An ongoing outbreak of exceptionally virulent Shiga toxin (Stx)-producing Escherichia coli O104:H4 centered in Germany, has caused over 830 cases of hemolytic uremic syndrome (HUS) and 46 deaths since May 2011. Serotype O104:H4, which has not been detected in animals, has rarely been associated with HUS in the past. To prospectively elucidate the unique characteristics of this strain in the early stages of this outbreak, we applied whole genome sequencing on the Life Technologies Ion Torrent PGM™ sequencer and Optical Mapping to characterize one outbreak isolate (LB226692) and a historic O104:H4 HUS isolate from 2001 (01-09591). Reference guided draft assemblies of both strains were completed with the newly introduced PGM™ within 62 hours. The HUS-associated strains both carried genes typically found in two types of pathogenic E. coli, enteroaggregative E. coli (EAEC) and enterohemorrhagic E. coli (EHEC). Phylogenetic analyses of 1,144 core E. coli genes indicate that the HUS-causing O104:H4 strains and the previously published sequence of the EAEC strain 55989 show a close relationship but are only distantly related to common EHEC serotypes. Though closely related, the outbreak strain differs from the 2001 strain in plasmid content and fimbrial genes. We propose a model in which EAEC 55989 and EHEC O104:H4 strains evolved from a common EHEC O104:H4 progenitor, and suggest that by stepwise gain and loss of chromosomal and plasmid-encoded virulence factors, a highly pathogenic hybrid of EAEC and EHEC emerged as the current outbreak clone. In conclusion, rapid next-generation technologies facilitated prospective whole genome characterization in the early stages of an outbreak.

ABSTRACT When Shiga toxin-producing Escherichia coli (STEC) strains emerged as agents of human disease, two types of toxin were identified: Shiga toxin type 1 (Stx1) (almost identical to Shiga toxin produced by Shigella dysenteriae type 1) and the immunologically distinct type 2 (Stx2). Subsequently, numerous STEC strains have been characterized that express toxins with variations in amino acid sequence, some of which confer unique biological properties. These variants were grouped within the Stx1 or Stx2 type and often assigned names to indicate that they were not identical in sequence or phenotype to the main Stx1 or Stx2 type. A lack of specificity or consistency in toxin nomenclature has led to much confusion in the characterization of STEC strains. Because serious outcomes of infection have been attributed to certain Stx subtypes and less so with others, we sought to better define the toxin subtypes within the main Stx1 and Stx2 types. We compared the levels of relatedness of 285 valid sequence variants of Stx1 and Stx2 and identified common sequences characteristic of each of three Stx/Stx1 and seven Stx2 subtypes. A novel, simple PCR subtyping method was developed, independently tested on a battery of 48 prototypic STEC strains, and improved at six clinical and research centers to test the reproducibility, sensitivity, and specificity of the PCR. Using a consistent schema for nomenclature of the Stx toxins and stx genes by phylogenetic sequence-based relatedness of the holotoxin proteins, we developed a typing approach that should obviate the need to bioassay each newly described toxin and that predicts important biological characteristics.

In an ongoing outbreak of haemolytic uraemic syndrome and bloody diarrhoea caused by a virulent Escherichia coli strain O104:H4 in Germany (with some cases elsewhere in Europe and North America), 810 cases of the syndrome and 39 deaths have occurred since the beginning of May, 2011. We analysed virulence profiles and relevant phenotypes of outbreak isolates recovered in our laboratory.We analysed stool samples from 80 patients that had been submitted to the National Consulting Laboratory for Haemolytic Uraemic Syndrome in Münster, Germany, between May 23 and June 2, 2011. Isolates were screened with standard PCR for virulence genes of Shiga-toxin-producing E coli and a newly developed multiplex PCR for characteristic features of the outbreak strain (rfb(O104), fliC(H4), stx(2), and terD). Virulence profiles of the isolates were determined with PCR targeting typical virulence genes of Shiga-toxin-producing E coli and of other intestinal pathogenic E coli. We sequenced stx with Sanger sequencing and measured Shiga-toxin production, adherence to epithelial cells, and determined phylogeny and antimicrobial susceptibility.All isolates were of the HUSEC041 clone (sequence type 678). All shared virulence profiles combining typical Shiga-toxin-producing E coli (stx(2), iha, lpf(O26), lpf(O113)) and enteroaggregative E coli (aggA, aggR, set1, pic, aap) loci and expressed phenotypes that define Shiga-toxin-producing E coli and enteroaggregative E coli, including production of Shiga toxing 2 and aggregative adherence to epithelial cells. Isolates additionally displayed an extended-spectrum β-lactamase phenotype absent in HUSEC041.Augmented adherence of the strain to intestinal epithelium might facilitate systemic absorption of Shiga toxin and could explain the high progression to haemolytic uraemic syndrome. This outbreak demonstrates that blended virulence profiles in enteric pathogens, introduced into susceptible populations, can have extreme consequences for infected people.German Federal Ministry of Education and Research, Network Zoonoses.

Background Staphylococcus aureus is one of the most important human pathogens and methicillin-resistant variants (MRSAs) are a major cause of hospital and community-acquired infection. We aimed to map the geographic distribution of the dominant clones that cause invasive infections in Europe. Methods and Findings In each country, staphylococcal reference laboratories secured the participation of a sufficient number of hospital laboratories to achieve national geo-demographic representation. Participating laboratories collected successive methicillin-susceptible (MSSA) and MRSA isolates from patients with invasive S. aureus infection using an agreed protocol. All isolates were sent to the respective national reference laboratories and characterised by quality-controlled sequence typing of the variable region of the staphylococcal spa gene (spa typing), and data were uploaded to a central database. Relevant genetic and phenotypic information was assembled for interactive interrogation by a purpose-built Web-based mapping application. Between September 2006 and February 2007, 357 laboratories serving 450 hospitals in 26 countries collected 2,890 MSSA and MRSA isolates from patients with invasive S. aureus infection. A wide geographical distribution of spa types was found with some prevalent in all European countries. MSSA were more diverse than MRSA. Genetic diversity of MRSA differed considerably between countries with dominant MRSA spa types forming distinctive geographical clusters. We provide evidence that a network approach consisting of decentralised typing and visualisation of aggregated data using an interactive mapping tool can provide important information on the dynamics of MRSA populations such as early signalling of emerging strains, cross border spread, and importation by travel. Conclusions In contrast to MSSA, MRSA spa types have a predominantly regional distribution in Europe. This finding is indicative of the selection and spread of a limited number of clones within health care networks, suggesting that control efforts aimed at interrupting the spread within and between health care institutions may not only be feasible but ultimately successful and should therefore be strongly encouraged. Please see later in the article for the Editors' Summary

ABSTRACT Nonfermenting bacteria are ubiquitous environmental opportunists that cause infections in humans, especially compromised patients. Due to their limited biochemical reactivity and different morphotypes, misidentification by classical phenotypic means occurs frequently. Therefore, we evaluated the use of matrix-assisted laser desorption ionization-time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS) for species identification. By using 248 nonfermenting culture collection strains composed of 37 genera most relevant to human infections, a reference database was established for MALDI-TOF MS-based species identification according to the manufacturer's recommendations for microflex measurement and MALDI BioTyper software (Bruker Daltonik GmbH, Leipzig, Germany), i.e., by using a mass range of 2,000 to 20,000 Da and a new pattern-matching algorithm. To evaluate the database, 80 blind-coded clinical nonfermenting bacterial strains were analyzed. As a reference method for species designation, partial 16S rRNA gene sequencing was applied. By 16S rRNA gene sequencing, 57 of the 80 isolates produced a unique species identification (≥99% sequence similarity); 11 further isolates gave ambiguous results at this threshold and were rated as identified to the genus level only. Ten isolates were identified to the genus level (≥97% similarity); and two isolates had similarity values below this threshold, were counted as not identified, and were excluded from further analysis. MALDI-TOF MS identified 67 of the 78 isolates (85.9%) included, in agreement with the results of the reference method; 9 were misidentified and 2 were unidentified. The identities of 10 randomly selected strains were 100% correct when three different mass spectrometers and four different cultivation media were used. Thus, MALDI-TOF MS-based species identification of nonfermenting bacteria provided accurate and reproducible results within 10 min without any substantial costs for consumables.

Abstract Multilocus sequence typing of 169 non-O157 enterohemorrhagic Escherichia coli (EHEC) isolated from patients with hemolytic uremic syndrome (HUS) demonstrated 29 different sequence types (STs); 78.1% of these strains clustered in 5 STs. From all STs and serotypes identified, we established a reference panel of EHEC associated with HUS (HUSEC collection).

ABSTRACT Enterococcus faecium , a common inhabitant of the human gut, has emerged in the last 2 decades as an important multidrug-resistant nosocomial pathogen. Since the start of the 21st century, multilocus sequence typing (MLST) has been used to study the molecular epidemiology of E. faecium . However, due to the use of a small number of genes, the resolution of MLST is limited. Whole-genome sequencing (WGS) now allows for high-resolution tracing of outbreaks, but current WGS-based approaches lack standardization, rendering them less suitable for interlaboratory prospective surveillance. To overcome this limitation, we developed a core genome MLST (cgMLST) scheme for E. faecium . cgMLST transfers genome-wide single nucleotide polymorphism (SNP) diversity into a standardized and portable allele numbering system that is far less computationally intensive than SNP-based analysis of WGS data. The E. faecium cgMLST scheme was built using 40 genome sequences that represented the diversity of the species. The scheme consists of 1,423 cgMLST target genes. To test the performance of the scheme, we performed WGS analysis of 103 outbreak isolates from five different hospitals in the Netherlands, Denmark, and Germany. The cgMLST scheme performed well in distinguishing between epidemiologically related and unrelated isolates, even between those that had the same sequence type (ST), which denotes the higher discriminatory power of this cgMLST scheme over that of conventional MLST. We also show that in terms of resolution, the performance of the E. faecium cgMLST scheme is equivalent to that of an SNP-based approach. In conclusion, the cgMLST scheme developed in this study facilitates rapid, standardized, and high-resolution tracing of E. faecium outbreaks.

ABSTRACT Multidrug-resistant nosocomial pathogens present a major burden for hospitals. Rapid cluster identification and pathogen profiling, i.e., of antibiotic resistance and virulence genes, are crucial for effective infection control. Methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA), in particular, is now one of the leading causes of nosocomial infections. In this study, whole-genome sequencing (WGS) was applied retrospectively to an unusual spike in MRSA cases in two intensive care units (ICUs) over the course of 4 weeks. While the epidemiological investigation concluded that there were two separate clusters, each associated with one ICU, S. aureus protein A gene ( spa ) typing data suggested that they belonged to single clonal cluster (all cases shared spa type t001). Standardized gene sets were used to extract an allele-based profile for typing and an antibiotic resistance and toxin gene profile. The WGS results produced high-resolution allelic profiles, which were used to discriminate the MRSA clusters, corroborating the epidemiological investigation and identifying previously unsuspected transmission events. The antibiotic resistance profile was in agreement with the original clinical laboratory susceptibility profile, and the toxin profile provided additional, previously unknown information. WGS coupled with allelic profiling provided a high-resolution method that can be implemented as regular screening for effective infection control.

ABSTRACT Whole-genome sequencing (WGS) has emerged today as an ultimate typing tool to characterize Listeria monocytogenes outbreaks. However, data analysis and interlaboratory comparability of WGS data are still challenging for most public health laboratories. Therefore, we have developed and evaluated a new L. monocytogenes typing scheme based on genome-wide gene-by-gene comparisons (core genome multilocus the sequence typing [cgMLST]) to allow for a unique typing nomenclature. Initially, we determined the breadth of the L. monocytogenes population based on MLST data with a Bayesian approach. Based on the genome sequence data of representative isolates for the whole population, cgMLST target genes were defined and reappraised with 67 L. monocytogenes isolates from two outbreaks and serotype reference strains. The Bayesian population analysis generated five L. monocytogenes groups. Using all available NCBI RefSeq genomes ( n = 36) and six additionally sequenced strains, all genetic groups were covered. Pairwise comparisons of these 42 genome sequences resulted in 1,701 cgMLST targets present in all 42 genomes with 100% overlap and ≥90% sequence similarity. Overall, ≥99.1% of the cgMLST targets were present in 67 outbreak and serotype reference strains, underlining the representativeness of the cgMLST scheme. Moreover, cgMLST enabled clustering of outbreak isolates with ≤10 alleles difference and unambiguous separation from unrelated outgroup isolates. In conclusion, the novel cgMLST scheme not only improves outbreak investigations but also enables, due to the availability of the automatically curated cgMLST nomenclature, interlaboratory exchange of data that are crucial, especially for rapid responses during transsectorial outbreaks.

Pigs, cattle and poultry are colonized with MRSA and the zoonotic transmission of such MRSA to humans via direct animal contact, environmental contaminations or meat are a matter of concern. Livestock-associated (LA) MRSA are mostly belonging to clonal complex (CC) 398 as defined by multilocus sequence typing. However, MRSA of other clonal lineages including CC5, CC9 and CC97 have also been detected in livestock animals in Germany. Within the framework of a Dutch-German network project (EUREGIO), 14,036 MRSA isolated from clinical and screening specimens (January 2008 - June 2012) derived from human patients in hospitals as well as general or specialized practices in a German region characterized by a high density of livestock production, were subjected to S. aureus protein A (spa) sequence typing. The prevalence of putative LA-MRSA among the human MRSA isolates was determined by analyzing the detection of livestock-indicator (LI) spa types which had already been reported in German livestock. Overall, 578 spa types were detected among the MRSA isolates. LI spa types t011, t034, t108, t1451, t2011, t571, t1456, t1250, t1255, t1580, t2970, t2346, t1344, t2576, t2330 and t2510 (all of which are indicative for LA-MRSA CC398) accounted for 18.6% of all human isolates. The LI spa types t1430 (CC9), t3992 (CC97), t002 (CC5) and t007 (CC30) were found in 0.14%, 0.01%, 1.01% and 0.04% of all human MRSA isolates, respectively. LI spa types associated with CC398 represented 23% of all MRSA from screening samples and a varying proportion among isolates from clinical specimens ranging between 0% in cerebrospinal fluid, 8% in blood cultures and 14% in deep respiratory fluids. Our findings indicate that LA-MRSA are a major cause for human infection and stress the need for close surveillance. Although LA-MRSA CC398 predominates, the occurrence of putative LA-MRSA from other clonal lineages should be monitored.