriana perante o sistema complemento. A cápsula

é um dos componentes bacterianos de menor patogenicidade, sendo removida

quando submetida a temperatura de 100°C por uma hora (FERREIRA & KNÖBL,

2009).

Antígenos flagelares H são compostos proteicos não utilizados com

frequência na identificação antigênica das cepas de E.coli, nem a sua

patogenicidade tem sido relacionada à presença do flagelo (ANDREATTI FILHO,

2007; FERREIRA & KNÖBL, 2009).

Os antígenos fimbriais F, também chamados de adesinas, pili ou

fímbrias, são moléculas proteicas que recobrem a superfície bacteriana, capazes

de reconhecer receptores específicos na superfície de células eucarióticas. A

expressão de adesinas é considerada um gene de virulência fundamental para

aderência e colonização dos tecidos do hospedeiro. Elas também conferem

especificidade de aderência da bactéria em relação a determinados tecidos e

órgãos do hospedeiro. Embora essas adesinas apresentem poucas diferenças

7

morfológicas existem características antigênicas e hemaglutinantes distintas

(FERREIRA & KNÖBL, 2009).

2.4 Patogênese

O conceito de patogenicidade é a capacidade de um microrganismo

causar a enfermidade. Os microrganismos da mesma espécie se diferenciam uns

dos outros por possuírem ou expressarem genes de virulência que proporcionam

colonização e expressão de inúmeros mecanismos que dificultam o combate do

hospedeiro, ocasionando assim a doença (VIEIRA, 2009).

De acordo com o patotipo, com o sorogrupo e com a presença de

genes de virulência as estirpes de E.coli podem causar desde quadro leves de

diarréia até doenças septicemicas graves. Adesinas, sistema de captação de

FIGURA 2 – Ilustração da estrutura antigênica molecular de E.coli. A= estrutura molecular do flagelo em relação ao corpo bacteriano; B= estrutura do polissacarídeo e a sua relação com lipídeo A; C= estrutura do pili em relação ou fímbria que se projeta da membrana externa da bactéria. PS= polissacarídeo; LA= localização do lipídeo A ou endotoxina; PG= peptideoglicano ou citoesqueleto das bactérias Gram negativas; MC= membrana citoplasmática em oposição à membrana externa que ancora o flagelo, pili e LPS.

Fonte: FERREIRA & KNÖBL (2009), com adaptações.

8

ferro, invasinas, toxinas e os fatores, inibitórios do sistema imune do hospedeiro e

genes de resistência a antimicrobianos são os genes mais importantes de

virulência (VIEIRA, 2009).

A infecção por ETEC se dá pela via oral e a fixação no epitélio do

intestino delgado ocorre pela ação de adesinas fimbriais (Figura 3). Após a

aderência entre a bactéria e a célula hospedeira há produção de enterotoxinas

que estimulam a secreção de água e eletrólitos no lúmen intestinal, ocasionando

diarreia líquida, desidratação, acidose metabólica e morte. Grandes quantidades

de LPS podem ser liberadas, aumentando o número de fatores de necrose

tumoral (TNF-α), interleucina L-1 e L-6 que contribuam para um quadro de choque

(WHITT & SALYERS, 2002; HISRH, 2003).

O estabelecimento da infecção por EPEC se dá por fraca fixação de

adesinas bfp (feixe formador de pelos) no cão e AF/R1, AF/R2 e Ral em coelhos

(REDEC). Um sinal transmitido da bactéria para a célula hospedeira, ativa

intiminas bacterianas (gene eae), provocando alterações no citoesqueleto celular

hospedeiro e posterior desenvolvimento de lesões de fixação e esfacelamento

(A/E) das vilosidades. O patotipo EHEC além das lesões de A/E produz também

toxinas shiga-like, shiga toxina ou verotoxinas. Stx-1 e Stx-2, codificadas por

bacteriófagos, que lesionam e provocam perda da integridade das células

endoteliais, causando diarréia hemorrágica (HIRSH, 2003).

FIGURA 3 – Ataque de ETEC as células epiteliais do íleo de um leitão desmamado, mostrando íntima aderência bacteriana (A) e o efeito nas células epiteliais. Barra = 1 μm.

Fonte: GYLES & FAIRBROTHER (2010), com adaptações.

9

A adesão ao trato respiratório pela APEC, também é mediado por

fimbrias, com destaque para fimbria tipo 1 (Figura 4), fimbria P (pap) e curli. A

adesina regulada pela temperatura (tsh) esta relacionada aos estágios iniciais da

infecção. O antígenos K e o gene de alta sobrevivência no soro (iss) tornam estas

estirpes mais resistentes ao efeito bactericina do soro, e o sistema de aquisição

de ferro (aerobactina) possibilitam a permanência e infecção do hospedeiro

(HIRSH, 2003; GYLES & FAIRBROTHER, 2010), ocasionando lesões sistêmicas

como; infecções respiratórias (aerossaculites), hepatites, perihepatites e

endocardites (LYNNE et al., 2012).

SZEMLAKO et al. (2013) afirmam que a ocorrência da combinação

fímbria P e genes que codificam alfa-hemolisina (hly) são mais frequentes entre

as E.coli que causam septicemias.

O início da colonização da UPEC ocorre na região periuretral e em

seguida move-se para uretra. A colonização da bexiga é mediada pelo pili tipo1 e

fimbria P. A presença de sideróforos e hemolisinas permitem a captação de ferro

e o antígeno K confere resistência à fagocitose, estimulando a produção de

citotoxina necrosante fator – 1 (CNF-1) e as alfa-hemolisinas lesionam as células

FIGURA 4 – Eletromicrografia de uma amostra de E.coli de origem aviária. Nota-se na superfície bacteriana a projeção de estruturas finas e longas denominadas de pili ou fímbrias, sendo caracterizado como pili Tipo 1. Coloração negativa – molibdato de amônio (30X).

Fonte: FERREIRA & KNÖBL (2009).

10

epiteliais hospedeira, provocando quimiotaxia de neutrófilos, causando cistites e

pielonefrites (WHITT & SALYERS, 2002).

Cepas EaggEC produzem toxinas termolábeis (LT), toxinas

termoestáveis enteroagregativas codificadas por um plasmídeo (EAST-1), toxinas

termo-estáveis (ST), toxina do tipo hemolisina e em alguns casos produzem

Shiga-toxinas. Essas toxinas auxiliam a instalação da infecção (CAMPOS &

TRABULSI, 2002).

2.5 Ilhas de patogenicidade

Ilhas de patogenicidade (IP) são ilhas genômicas, constituídas por

amplas regiões cromossômicas (10.000 a 200.000 pares de bases) de alta

instabilidade e com características distintas do restante do genoma bacteriano.

Codificam um ou mais genes de virulência, e parte ou todo arsenal molecular para

que esses genes possam alcançar sua célula alvo (VIEIRA, 2009).

IP são compostas por guanidina e citosina (G+C), diferentes do

restante do cromossomo e estão comumente associadas a genes que codificam

RNA transportador. Possuem hot spots em suas extremidades, que são

elementos envolvidos na mobilidade genética (local de inserção ou deleção

genômica simplificada), como; fagos temperados, sequências de inserção e

integrases (VIEIRA, 2009).

Estudos a respeito de IP são essenciais para detecção de genes de

virulência, que por sua vez permitem a identificação e caracterização de E.coli

patogênicas. Um exemplo são as lesões do fenótipo A/E codificadas na IP locus

para esfacelamento de enterócitos (LEE), presente principalmente no patotipo

EPEC, STEC (GYLES & FAIRBROTHER, 2010) e EHEC (JORIS et al., 2013).

LEE codifica também adesinas de membrana externa denominada

intimina (gene eae), sistema de secreção tipo lll - SSTT (Esc e proteína Sep),

chaperones (proteínas Ces), translocadores (EspA, EspB e EspD), proteínas

efetoras (EspF, EspG e Map) e receptores translocados intimina (Tir) (GIRARD,

2005), demostrando a importância de cada IP na patogênese bactéria.

Estudos recentes com finalidade de determinar se a presença de

anticorpos e/ou a cinética das respostas de anticorpos contra eae, Tir, EspA,

11

EspB pode ser usada para monitorar infecções por EHEC, foram feitos rebanhos

de gado de corte no Brasil. Os resultados demonstraram que apenas respostas

séricas à EspA e EspB podem ser utilizadas para monitorar o estado de infecção

de rebanhos bovinos com diarreia causada por EHEC. A correlação entre a

presença de anticorpos contra eae ou Tir e a baixa prevalência de EHEC não

pode ser presumida, pois, rebanhos negativos para essa estirpe podem

apresentar esses mesmos anticorpos (JORIS et al., 2013).

Fimbria P, fimbria S, hemolisinas, CNF-1 e sistema de sequestro de

ferro também são genes codificados em IP. No entanto, alguns podem ser

encontrados tanto em IP quanto em plasmídeos, como os genes hly e

aerobactina. Existem ainda, aqueles codificados do genoma nuclear, são eles;

fimbria tipo 1, antígenos especificos O (comumente O1, O2, O4, O6 e O25), e

aerobactina (GYLES & FAIRBROTHER, 2010).

2.6 Genes de virulência

2.6.1 Genes de aquisição de ferro

A aquisição de ferro é um importante fator de virulência para bactérias

(WHITT & SALYERS, 2002). E.coli possui recursos de aquisição e assimilação de

ferro proveniente do hospedeiro (GYLES & FAIRBROTHER, 2010). São eles; os

sideróforos (enterobactina, aerobactina e outros), que promovem esse sequestro

e aquisição através da remoção do ferro de proteínas carreadoras (HIRSH, 2003;

GYLES & FAIRBROTHER, 2010) e as hemolisinas, que capturam ferro obtido da

lise de eritrócitos (ROCHA et al., 2002).

O “operon” aerobactina contém o gene responsável pela produção de

hidroxamato sideróforo aerobactina (iuc), com suas respectivas variantes

(iucABCD), e o gene aerobactina de captação férrica (iutA). A capacidade de

obtenção de ferro pelo sistema aerobactina é devidamente estabelecida, porém,

em algumas situações como é o caso da estirpe APEC O2, esse sistema é

incompleto, pela ausência de iucA. No entanto, a presença de “operons”

cromossômicos yersinabacterina e enterobactina nessa estirpe, compensam a

perda de iucA, tornando a captação de ferro possível (LING et al., 2013).

12

2.6.2 Genes plasmidiais

A transferência de material genético entre as bactérias é outra forma de

aquisição de genes de virulência, com destaque para a conjugação, em que o

simples contato com outras bactérias vivas possibilita a transmissão de genes de

virulência presentes em uma molécula de DNA extra-cromossômico, denominada

plasmídeo (VIEIRA, 2009).

O rápido desenvolvimento de resistência das enterobactérias às

cefalosporinas de largo espectro está relacionada a cepas cujos plasmídeos

produzem beta-lactamases de espectro estendido – ESBLs e beta-lactamase tipo

AmpC, que hidrolisam o anel beta-lactâmico destes antimicrobianos. Em 2006, o

Programa de Vigilância a resistência antimicrobiana Holandês, isolou 153 E.coli

obtidas de amostras cecais de frangos saudáveis em diferentes abatedouros na

Holanda, em que 80% das amostras resistentes a cefotaxima carreavam o gene

ESBL e 17% carreavam o gene AmpC (DIERIKX et al., 2010).

Diferente de outros patotipos, a STEC é capaz de transportar grandes

plasmídeos, que codificam dentre outros genes de virulência, o gene sab que se

adere tanto à superfícies abióticas quanto a células epiteliais (CADONA et al.,

2013), produzindo biofilme (BUVENS & PIÉRARD, 2012). Já em pesquisas feitas

na Bélgica a partir STEC isoladas de humanos, e carnes cruas de ruminantes e

animais silvestres, o gene sab foi infrequente nesse patotipo quando LEE era

negativo (BUVENS & PIÉRARD, 2012). Os autores acrescentam que talvez sab

possa promover recursos alternativos nos mecanismos de adesão em STEC LEE

negativos, porém precisa-se de maiores estudos à respeito. Outro plasmídeo,

vinculado principalmente a certas estirpes de STEC como O157: H7 é o

plasmídeo-hemolisina, que condifica enterohemolisinas (GYLES &

FAIRBROTHER, 2010).

Outro gene plasmidial de grande importância é o brp ou gene colicina,

que produz e secreta colicinas. As colicinas são toxinas proteicas acionadas por

bactérias no combate à célula hospedeira (WHITT & SALYERS, 2002; LLOUBES

et al., 2013).

13

TraT e iss também são genes plasmidiais, codificados pelo plasmídeo

ColV. São genes determinantes para resistência sérica, aos efeitos bactericidas

do sistema complemento e à fagocitose, comumente relacionados a cepas

septicêmicas (GYLES & FAIRBROTHER, 2010). Essa resistência é atribuída a

produção de proteínas de membrana externa (OMPs), produzida por esses genes

(KNÖBL et al., 2001; MONROY et al., 2005). O “operon” aerobactina também é

codificado pelo plasmídeo ColV em estirpes APEC O2 (LING et al., 2013).

Além da codificação via plasmídeo, o gene iss também pode ser

codificado no cromossomo bacteriano. Ultimamente sabe-se que muitas cepas de

E.coli tem iss em seus cromossomos e sua seleção para os diferentes alelos iss

possibilita uma melhor detecção desse gene entre estirpes (JOHNSON et al.,

2008). O gene iss vem sendo isolado de papagaios com colibacilose (KNÖBL et

al., 2008), porém não há estudos a respeito do seu local de codificação.

Análises das variantes alélicas tornam possível o estudo sobre a

evolução iss e o conhecimento de suas variantes, afim de explorar a possibilidade

que esse gene e a proteína codificada por ele são ferramentas úteis para

preparação de vacinas (JOHNSON et al., 2008).

Um estudo piloto para produção de vacina contra a colibacilose em

aves baseado no gene iss mostrou bons resultados, em que galinhas imunizadas

com glutationa-S-transferase-Iss (GST-Iss) foram capazes de produzir anticorpos

contra GST-Iss e iss, além de induzirem resposta imunoprotetora em desafios

com duas estirpes de APEC diferentes. A forte associação entre iss e APEC,

juntamente com a localização de iss na membrana externa, possibilita estratégias

de uso desse gene em vacinas para controle de colibacilose (LYNNE et al., 2012).

2.6.3 Adesinas fimbriais

A maioria das estirpes de E.coli apresentam algum tipo de aderência

(Figura 5). Um exemplo é a intimina eae, responsável pela ligação íntima entre a

bactéria e o epitélio intestinal do hospedeiro (SILVEIRA et al., 2002). A sua

ausência promove diminuição significativa na aderência bacteriana, como em

algumas estirpes de STEP e EPEC, por exemplo (GIRARD, 2005).

14

Os genes de virulência pap ou fímbria P (ROCHA et al., 2002; KNÖBL

et al., 2004) e sfa são fímbrias D+ manose resistentes na mediação de adesão da

E. coli para diferentes tecidos do hospedeiro. A presença dos genes pap e sfa

varia entre estirpes associadas a diferentes doenças. O gene pap é encontrado

com maior frequência em aves com síndrome na cabeça inchada e doença

respiratória crônica, já o gene sfa é mais comum em isolados de onfalites,

sugerindo assim, que esses genes possibilitam infecções extra-intestinais em

diferentes locais (KNÖBL et al., 2004).

A utilização do carboidrato D+ manose permite classificar as fímbrias

em: manose sensíveis, quando a hemaglutinação é inibida pela presença do

carboidrato, e manose resistentes quando a hemaglutinação ocorre na presença

de manose. Estudos mostram que as adesinas manose sensíveis (pili tipo 1 ou

tipo1 like) são responsáveis pela colonização de traquéia e sacos aéreos durante

a fase inicial da doença, enquanto a colonização de órgãos internos e o

desenvolvimento de septicemias dependa da expressão de adesinas manose

resistentes (fímbria P) (FERREIRA & KNÖBL, 2009).

Mudanças no padrão de adesão observadas na presença ou na

ausência de D+manose sugerem associação de mais de um tipo de fímbria. A

adesão exclusivamente na ausência de D+manose indica que o pili tipo 1 ou tipo

FIGURA 5 – Aderência de E.coli O78 patogênica para aves nas células ciliadas da traquéia, aderência ao muco secretado pelas células secretórias de muco da traquéia. Giemsa 140X.

Fonte: FERREIRA & KNÖBL (2009).

15

1 like, podem participar da patogênese de certos patotipos (SILVEIRA et al.,

2002).

Cada variante do gene pap (papA, papC, papE, papF, etc) é

responsável por codificar diferentes subunidades das fímbrias, como o papA que

codifica o eixo principal da fímbria. Dentre as variantes do gene pap destaca-se o

papC por sua maior frequência em APEC do que nos demais patotipos. Genes

pap não são essenciais para a patogênese da APEC, porém podem desempenhar

um papel significativo nesse processo. No entanto, papA e APEC são

antigenicamente correlacionadas e é provável que esse gene proporcione uma

vantagem evolutiva pela aquisição de DNA estranho ou supressão de

informações genéticas existentes, resultando no desenvolvimento de novas

estirpes e até mesmo patotipos (KARIYAWASAM & NOLAN, 2011).

PapA, diferente dos genes papC e papG, é isolado apenas de cepas

patogênicas, não sendo encontrado em cepas comensais avícolas

(KARIYAWASAM et al., 2006). Estudos relacionados ao sequenciamento genético

de papA em APEC, revelaram a possibilidade da presença de um transposon

Tn10 (resistência a tetraciclina), possivelmente selecionado devido à prática

comum de utilização desses antimicrobianos como promotores de crescimento e

na terapéutica das aves. A incorporação de genes de resistência antimicrobiana

ao genoma do “operon” pap pode trazer vantagens na sobrevivência dessas

bactérias (KARIYAWASAM & NOLAN, 2011).

Além das características decritas acima SZEMLAKO et al. (2013)

sugerem que pap com capacidade para causar resposta inflamatória grave podem

auxiliar na ultrapassagem de barreiras dos tecidos, possibilitando o acesso à

corrente sanguínea, causando bacteremia.

2.6.4 Adesinas afimbriais

O receptor de intimina Tir é uma proteína transportada através do

sistema de secreção tipo lll (SSTT) (Figura 6) para o citoplasma da célula

hospedeira, onde atua como receptor de eae, que é expressa na superfície

bacteriana, resultando em íntima ligação com a célula hospedeira. A

16

consequência dessa interação é uma mudança histopatológica A/E (GYLES &

FAIRBROTHER, 2010).

O gene tsh, codificado no plasmídeo ColV (DOZOIS et al., 2000) é

responsável pela síntese de proteínas termo-sensíveis com capacidade

hemaglutinante (GYLES & FAIRBROTHER, 2010) e auxilia nos estágios iniciais

de infecções em galinhas (DOZOIS et al., 2000; NGELEKA et al., 2002; ROCHA

et al., 2002;). O gene tsh é também uns dos genes principais no desenvolvimento

de colibacilose em papagaios (KNÖBL et al., 2008).

Curli é um apêndice proteico encontrado na superfície externa da

maioria das cepas de E.coli, codificado pelo gene crl (gene de filamento curli),

essencial para aderência em superfícies bióticas e abióticas, além de participar da

formação de biofilme (WHITT & SALYERS, 2002). Este gene promove a ligação

FIGURA 6 – (A) Esquema do sistema de secreção tipo III, aqui apresentado com dois anéis atravessando a membrana e a agulha surgindo da superfície da bactéria. As proteínas efetoras e translocadoras estão estocadas. (B) Esquema do SSTT em operação. As proteínas translocadoras formam um poro na membrana da célula alvo e as proteínas efetoras são translocadas para o citosol da célula alvo. (C) Microscopia eletrônica da superfície da bactéria com agulhas do SSTT.

Fonte: TROISFONTAINES & CORNELIS (2005).

17

entre o complexo principal de histocompatibilidade classe 1 (MHC-1), entre a

matriz extracelular, entre as proteínas séricas e entre as células intestinais

(NGELEKA et al., 2002; WHITT & SALYERS, 2002).

NENNINGER et al. (2011) citaram que as variantes do gene curli, csgG

e csgE, agem em conjunto para proporcionar estabilidade na secreção de outras

variantes como; csgA, csgB e csgF. O gene csgE pode inibir a polimerização de

csgA purificado nas fibras amilóides, sugerindo que certas estirpes de E.coli

podem impedir a formação de amilóide. Os autores acrescentaram, que cepas

que superexpressam csgG são sensíveis à Eritromicina, porém quando há

indução da expressão de csgE essas cepas se tornam novamente resistentes a

este antimicrobiano.

Em isolados de E. coli enteropatogênicas de humanos com diarréria

pode-se encontrar modificações na presença de variantes do gene curli, como

nos estudos feitos por HERNANDES et al. (2012), onde 97% dos isolados de

EPEC possuiam o gene csgD e apenas 19,7% apresentavam gene csgA, que

indica alta diversidade na sequencia de nucleotídeos deste ultimo gene.

SAIDENBERG et al. (2013) detectaram os genes iss, pap, iuc, hlyA e

tsh de E.coli isoladas de Mutum-do-Nordeste (Pauxi mitu), ave considerada em

extinção, aparentemente sadios. Esses achados foram motivo de preocupação,

pois fatores de estresse, como: início da época de reprodução; doenças

concomitantes e manejo impróprio do ambiente e da criação podem desencadear

desequilíbrios no organismo e assim conduzir a manifestação de colibacilose, que

pode ter resultados graves em uma espécie nativa ameaçada de extinção.

2.7 Toxinas

As toxinas produzidas pelas diferentes estirpes de E.coli também são

fatores importantes para patogênese das enfermidades atribuídas a essa bactéria.

GYLES & FAIRBROTHER (2010) pontuam as enterotoxinas termo-estável (STa,

STb), termo-estável enteroagregativa (EAST-1) e termo-lábil (LT) como

promotoras de distúrbios metabólicos dos fluidos intestinais.

A STa induz acúmulo de líquido na luz intestinal de camundongos

lactentes e leitões (HIRSH, 2003; QUINN et al. 2005; GYLES & FAIRBROTHER,

18

2010), provocando diminuição e atrofia das vilosidades. Já o STb é inativado pela

presença da tripsina (GYLES & FAIRBROTHER, 2010) e afeta leitões lactentes e

desmamados (HIRSH et al., 2003).

ARAGÃO et al. (2012), descrevem que a detecção de determinadas

toxinas, como STa isolada por eles, na maioria dos isolados de ETEC obtidos de

um surto de colibacilose em carneiros, possibilita a identificação do patotipo e

sugerem que esta toxina contribua para o desenvolvimento da enfermidade, até

mesmo em casos de ausência das demais toxinas.

Já a LT induz a secreção de fluidos através da estimulação de

prostaglandinas e citocinas no sistema nervoso entérico, possui efeitos

imunomoduladores potentes e ainda pode induzir a apoptose de leucócitos. O

subtipo LT – l torna o enterócito afetado, um hipersecretor de AMPc, provocando

secreção excessiva de eletrólitos e água, causando desidratação, acidose

metabólica e morte. Os mecanismos de LT – 2 ainda são obscuros e necessitam

de maiores estudos (GYLES & FAIRBROTHER, 2010).

Stx são proteínas citotóxicas inibidoras da síntese proteica nas células

hospedeiras, semelhantes à da toxina produzida por Shigela (HIRSH, 2003).

Elevados índices de produção dessa toxina estão relacionados à indução de

bacteriófagos, como durante a ação dos antimicrobianos, que causam danos ao

DNA bacteriano ou na parede celular da bactéria. Stx1 está envolvida na

regulação de ferro, presente em maior número nos ambientes de privação de

ferro. Stx2 geralmente esta associada à doença do edema (ataque à células

endoteliais) ou em outras enfermidades vinculadas a suínos (GYLES &

FAIRBROTHER, 2010).

Outras toxinas consideradas importantes são toxina de distinção

citoletal (CDT), fator citotóxico necrosante (CNF), hemolisinas e as

enterohemolisinas necrosantes (MEHDIPOUR et al., 2012). A CDT tem como

função desencadear a parada do ciclo celular, induzindo a apoptose celular. Já as

CNF são atribuídas a diarreia e septicemia em bezerros (WHITT & SALYERS,

2002)

Pesquisas feitas para avaliar a ocorrência e funcionalidade CNF e CDT

em E.coli isoladas de bezerros e cães apresentaram inúmeras combinações de

genes de virulência e foi possível associar a cistite demonstrada por alguns

19

animais, com a presença de CNF-1 correlacionada com papC, hlyA e sfa

(SALVARANI et al., 2012), sugerindo que combinações de genes e dessa toxina

podem ser necessárias para o desenvolvimento da cistite. CNF e CDT foram as

toxinas mais detectadas de E.coli isoladas de carcaças de carneiros iranianos em

pesquisas de MEHDIPOUR et al. (2012), definindo a importância dessas toxinas

em diferentes espécies.

O gene hly (alfa hemolisina), além de lesionar as células hospedeiras,

suprime a produção de citocinas e interleucinas pela célula eucariótica, permitindo

que a bactéria se estabeleça no organismo hospedeiro. Cepas que não possuem

genes que promovem hemólise consequentemente não apresentam citotoxicidade

elevada e não são capazes de suprimir citocinas, dificultando assim sua

colonização no hospedeiro (HILBERT et al., 2012). Já a pesquisa feita com a

UPEC sugerem que a hly é um gene de virulência que proporciona a migração do

trato urinário para a corrente sanguínea, causando septicemia (SZEMLAKO et al.,

2013).

CNF e hly são toxinas conhecidamente importantes no estabelecimento

de doenças em mamíferos, porém não há dados aprofundados em relação as

aves. Alguns estudos associados a APEC sugeriram que essas toxinas atuam

como facilitador na transposição da barreira interespécies (KNÖBL el al., 2012).

As colicinas são proteínas tóxicas produzidas e secretadas no meio

extracelular pelas E.coli e outras bactérias (WHITT & SALYERS, 2002). O ataque

às células alvo se dá por despolarização da membrana citoplasmática, por

atividade citotóxica contra ácidos nucléicos citoplasmáticos, ou por interferirem

com a biossíntese de peptiodeoglicanos (WHITT & SALYERS, 2002; LLOUBES et

al., 2013).

Em estudos realizados em isolados de E.coli obtidos de papagaios com

colibacilose no Brasil, não foram identificados genes que codifiquem toxinas,

tornando o conhecimento mais aprofundado sobre esses e outros genes de

virulência em psitacídeos relevante (KNÖBL et al., 2008).

20

3. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Escherichia coli possui diferentes classificações perante seus

sorogrupos e mecanismos de virulência. Essa diversidade antigênica e de

patotipos pode explicar a natureza da manifestação clinico-patológica da maioria

das doenças causadas por ela.

Os inúmeros genes de virulência, que podem estar presentes em

isolados de E.coli, desenvolvem mecanismos complexos para invasão e

colonização da célula hospedeira. Mais estudos são necessários para

identificação e caracterização destes genes, para proporcionar maior clareza do

desenvolvimento dos processos patogênicos utilizados por essas bactérias para

infectar seus hospedeiros.

A facilidade de transmissão dos genes plasmidiais dificulta o controle

de determinadas bactérias e é importante no aumento da patogenicidade de

estirpes. Genes de aquisição de ferro e genes de resistência sérrica são

essenciais para E. Coli, pois, facilitam a infecção do hospedeiro mesmo em

ambientes adversos. As adesinas são elementos essenciais nos estágios iniciais

da invasão ao organismo hospedeiro. A combinação de genes de virulência com

diferentes finalidades tornam estirpes cada vem mais difícil o seu combate pelo

organismo hospedeiro e dificultam a ação dos antimicrobianos.

Além disso, conhecimentos mais aprofundados a respeito da

diversidade antigênica da E.coli poderão, futuramente, contribuir para elaboração

de vacinas eficazes no controle de enfermidades atribuídas a essa bactéria.

21

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