Uropathogenic Escherichia coli (UPEC) cause most uncomplicated urinary tract infections (UTIs) in humans. Because UTIs are considered to occur in an ascending manner, flagellum-mediated motility has been suggested to contribute to virulence by enabling UPEC to disseminate to the upper urinary tract. Previous studies from our laboratory and others have demonstrated a modest yet important role for flagella during ascending UTI. To better understand the role of flagella in vivo, we used biophotonic imaging to monitor UPEC infection and temporospatial flagellin gene expression during ascending UTI. Using em7-lux (constitutive) and fliC-lux transcriptional fusions, we show that flagellin expression by UPEC coincides with ascension of the ureters and colonization of the kidney. The patterns of fliC luminescence observed in vitro and in vivo were also validated by comparative quantitative PCR. Because fliC expression appeared coincident during ascension, we reassessed the contribution of fliC to ascending UTI using a low-dose intraurethral model of ascending UTI. Although wild-type UPEC were able to establish infection in the bladder and kidneys by 6 hours postinoculation, fliC mutant bacteria were able to colonize the bladder but were significantly attenuated in the kidneys at this early time point. By 48 hours postinoculation, the fliC mutant bacteria were attenuated in the bladder and kidneys and were not detectable in the spleen. These data provide compelling evidence that wild-type UPEC express flagellin and presumably utilize flagellum-mediated motility during UTI to ascend to the upper urinary tract and disseminate within the host.

Microbial pathogenesis studies traditionally encompass dissection of virulence properties such as the bacterium's ability to elaborate toxins, adhere to and invade host cells, cause tissue damage, or otherwise disrupt normal host immune and cellular functions. In contrast, bacterial metabolism during infection has only been recently appreciated to contribute to persistence as much as their virulence properties. In this study, we used comparative proteomics to investigate the expression of uropathogenic Escherichia coli (UPEC) cytoplasmic proteins during growth in the urinary tract environment and systematic disruption of central metabolic pathways to better understand bacterial metabolism during infection. Using two-dimensional fluorescence difference in gel electrophoresis (2D-DIGE) and tandem mass spectrometry, it was found that UPEC differentially expresses 84 cytoplasmic proteins between growth in LB medium and growth in human urine (P<0.005). Proteins induced during growth in urine included those involved in the import of short peptides and enzymes required for the transport and catabolism of sialic acid, gluconate, and the pentose sugars xylose and arabinose. Proteins required for the biosynthesis of arginine and serine along with the enzyme agmatinase that is used to produce the polyamine putrescine were also up-regulated in urine. To complement these data, we constructed mutants in these genes and created mutants defective in each central metabolic pathway and tested the relative fitness of these UPEC mutants in vivo in an infection model. Import of peptides, gluconeogenesis, and the tricarboxylic acid cycle are required for E. coli fitness during urinary tract infection while glycolysis, both the non-oxidative and oxidative branches of the pentose phosphate pathway, and the Entner-Doudoroff pathway were dispensable in vivo. These findings suggest that peptides and amino acids are the primary carbon source for E. coli during infection of the urinary tract. Because anaplerosis, or using central pathways to replenish metabolic intermediates, is required for UPEC fitness in vivo, we propose that central metabolic pathways of bacteria could be considered critical components of virulence for pathogenic microbes.

ABSTRACT Klebsiella pneumoniae is a leading cause of Gram-negative bacteremia, which is a major source of morbidity and mortality worldwide. Gram-negative bacteremia requires three major steps: primary site infection, dissemination to the blood, and bloodstream survival. Since K. pneumoniae is a leading cause of healthcare-associated pneumonia, the lung is a common primary infection site leading to secondary bacteremia. K. pneumoniae factors essential for lung fitness have been characterized, but those required for subsequent bloodstream infection are unclear. To identify K. pneumoniae genes associated with dissemination and bloodstream survival, we performed insertion site sequencing (InSeq) using a pool of >25,000 transposon mutants in a murine model of bacteremic pneumonia. This analysis revealed the gene gmhB as important for either dissemination from the lung or bloodstream survival. In Escherichia coli , GmhB is a partially redundant enzyme in the synthesis of ADP-heptose for the lipopolysaccharide (LPS) core. To characterize its function in K. pneumoniae , an isogenic knockout strain (Δ gmhB ) and complemented mutant were generated. During pneumonia, GmhB did not contribute to lung fitness and did not alter normal immune responses. However, GmhB enhanced bloodstream survival in a manner independent of serum susceptibility, specifically conveying resistance to spleen-mediated killing. In a tail-vein injection of murine bacteremia, GmhB was also required by K. pneumoniae , E. coli and Citrobacter freundii for optimal bloodstream survival. Together, this study identifies GmhB as a conserved Gram-negative bacteremia fitness factor that acts through LPS-mediated mechanisms to enhance bloodstream survival. IMPORTANCE Klebsiella pneumoniae frequently causes healthcare-associated infections including pneumonia and bacteremia. This is particularly concerning due to emerging antimicrobial resistance and the propensity for bacteremia to initiate sepsis, which has high mortality and is the most expensive hospital-treated condition. Defining mechanisms of bloodstream survival is critical to understanding the pathology of bacteremia and identifying novel targets for future therapies. In this study, we identified the K. pneumoniae enzyme GmhB as a bloodstream-specific fitness factor that enables the bacteria to survive in the spleen but is dispensable in the lung. Furthermore, GmhB is also needed by the related bacterial pathogens Escherichia coli and Citrobacter freundii to cause bacteremia. Conserved bacteremia fitness factors such a GmhB could be the basis for future therapeutics that would alleviate significant disease caused by from multiple diverse pathogens.

Abstract Gram-negative bacteremia is a major cause of global morbidity involving three phases of pathogenesis: initial site infection, dissemination, and survival in the blood and filtering organs. Klebsiella pneumoniae is a leading cause of bacteremia and pneumonia is often the initial infection. In the lung, K. pneumoniae relies on many factors like capsular polysaccharide and branched chain amino acid biosynthesis for virulence and fitness. However, mechanisms directly enabling bloodstream fitness are unclear. Here, we performed transposon insertion sequencing (TnSeq) in a tail-vein injection model of bacteremia and identified 58 K. pneumoniae bloodstream fitness genes. These factors are diverse and represent a variety of cellular processes. In vivo validation revealed tissue-specific mechanisms by which distinct factors support bacteremia. ArnD, involved in Lipid A modification, was required across blood filtering organs and supported resistance to soluble splenic factors. The purine biosynthesis enzyme PurD largely enhanced liver fitness and was required for replication in serum. PdxA, a member of the endogenous vitamin B6 biosynthesis pathway, optimized replication in serum and lung fitness. The stringent response regulator SspA was required for splenic fitness yet was dispensable in the liver. In a bacteremic pneumonia model that incorporates initial site infection and dissemination, splenic fitness defects were enhanced, and DsbA, SspA, and PdxA increased fitness across bacteremia phases. SspA and PdxA enhanced K. pnuemoniae resistance to oxidative stress. SspA specifically resists oxidative stress produced by NADPH oxidase Nox2 in the lung, spleen, and liver, as it was a fitness factor in wild-type but not Nox2-deficient ( Cybb −/− ) mice. These results identify site-specific fitness factors that act during the progression of Gram-negative bacteremia. Defining K. pneumoniae fitness strategies across bacteremia phases could illuminate therapeutic targets that prevent infection and sepsis. Author Summary Gram-negative bacteremia is a deadly family of infections that initiate sepsis, a leading cause of global morbidity and mortality. Only a small number of Gram-negative species contribute to the majority of clinical bacteremia. Klebsiella pneumoniae is the second leading cause of Gram-negative bacteremia, and the third leading cause of overall bloodstream infection. K. pneumoniae is highly linked to hospital-associated infection with increasing antimicrobial resistance, endangering the most vulnerable patients. It is critical to understand the pathogenesis of K. pneumoniae bacteremia to better develop targets for future therapies that can prevent these deadly infections. Here, we define over 50 K. pneumoniae genes that support bloodstream fitness. These factors are diverse, support tissue-specific fitness, and increase bacterial resistance to oxidative stress. Our study is the first to systematically define K. pneumoniae factors enhancing bacteremia in a mammalian system. These results illuminate host-pathogen interactions during K. pneumoniae bacteremia that may be extended to additional Gram-negative species.

Abstract Hypervirulent K. pneumoniae (hvKp) is a distinct pathotype that causes invasive community-acquired infections in healthy individuals. Hypermucoviscosity (hmv) is a major phenotype associated with hvKp characterized by copious capsule production and poor sedimentation. Dissecting the individual functions of CPS production and hmv in hvKp has been stymied by the conflation of these two properties. Although hmv requires capsular polysaccharide (CPS) biosynthesis, other cellular factors may also be required and some fitness phenotypes ascribed to CPS may be distinctly attributed to hmv. To address this challenge, we systematically identified genes that impact capsule and hmv. We generated a condensed, ordered transposon library in hypervirulent strain KPPR1, then evaluated the CPS production and hmv phenotypes of the 3,733 transposon mutants, representing 72% of all open reading frames in the genome. We employed forward and reverse genetic screens to evaluate effects of novel and known genes on CPS biosynthesis and hmv. These screens expand our understanding of core genes that coordinate CPS biosynthesis and hmv, as well as identify central metabolism genes that distinctly impact CPS biosynthesis or hmv, specifically those related to purine metabolism, pyruvate metabolism and the TCA cycle. Six representative mutants, with varying levels of CPS production and hmv, were all significantly out-competed by wildtype in a murine model of disseminating pneumonia. This suggests that an optimal balance between cellular energetics, CPS biosynthesis and hmv are required for maximal fitness. Altogether, these data demonstrate that hmv requires both CPS biosynthesis and other cellular factors, and that these processes are integrated into the metabolic status of the cell. Therefore, hvKp may require certain nutrients to fully elaborate its virulence-associated properties to specifically cause deep tissue infections. Author summary Klebsiella pneumoniae is a common multi-drug resistant hospital-associated pathogen, however some isolates are capable of causing community-acquired infections in otherwise healthy individuals. The strains causing community-acquired infections have some distinguishing characteristics, which include overproduction of capsule and hypermucoviscosity. Hypermucoviscous strains are very tacky and sediment poorly when centrifuged. Historically, hypermucoviscosity has been attributed to overproduction of capsular polysaccharide, but recent data suggest that other factors contribute to this bacterial phenotype. Moreover, it seems that capsule and hypermucoviscosity may have distinct roles in pathogenesis. In this study, we sought to systematically investigate the genes that contribute to capsule and hypermucoviscosity. We found that in most cases, genes coordinately impact both capsule biosynthesis and hypermucoviscosity. Some metabolic genes linked to the TCA cycle, however, only affect one of these properties. Here, we identify that capsule biosynthesis and hypermucoviscosity are tightly tied to central metabolism and that an optimal balance between metabolism, capsule, and hypermucoviscosity are important for in vivo fitness of K. pneumoniae . These results identify genes that can be further probed to dissect how capsule and hypermucoviscosity are coordinated in response to niche-specific nutrients. Such studies will expand our understanding of the factors that drive the pathobiology of hypervirulent K. pneumoniae .

ABSTRACT Bacteremia, a systemic infection associated with severe clinical outcomes, is often caused by Gram-negative facultative anaerobes. ArcAB, a two-component regulatory system that represses aerobic respiration, is a key mediator of metabolic adaptation for such bacteria. Using targeted mutational analysis informed by global genetic screens, we identified the arcA gene as promoting fitness of Klebsiella pneumoniae , Citrobacter freundii , and Serratia marcescens but not Escherichia coli in a murine model of bacteremia. Engineered mutants lacking arcA exhibit a dysregulated response to changes in oxygen availability, iron limitation, and membrane perturbations, all of which bacterial cells experience during infection. The genetic response of the arcA mutants relative to wild-type strains to the cationic antimicrobial peptide polymyxin B demonstrates an expanded role for ArcA as an activator in response to membrane damage in addition to metabolic adaptation. ArcA function is furthermore linked to electron transport chain activity based on its response to uncoupling of proton motive force by carbonyl cyanide- m -chlorophenylhydrazone (CCCP). Differences in lactate and acetate levels as well as lactate dehydrogenase activity between arcA mutant and wild-type cells following CCCP treatment establish an ArcA-mediated shift to fermentation independent of oxygen availability. This study highlights the semi-conserved role of ArcA during bacteremia and consolidates infection phenotypes into a comprehensive model based on respiratory activity. AUTHOR SUMMARY Infections of the bloodstream are life-threatening and can result in sepsis, an overreaction of the host immune system that ultimately damages the body. Gram-negative bacteria are responsible for causing many cases of bloodstream infections, also referred to as bacteremia. The long-term goal of our work is to understand how these bacteria establish and maintain infection during bacteremia. We have previously identified the transcription factor ArcA, which promotes fermentation in bacteria, as a likely contributor to the growth and survival of bacteria in this environment. Here, we study ArcA in the Gram-negative species Citrobacter freundii , Klebsiella pneumoniae, and Serratia marcescens. Our findings aid in determining how these bacteria sense their environment, utilize nutrients, and generate energy while also countering attacks from the host immune system. This information is critical for developing better models of infection to inform future therapeutic development.

Uropathogenic Escherichia coli (UPEC) is the primary causative agent of uncomplicated urinary tract infections (UTIs). UPEC fitness and virulence determinants have been evaluated in a variety of laboratory settings that include a well-established mouse model of UTI. However, the extent to which bacterial physiology differs between experimental models and human infections remains largely understudied. To address this important question, we compared the transcriptomes of three different UPEC isolates in human infection and a variety of laboratory conditions including LB culture, filter-sterilized urine culture, and the UTI mouse model. We observed high correlation in gene expression between the mouse model and human infection in all three strains examined (Pearson correlation coefficient of 0.86-0.87). Only 175 of 3,266 (5.4%) genes shared by all three strains had significantly different expression levels, with the majority of them (145 genes) down-regulated in patients. Importantly, gene expression of both canonical virulence factors and metabolic machinery were highly similar between the mouse model and human infection, while the in vitro conditions displayed more substantial differences. Interestingly, comparison of gene expression between the mouse model and human infection hint at differences in bladder oxygenation as well as nutrient composition. In summary, our work strongly validates the continued use of this mouse model for the study of the pathogenesis of human UTI.

Urinary tract infections (UTI) affect half of all women at least once during their lifetime. The rise in extended-spectrum beta-lactamase-producing strains and potential for carbapenem resistance within uropathogenic Escherichia coli (UPEC), the most common causative agent of UTIs, creates an urgent need for vaccine development. Intranasal immunization of mice with UPEC outer membrane iron receptors, FyuA, Hma, IreA, or IutA, conjugated to cholera toxin, provides protection in the bladder or kidneys when challenged with UPEC CFT073 or 536. Based on these data, we sought to optimize the vaccination route (intramuscular, intranasal, or subcutaneous) in combination with adjuvants suitable for human use including alum, monophosphoryl lipid A (MPLA), unmethylated CpG synthetic oligodeoxynucleotides (CpG), polyinosinic:polycytodylic acid (polyIC), and mutated heat-labile E. coli enterotoxin (dmLT). Mice intranasally vaccinated with dmLT-IutA or dmLT-Hma displayed a significant reduction in bladder colonization (86-fold and 32-fold, respectively) with 40–42% of mice having no detectable colony forming units (CFU). Intranasal vaccination of mice with CpG-IutA and polyIC-IutA significantly reduced kidney colonization (131-fold) and urine CFU (22-fold), respectively. dmLT generated the most consistently robust antibody response in intranasally immunized mice, while MPLA and alum produced greater concentrations of antigen-specific serum IgG with intramuscular immunization. Based on these results, we conclude that intranasal administration of Hma or IutA formulated with dmLT adjuvant provides the greatest protection from UPEC UTI. This study advances our progress toward a vaccine against uncomplicated UTI, which will significantly improve the quality of life for women burdened by recurrent UTI and enable better antibiotic stewardship.

is a healthcare-associated pathogen that causes bloodstream infections, pneumonia, and urinary tract infections. The capsule polysaccharide of

Uropathogenic Escherichia coli (UPEC) is the major causative agent of uncomplicated urinary tract infections (UTIs). A common virulence genotype of UPEC strains responsible for UTIs is yet to be defined, due to the large variation of virulence factors observed in UPEC strains. We hypothesized that studying UPEC functional responses in patients might reveal universal UPEC features that enable pathogenesis. Here we identify a transcriptional program shared by genetically diverse UPEC strains isolated from 14 patients during uncomplicated UTIs. Strikingly, this in vivo gene expression program is marked by upregulation of translational machinery, providing a mechanism for the rapid growth within the host. Our analysis indicates that switching to more specialized catabolism and scavenging lifestyle in the host allows for the increased translational output. Our study identifies a common transcriptional program underlying UTIs and illuminates the molecular underpinnings that likely facilitate the fast growth rate of UPEC in infected patients.