Escherichia coli O157:H7 causes bloody diarrhea and potentially fatal systemic sequelae in humans. Cattle are most frequently identified as the primary source of infection, and E. coli O157:H7 generally colonizes the gastrointestinal tracts of cattle without causing disease. In this study, persistence and tropism were assessed for four different E. coli O157:H7 strains. Experimentally infected calves shed the organism for at least 14 days prior to necropsy. For the majority of these animals, as well as for a naturally colonized animal obtained from a commercial beef farm, the highest numbers of E. coli O157:H7 were found in the feces, with negative or significantly lower levels detected in lumen contents taken from the gastrointestinal tract. Detailed examination demonstrated that in these individuals the majority of tissue-associated bacteria were adherent to mucosal epithelium within a defined region extending up to 5 cm proximally from the recto-anal junction. The tissue targeted by E. coli O157:H7 was characterized by a high density of lymphoid follicles. Microcolonies of the bacterium were readily detected on the epithelium of this region by immunofluorescence microscopy. As a consequence of this specific distribution, E. coli O157:H7 was present predominantly on the surface of the fecal stool. In contrast, other E. coli serotypes were present at consistent levels throughout the large intestine and were equally distributed in the stool. This is a novel tropism that may enhance dissemination both between animals and from animals to humans. The accessibility of this site may facilitate simple intervention strategies.

Abstract The human zoonotic pathogen Escherichia coli O157 is defined by its extensive prophage repertoire including those that encode Shiga toxin, the factor responsible for inducing life-threatening pathology in humans. As well as introducing genes that can contribute to the virulence of a strain, prophage can enable the generation of large-chromosomal rearrangements (LCRs) by homologous recombination. This work examines the types and frequencies of LCRs across the major lineages of the O157 serogroup and defines the phenotypic consequences of specific structural variants. We demonstrate that LCRs are a major source of genomic variation across all lineages of E. coli O157 and by using both optical mapping and ONT long-read sequencing demonstrate that LCRs are generated in laboratory cultures started from a single colony and particular variants are selected during animal colonisation. LCRs are biased towards the terminus region of the genome and are bounded by specific prophages that share large regions of sequence homology associated with the recombinational activity. RNA transcriptional profiling and phenotyping of specific structural variants indicated that important virulence phenotypes such as Shiga toxin production, type 3 secretion and motility are affected by LCRs. In summary, E. coli O157 has acquired multiple prophage regions over time that act as genome engineers to continually produce structural variants of the genome. This structural variation is a form of epigenetic regulation that generates sub-population phenotypic heterogeneity with important implications for bacterial adaptation and survival. Author Summary Escherichia coli has an ‘open genome’ and has acquired genetic information over evolutionary time, often in the form of bacteriophages that integrate into the bacterial genome (prophages). E. coli O157 is a clonal serogroup that is found primarily in ruminants such as cattle but can cause life-threatening infections in humans. E. coli O157 isolates contain multiple prophages including those that encode Shiga-like toxins which are responsible for the more serious disease associated with human infections. We show in this study that many of these prophages exhibit large regions of sequence similarity that allow rearrangements to occur in the genome generating structural variants. These occur routinely during bacterial culture in the laboratory and the variants are detected during animal colonization. The variants generated can give the bacteria altered phenotypes, such as increased motility or toxin production which can be selected in specific environments and therefore represent a highly dynamic mechanism to generate variation in bacterial populations without a change in overall gene content.

Abstract Antimicrobial resistance is one of the greatest current threats to human and animal health. There is an urgent need to ensure that antimicrobials are used appropriately to limit the emergence and impact of resistance. In the human and veterinary healthcare setting, traditional culture and antimicrobial sensitivity testing is typically conducted, requiring 48-72 h to identify appropriate antibiotics for treatment. In the meantime, broad-spectrum antimicrobials are often used, which may be ineffective or impact non-target commensal bacteria. Here, we present a rapid diagnostics pipeline, involving metagenomic Nanopore sequencing directly from clinical urine and skin samples of dogs. We have optimised this pipeline to be versatile and easily implementable in a clinical setting, with the potential for future adaptation to different sample types and animals. Using our approach, we can identify the bacterial pathogen present in a sample with 100% sensitivity within 5 hours. For urine samples, we can predict antibiotic sensitivity with up to 95% accuracy. However, skin swabs which exhibited lower bacterial abundance and higher host DNA, were less amenable and an additional host depletion step may be required prior to DNA extraction. In summary, our pipeline represents an important step towards the design of individually tailored veterinary treatment plans on the same day as presentation, facilitating effective use of antibiotics and promoting antimicrobial stewardship. Impact statement Antimicrobial resistance (AMR) is a major threat to veterinary and human healthcare. It is a one-health problem, as humans and dogs are in close contact, require similar antibiotics, and share bacterial pathogens and AMR genes. Limited treatments options due to AMR would have a catastrophic effect. The risk of infection would render much of modern healthcare (including critical care, orthopaedic and complex surgeries, implants and oncology) impossible. In addition, routine infections could become life threatening. It is therefore critical to preserve the efficacy of these drugs for the future. Inappropriate antimicrobial use is the single biggest factor driving AMR. Antimicrobial stewardship involves reducing antimicrobial use, using first-line narrow-spectrum drugs, and avoiding overly long treatment. Delays in culture-based diagnosis lead clinicians to speculatively use broad-spectrum antibiotics and prolong courses of treatment beyond clinical cure. Our rapid diagnostic approach will have a major impact in reducing, refining and replacing antibiotic use. This will advance antimicrobial stewardship in veterinary and human healthcare. Data summary All sequencing data mentioned in this work is available from NCBI, BioProject PRJNA925092, Biosamples SAMN32880396 to SAMN32880438, run accessions SRR23195371 to SRR23195413. The authors confirm all supporting data, code and protocols have been provided within the article or through supplementary data files .

Bacterial flagella have many established roles beyond swimming motility. Despite clear evidence of flagella-dependent adherence, the specificity of ligands and mechanisms of binding are still debated. In this study, the molecular basis of E. coli O157:H7 and S. Typhimurium flagella binding to epithelial cell cultures was investigated. Flagella interactions with host cell surfaces were intimate and crossed cellular boundaries as demarcated by actin and membrane labelling. SEM revealed flagella disappearing into cellular surfaces and TEM of S. Typhiumurium indicated host membrane deformation and disruption in proximity to flagella. Motor mutants of E. coli O157:H7 and S. Typhimurium caused reduced haemolysis compared to wild-type, indicating that membrane disruption was in part due to flagella rotation. Flagella from E. coli O157 (H7), EPEC O127 (H6), and S. Typhimurium (P1 & P2 flagella) were shown to bind to purified intracellular components of the actin cytoskeleton and directly increase in vitro actin polymerisation rates.

Food-borne illness arising from Shiga-toxigenic Escherichia coli (STEC) is often linked to consumption of fruit and vegetables as the bacteria have the ability to interact with plants and use them as alternative or secondary hosts. The initial stages of the interaction involve chemotaxis, attachment and potentially, responding to the early stages of microbe perception by the plant host. We used a high-throughput positive-selection approach to identify early interaction factors of E. coli O157:H7 isolate Sakai to spinach. A bacterial artificial chromosome (BAC) clone library was quantified by microarray hybridisation, and gene loci enrichment measured using a Bayesian hierarchical model. The screen of four successive rounds of short-term (2 hour) interaction with spinach roots produced in 115 CDS credible candidates, comprising seven contiguous genomic regions. Two candidate regions were selected for functional assessment: a chaperone-usher fimbrial gene cluster (loc6) and the pO157 plasmid-encoded type two secretion system (T2SS). Interaction of bacteria with spinach tissue was reduced in the absence of the pO157 plasmid, which was appeared to involve the T2SS EtpD secretin protein, whereas loss of loc6 did not impact interactions. The T2SS genes, etpD and etpC, were expressed at a plant-relevant temperature of 18 oC, and etpD expressed in planta by E. coli Sakai on spinach plants. Thus, a whole genome screening approach using a combination of computational modelling and functional assays has identified a novel function for STEC T2SS in interactions with plant tissue.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.

Over the last 35 years in the UK the burden of Shiga toxin-producing Escherichia coli (STEC) O157:H7 infection has, during different periods of time, been associated with five different sub-lineages (1983-1995: Ia, I/IIa and I/IIb, 1996-2014: Ic and 2015-2018: IIb). The acquisition of a stx2a-encoding bacteriophage by these five sub-lineages appears to have coincided with their respective emergences. Oxford Nanopore Technology (ONT) was used to sequence, characterise and compare the stx-encoding prophage harboured by each sub-lineage to investigate the integration of this key virulence factor. The stx2a-encoding prophage from each of the lineages causing clinical disease in the UK were all different, including the two UK sub-lineages (Ia and I/IIa) circulating concurrently and causing severe disease in the early 1980s. Comparisons between the stx2a-encoding prophage in sub-lineages I/IIb and IIb revealed similarity to the prophage commonly found to encode stx2c, and the same site of bacteriophage integration (sbcB) as stx2c encoding prophage. These data suggest independent acquisition of previously unobserved stx2a-encoding phage is more likely to have contributed to the emergence of STEC O157:H7 sub-lineages in the UK than intra-UK lineage to lineage phage transmission. In contrast, the stx2c-encoding prophage showed a high level of similarity across lineage and time, consistent with the model of stx2c being present in the common ancestor to extant STEC O157:H7 and maintained by vertical inheritance in the majority of the population. Studying the nature of the stx-encoding bacteriophage contributes to our understanding of the emergence of highly pathogenic strains of STEC O157:H7.

This study supports the development of predictive bacteriophage (phage) therapy: the concept of phage cocktail selection to treat a bacterial infection based on machine learning models (MLM). For this purpose, MLM were trained on thousands of measured interactions between a panel of phage and sequenced bacterial isolates. The concept was applied to Escherichia coli (E. coli) associated with urinary tract infections. This is an important common infection in humans and companion animals from which multi-drug resistant (MDR) bloodstream infections can originate. The global threat of MDR infection has reinvigorated international efforts into alternatives to antibiotics including phage therapy. E. coli exhibit extensive genome-level variation due to horizontal gene transfer via phage and plasmids. Associated with this, phage selection for E. coli is difficult as individual isolates can exhibit considerable variation in phage susceptibility due to differences in factors important to phage infection including phage receptor profiles and resistance mechanisms. The activity of 31 phage were measured on 314 isolates with growth curves in artificial urine. Random Forest models were built for each phage from bacterial genome features and the more generalist phage, acting on over 20% of the bacterial population, exhibited F1 scores of >0.6 and could be used to predict phage cocktails effective against previously untested strains. The study demonstrates the potential of predictive models which integrate bacterial genomics with phage activity datasets allowing their use on data derived from direct sequencing of clinical samples to inform rapid and effective phage therapy.

The anthropogenic selection of antimicrobial resistance (AMR) genes is under intense scrutiny, particularly in livestock production, where group antimicrobial administration is used to control disease. Whilst large epidemiological studies provide important data on the diversity and distribution of AMR genes, we have little insight into how group antimicrobial administration impacts AMR gene abundance and diversity within a system. Here, faecal microbiome and AMR gene dynamics were tracked for six months through a standard production cycle on a commercial pig unit. Our results demonstrate that specific AMR genes have reached an equilibrium across this farming system to the extent that the levels measured were maintained from suckling through to slaughter, despite increases in microbiome diversity in early development. These levels were not influenced by antibiotic use, either during the production cycle or following whole herd medication. Some AMR genes were found at levels higher than that of the bacterial 16S rRNA gene, indicating widespread distribution across the most common bacterial genera. The targeted AMR genes were also detected in nearby soil samples, several with decreasing abundance with increasing distance from the unit, demonstrating that the farm acts as a point source of AMR gene 'pollution'. Metagenomic sequencing of a subset of samples identified 144 AMR genes, with higher gene diversity in the piglet samples compared to the sow samples. Critically, despite overwhelming and stable levels of resistance alleles against the main antimicrobials used on this farm, these compounds continue to control the bacterial pathogens responsible for production losses and compromised welfare.