Summary There is extensive genetic substructure within the species E scherichia coli . In 2000 a simple triplex PCR method was described by C lermont and colleagues that enables an E . coli isolate to be assigned to one of the phylo‐groups A , B 1, B 2 or D . The growing body of multi‐locus sequence data and genome data for E . coli has refined our understanding of E . coli 's phylo‐group structure and eight phylo‐groups are now recognized: seven ( A , B 1, B 2, C , D , E , F ) belong to E . coli sensu stricto , whereas the eighth is the E scherichia cryptic clade I . Here a new PCR ‐based method is developed that enables an E . coli isolate to be assigned to one of the eight phylo‐groups and which allows isolates that are members of the other cryptic clades ( II to V ) of E scherichia to be identified. The development of the method is described and the method is validated. Over 95% of E . coli isolates can be correctly assigned to a phylo‐group. Two collections of human faecal isolates were screened using the new phylo‐group assignment method demonstrating that about 13% of E . coli isolates belong to the newly described phylo‐groups C , E , F and clade I .

The Escherichia coli species represents one of the best-studied model organisms, but also encompasses a variety of commensal and pathogenic strains that diversify by high rates of genetic change. We uniformly (re-) annotated the genomes of 20 commensal and pathogenic E. coli strains and one strain of E. fergusonii (the closest E. coli related species), including seven that we sequenced to completion. Within the ∼18,000 families of orthologous genes, we found ∼2,000 common to all strains. Although recombination rates are much higher than mutation rates, we show, both theoretically and using phylogenetic inference, that this does not obscure the phylogenetic signal, which places the B2 phylogenetic group and one group D strain at the basal position. Based on this phylogeny, we inferred past evolutionary events of gain and loss of genes, identifying functional classes under opposite selection pressures. We found an important adaptive role for metabolism diversification within group B2 and Shigella strains, but identified few or no extraintestinal virulence-specific genes, which could render difficult the development of a vaccine against extraintestinal infections. Genome flux in E. coli is confined to a small number of conserved positions in the chromosome, which most often are not associated with integrases or tRNA genes. Core genes flanking some of these regions show higher rates of recombination, suggesting that a gene, once acquired by a strain, spreads within the species by homologous recombination at the flanking genes. Finally, the genome's long-scale structure of recombination indicates lower recombination rates, but not higher mutation rates, at the terminus of replication. The ensuing effect of background selection and biased gene conversion may thus explain why this region is A+T-rich and shows high sequence divergence but low sequence polymorphism. Overall, despite a very high gene flow, genes co-exist in an organised genome.

ABSTRACT Previous studies suggesting a link between Escherichia coli phylogenetic groups and extraintestinal virulence have been hampered by the difficulty in establishing the intrinsic virulence of a bacterial strain. Indeed, unidentified virulence factors do exist, and the susceptibility of the host to infection is highly variable. To overcome these difficulties, we have developed a mouse model of extraintestinal virulence to test the virulence of the strains under normalized conditions. We then assessed the phylogenetic relationships compared to the E. coli reference (ECOR) collection, the presence of several known virulence determinants, and the lethality to mice of 82 human adult E. coli strains isolated from normal feces and during the course of extraintestinal infections. Commensal strains belong mainly to phylogenetic groups A and B1, are devoid of virulence determinants, and do not kill the mice. Strains exhibiting the same characteristics as the commensal strains can be isolated under pathogenic conditions, thus indicating the role of host-dependent factors, such as susceptibility linked to underlying disease, in the development of infection. Some strains of phylogenetic groups A, B1, and D are able to kill the mice, their virulence being most often correlated with the presence of virulence determinants. Lastly, strains of the B2 phylogenetic group represent a divergent lineage of highly virulent strains which kill the mice at high frequency and possess the highest level of virulence determinants. The observed link between virulence and phylogeny could correspond to the necessity of virulence determinants in a genetic background that is adequate for the emergence of a virulent clone, an expression of the interdependency of pathogenicity and metabolic activities in pathogenic bacteria.

The evolutionary significance of stress-induced mutagenesis was evaluated by studying mutagenesis in aging colonies (MAC) of Escherichia coli natural isolates. A large fraction of isolates exhibited a strong MAC, and the high MAC variability reflected the diversity of selective pressures in ecological niches. MAC depends on starvation, oxygen, and RpoS and adenosine 3′,5′-monophosphate regulons; thus it may be a by-product of genetic strategies for improving survival under stress. MAC could also be selected through beneficial mutations that it generates, as shown by computer modeling and the patterns of stress-inducible and constitutive mutagenesis. We suggest that irrespective of the causes of their emergence, stress-induced mutations participate in adaptive evolution.

The genus Escherichia is composed of Escherichia albertii , E. fergusonii , five cryptic Escherichia clades and E. coli sensu stricto. Furthermore, the E. coli species can be divided into seven main phylogroups termed A, B1, B2, C, D, E and F. As specific lifestyles and/or hosts can be attributed to these species/phylogroups, their identification is meaningful for epidemiological studies. Classical phenotypic tests fail to identify non- sensu stricto E. coli as well as phylogroups. Clermont and colleagues have developed PCR assays that allow the identification of most of these species/phylogroups, the triplex/quadruplex PCR for E. coli phylogroup determination being the most popular. With the growing availability of whole genome sequences, we have developed the ClermonTyping method and its associated web-interface, the ClermonTyper, that allows a given strain sequence to be assigned to E. albertii , E. fergusonii , Escherichia clades I–V, E. coli sensu stricto as well as to the seven main E. coli phylogroups. The ClermonTyping is based on the concept of in vitro PCR assays and maintains the principles of ease of use and speed that prevailed during the development of the in vitro assays. This in silico approach shows 99.4 % concordance with the in vitro PCR assays and 98.8 % with the Mash genome-clustering tool. The very few discrepancies result from various errors occurring mainly from horizontal gene transfers or SNPs in the primers. We propose the ClermonTyper as a freely available resource to the scientific community at: http://clermontyping.iame-research.center/ .

Recently, a CTX-M-15 extended-spectrum β-lactamase (ESBL)-producing Escherichia coli O25b-ST131 clone, belonging to the B2 phylogenetic group and with a high virulence potential, has been reported all over the world, representing a major public health problem. The present study was carried out to develop a rapid and simple detection assay that identifies members of this clone. A total of 627 E. coli isolates of which 373 produced an ESBL, collected across four continents, were screened using a O25b-ST131 clone allele-specific PCR for the pabB gene. One hundred and forty-three ESBL isolates were found positive with the assay. These isolates were all of O25b type and, when studied by multilocus sequence typing (25 cases), were all of ST131. The O25b-ST131 clone was found to produce ESBLs other than CTX-M-15, specifically CTX-M-2, -3, -14, -27, -32 and -61 as well as TEM-24. This clone represents 3% of non-ESBL B2 isolates originating from urinary tract infections in Paris. We have developed a PCR-based assay that easily identifies a clone with high likelihood of producing ESBLs, including CTX-M-15.

In bacteria, the evolution of pathogenicity seems to be the result of the constant arrival of virulence factors (VFs) into the bacterial genome. However, the integration, retention, and/or expression of these factors may be the result of the interaction between the new arriving genes and the bacterial genomic background. To test this hypothesis, a phylogenetic analysis was done on a collection of 98 Escherichia coli/Shigella strains representing the pathogenic and commensal diversity of the species. The distribution of 17 VFs associated to the different E. coli pathovars was superimposed on the phylogenetic tree. Three major types of VFs can be recognized: (1) VFs that arrive and are expressed in different genetic backgrounds (such as VFs associated with the pathovars of mild chronic diarrhea: enteroaggregative, enteropathogenic, and diffusely-adhering E. coli), (2) VFs that arrive in different genetic backgrounds but are preferentially found, associated with a specific pathology, in only one particular background (such as VFs associated with extraintestinal diseases), and (3) VFs that require a particular genetic background for the arrival and expression of their virulence potential (such as VFs associated with pathovars typical of severe acute diarrhea: enterohemorragic, enterotoxigenic, and enteroinvasive E. coli strains). The possibility of a single arrival of VFs by chance, followed by a vertical transmission, was ruled out by comparing the evolutionary histories of some of these VFs to the strain phylogeny. These evidences suggest that important changes in the genome of E. coli have occurred during the diversification of the species, allowing the virulence factors associated with severe acute diarrhea to arrive in the population. Thus, the E. coli genome seems to be formed by an “ancestral” and a “derived” background, each one responsible for the acquisition and expression of different virulence factors.

Abstract Background Extraintestinal pathogenic Escherichia coli (ExPEC) strains represent a huge public health burden. Knowledge of their clonal diversity and of the association of clones with genomic content and clinical features is a prerequisite to recognize strains with a high invasive potential. In order to provide an unbiased view of the diversity of E. coli strains responsible for bacteremia, we studied 161 consecutive isolates from patients with positive blood culture obtained during one year in two French university hospitals. We collected precise clinical information, multilocus sequence typing (MLST) data and virulence gene content for all isolates. A subset representative of the clonal diversity was subjected to comparative genomic hybridization (CGH) using 2,324 amplicons from the flexible gene pool of E. coli . Results Recombination-insensitive phylogenetic analysis of MLST data in combination with the ECOR collection revealed that bacteremic E. coli isolates were highly diverse and distributed into five major lineages, corresponding to the classical E. coli phylogroups (A+B1, B2, D and E) and group F, which comprises strains previously assigned to D. Compared to other strains of phylogenetic group B2, strains belonging to MLST-derived clonal complexes (CCs) CC1 and CC4 were associated (P < 0.05) with a urinary origin. In contrast, no CC appeared associated with severe sepsis or unfavorable outcome of the bacteremia. CGH analysis revealed genomic characteristics of the distinct CCs and identified genomic regions associated with CC1 and/or CC4. Conclusion Our results demonstrate that human bacteremia strains distribute over the entire span of E. coli phylogenetic diversity and that CCs represent important phylogenetic units for pathogenesis and comparative genomics.

Abstract Escherichia coli is a commensal of birds and mammals, including humans. It can act as an opportunistic pathogen and is also found in water and sediments. Since most population studies have focused on clinical isolates, we studied the phylogeny, genetic diversification, and habitat-association of 1,294 isolates representative of the phylogenetic diversity of more than 5,000, mostly non-clinical, isolates originating from humans, poultry, wild animals and water sampled from the Australian continent. These strains represent the species diversity and show large variations in gene repertoires within sequence types. Recent gene transfer is driven by mobile elements and determined by habitat sharing and by phylogroup membership, suggesting that gene flow reinforces the association of certain genetic backgrounds with specific habitats. The phylogroups with smallest genomes had the highest rates of gene repertoire diversification and fewer but more diverse mobile genetic elements, suggesting that smaller genomes are associated with higher, not lower, turnover of genetic information. Many of these small genomes were in freshwater isolates suggesting that some lineages are specifically adapted to this environment. Altogether, these data contribute to explain why epidemiological clones tend to emerge from specific phylogenetic groups in the presence of pervasive horizontal gene transfer across the species.

Abstract Bacteria from the same species can differ widely in their gene content. In E. coli , the set of genes shared by all strains, known as the core genome, represents about half the number of genes present in any strain. While recent advances in bacterial genomics have enabled to unravel genes required for fitness in various experimental conditions at the genome scale, most studies have focused on model strains. As a result, the impact of this genetic diversity on core processes of the bacterial cell largely remains to be investigated. Here, we developed a new CRISPR interference platform for high-throughput gene repression that is compatible with most E. coli isolates and closely-related species. We applied it to assess the importance of ∼3,400 nearly ubiquitous genes in 3 growth media in 18 representative E. coli strains spanning most common phylogroups and lifestyles of the species. Our screens highlighted extensive variations in gene essentiality between strains and conditions. Unlike variations in gene expression level, variations in gene essentiality do not recapitulate the strains’ phylogeny. Investigation of the genetic determinants for these variations highlighted the importance of epistatic interactions with mobile genetic elements. In particular, we showed how mobile genetic elements can trigger the essentiality of core genes that are usually nonessential. This study provides new insights into the evolvability of gene essentiality and argues for the importance of studying various isolates from the same species in bacterial genomics.