Komparativní genomika nekultivovatelných patogenních treponemat: identifikace genetických rozdílů mezi původci syfilis a yaws

Mgr. Marie Zobaníková, Ph.D.

Doctoral thesis

Comparative genomics of uncultivatable pathogenic treponemes: identification of genetic differences between yaws and syphilis causing agents

Anotácia:

Rod Treponema zahrnuje několik blízce příbuzných nekultivovatelných zástupců. Kromě lidských patogenů, původců syfilis a endemických treponematóz, jsou to také původci onemocnění u zvířat. Tyto zástupce rodu Treponema nelze běžně používanými metodami morfologickými, imunologickými ani serologickými od sebe odlišit. Jednotlivé druhy a poddruhy se odlišují na základě epidemiologických charakteristik a rozdílné klinické manifestace onemocnění. Ovšem mechanismy jejich patogeneze ani virulence stále nejsou přesně objasněny. Jejich genomy vykazují velkou sekvenční podobnost. Metodou „whole genome fingerprinting“ byla zjištěna více než 99,5% identita mezi genomy poddruhů T. p. pallidum a T. p. pertenue. Příčinou rozdílné klinické manifestace obou onemocnění jsou tedy relativně malé genetické rozdíly mezi oběma poddruhy. V rámci dizertační práce byl proto sekvenován genom kmene T. p. subsp. pertenue Samoa D s využitím celogenomových sekvenačních metod pyrosekvenování, technologie Illumina a komparativního genomového sekvenování. Pro porovnání genomů patogenních treponemat pak byly využity celogenomové sekvence 3 kmenů T. p. subsp. pertenue, 5 kmenů T. p. subsp. pallidum, kmene Treponema paraluiscuniculi a treponemálního izolátu kmene Fribourg-Blanc. Porovnání genomů těchto kmenů bylo použito k určení genetické variability mezi patogenními nekultivovatelnými bakteriemi rodu Treponema. Možnost rozlišení druhů/poddruhů patogenních treponemat s využitím genů pro rRNA byla zkoumána sekvenací lokusů pro rRNA u dostupných laboratorních kmenů. Počet nukleotidových rozdílů mezi poddruhy pallidum a pertenue byl řádově 10x vyšší než mezi kmeny v rámci poddruhů. Nízká variabilita genomu kmene Fribourg-Blanc oproti kmenům TPE implikuje možné zařazení kmene do poddruhu pertenue. Nukleotidová divergence mezi kmenem Cuniculi A a kmeny pallidum i pertenue byla o řád vyšší než nukleotidová divergence mezi poddruhy pallidum a pertenue. Mezi všemi kmeny pallidum a pertenue bylo nalezeno 2493 rozdílných nukleotidů, které mohou mít vliv na rozdílnou patogenitu syfilis a yaws. Největší počet rozdílů je zahrnut ve skupině 33 genů kódujících proteiny s více než 6 aminokyselinovými rozdíly nebo prodlouženou/zkrácenou délkou. Získání kompletní nukleotidové sekvence kmenů T. pallidum subsp. pertenue pomohlo vymezit vnitrodruhovou genetickou variabilitu treponemat, odhalit nové cíle pro specifickou molekulární diagnostiku yaws a odhalit geny pravděpodobně zodpovědné za odlišnou klinickou manifestaci syfilis a yaws.

Abstract:

The genus Treponema contains several closely related uncultivable pathogenic species and subspecies. Strains of this group are causative agents of human treponemal diseases syphilis, endemic syphilis, yaws and pinta. Strains of this group are also causative agents of treponemal infection in primates, venereal spirochetosis in rabbits and similar disease in hares. The pathogenic Treponema are indistinguishable in terms of morphology, immunology and serological tests. Treponemal species and subspecies are therefore differentiated based on different epidemiological and clinical manifestations. Mechanisms of treponemal pathogenesis and virulence are still not clear. Whole genome fingerprinting method reavealed more than 99,5% identity between genomes of T. p. subsp. pallidum and T. p. subsp. pertenue. Therefore, only relatively small genetic differences between these two subspecies are responsible for different clinical manifestations of both diseases. My work partly focused on sequencing of T. p. subsp. pertenue Samoa D by several whole genome sequencing methods including pyrosequencing, Illumina technology and Comparative genome sequencing method. Another aim was to compare 3 strains of T. p. subsp. pertenue, 5 strains of T. p. subsp. pallidum, strain Treponema paraluiscuniculi and strain Fribourg-Blanc on a genomewide scale. The comparison of the genomes of these strains was used for determination of genetic variability among pathogenic bacteria of the genus Treponema. Sequencing of genes that codes for rRNA in laboratory treponemal strains was performed to test this locus for its ability to distinguish between subspecies/species. The number of nucleotide differences between subspecies pallidum and pertenue was 10times higher than variability among strains of the same subspecies. High sequence relatedness of strain Fribourg-Blanc and subsp. pertenue strains implicates that this strain belongs to subsp. pertenue. Nucleotide divergence between Cuniculi A strain and pallidum and pertenue strains was higher than between pallidum and pertenue strains. A set of 2493 different nucleotides between all strains of subsp. pallidum and all strains of subsp. pertenue likely represents different pathogenicity of strains causing syphilis and yaws. The highest number of differences was found in the group of 33 genes encoding proteins with more than 6 amino acid differences or elongated/truncated proteins.

Kľúčové slová

Treponema pallidum, Treponema pertenue, Treponema paraluiscuniculi, syfilis, yaws, endemická syfilis, komparativní genomika, genomové sekvenování, syphilis, endemic syphilis, comparative genomics, whole genome sequencing

Jazyk práce: Czech

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 21. 11. 2012

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 7. 12. 2012
• Vedúci: prof. MUDr. David Šmajs, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Medicine

Doctoral programme / odbor:
Medical Biology (4-years) / Medical Biology