Dekada molekularnej patogenomicznej analizy Streptococcus grupy A.

Molekularna analiza patogenomiczna bakteryjnego patogenu grupy A Streptococcus została przeprowadzona na dziesięć lat. Wiele się nauczyło w wyniku zbierania tanich metod sekwencjonowania DNA, technologii mikromacierzy, wysokoprzepustowej proteomiki i ulepszonej bioinformatyki. Te postępy techniczne, w połączeniu z dostępnością unikatowych kolekcji szczepów bakterii, ułatwiły strategię badawczą w zakresie biologii systemów zaprojektowaną w celu wzmocnienia i przyspieszenia zrozumienia procesów chorobowych. Tutaj przedstawiamy przykłady postępów dokonanych dzięki wykorzystaniu zintegrowanej platformy badawczej obejmującej cały genom, aby uzyskać nowy wgląd w patogenezę molekularną. Badania dostarczyły wielu nowych możliwości w zakresie badań podstawowych i translacyjnych. Wstęp Streptococcus grupy A (GAS) to bakteria Gram-dodatnia, która powoduje wiele chorób u ludzi, w tym zapalenie gardła i / lub zapalenie migdałków, infekcje skóry (w tym liszajec, różyczki i inne formy ropnego zapalenia skóry), ostra gorączka reumatyczna (ARF), szkarlatyna gorączka, poststreokokowe zapalenie kłębuszków nerkowych (PSGN), toksyczny zespół podobny do wstrząsu i martwicze zapalenie powięzi (NF) (1-3). Organizm jest patogenem przystosowanym do człowieka, to znaczy, że ludzie są naturalnymi żywicielami i nie ma rezerwuaru zwierzęcego lub środowiskowego, który przyczynia się do cyklu życiowego GAZU. Na całym świecie, ARF i reumatyczne choroby serca, które występują, są najczęstszą przyczyną możliwej do uniknięcia pediatrycznej choroby serca na całym świecie (4). W Stanach Zjednoczonych występuje 25. 35 milionów przypadków zapalenia gardła GAS rocznie, które odpowiadają za około 1. 2 miliardy dolarów rocznie na bezpośrednie koszty opieki zdrowotnej i 600 milionów przypadków rocznie na całym świecie (Tabela 1) (2, 3 ). Nadal wysoka zachorowalność i śmiertelność spowodowane przez GAS w krajach rozwijających się, znaczne obciążenie finansowe związane z kosztami opieki zdrowotnej związanymi z GAS w Stanach Zjednoczonych, rozwój i rozprzestrzenianie oporności na antybiotyki w tym patogenzie (5. 7) oraz brak licencjonowana ludzka szczepionka (8, 9) podkreśla potrzebę pełniejszego zrozumienia patogenezy molekularnej GAS. Szczególnie istotne jest zapotrzebowanie na informacje dotyczące zdarzeń molekularnych przyczyniających się do interakcji patogen-gospodarz, powstawania klonów i epidemii. Tabela Minimalne podsumowujące szacunki globalnego obciążenia chorobami GAS W ostatnich latach nastąpiło przesunięcie paradygmatu w sposobie badania problemów patogenezy drobnoustrojów. Zbieżność danych pochodzących z projektów sekwencjonowania genomu i rozwój technologii mikromacierzy pozwalają na zastosowanie strategii obejmującej cały genom do badań nad patogenezą, obecnie powszechnie nazywane badaniem patogenomiki molekularnej (10). Porównawcze sekwencjonowanie genomu i inne rodzaje analiz wielu izolatów tego samego patogennego gatunku bakterii ujawniły nieoczekiwanie duże ilości różnic w zakresie zawartości genów wewnątrzgatunkowych i odkrytych strategii stosowanych w dywersyfikacji genomu (11. 19). Szczepy niektórych gatunków bakterii różnią się zawartością genową nawet o 25% i mają rozległe zróżnicowanie alleliczne (11, 13, 15). Ta zadziwiająca wielkość zróżnicowania genetycznego zapewnia ogromną elastyczność adaptacyjną i wpływa na spektrum chorób klinicznych powodowanych przez różne klony gatunku. Na przykład genom serotypu E. coli O157: H7, który jest odpowiedzialny za zespół hemolityczno-mocznicowy, jest około 25% większy (tj. Około Mb DNA większy) niż wiele innych szczepów E. coli, które nie powodować znaczącą chorobę u ludzi (13). Podejście molekularnej patogeniki zostało zastosowane w GAS od prawie dziesięciu lat i dostarczyło nowych informacji o genetycznych podstawach patogenezy GAS, powstawaniu klonów i genotypie szczepu
[hasła pokrewne: podpisz wskazane części mózgowia i podaj ich najważniejsze funkcje, co zrobić jak ugryzie osa, biały nalot na wargach sromowych ]

Dekada molekularnej patogenomicznej analizy Streptococcus grupy A.

Kilka z tych procesów molekularnych przyczyniło się do niedawnego pojawienia się i międzykontynentalnego rozpowszechniania nowego klonu GAS serotypu M1 o różnych właściwościach wirulencji (22, 95. 97). Zrozumienie to ujawniło kilka linii prac, w tym charakterystyka porównawcza genomu przeprowadzona w kilku laboratoriach w ciągu prawie 20 lat (22, 46, 95, 96, 98, 99). Porównawcza analiza patogenomiczna dała dwa szczególnie ważne ustalenia (22). Po pierwsze, szczepy serotypu M1 o niskiej i wysokiej wirulencji różnią się zawartością bakteriofagów i miejscem integracji chromosomów (22). (więcej…)

Dekada molekularnej patogenomicznej analizy Streptococcus grupy A.

GAS rozwija się w miejscach śluzówkowych człowieka, a także powoduje niszczące infekcje inwazyjne. Szczepy wyizolowane z miejsc błon śluzowych są genetycznie nieodróżnialne od szczepów inwazyjnych za pomocą standardowych testów, takich jak serotypowanie białek M i typowanie sekwencji wielo-locus (89, 90). Techniki te indukują jednak tylko bardzo małą część genomu, co oznacza, że w dużym stopniu nie doceniają ilości występującej zmienności genetycznej. Korzystając z nowo opracowanych technik resekwencjonowania genomu, Sumby i in. (91) analizowali kompletne genomy izolatów GAS odzyskanych ze śledziony myszy, które zostały zainfekowane podskórnie. (więcej…)

Dekada molekularnej patogenomicznej analizy Streptococcus grupy A.

Takie zmiany są co najmniej częściowo spowodowane obwodem regulacyjnym kontrolowanym przez białko kontrolne katabolitem A (CcpA) (Figura 1) (59, 74. 78). Podobnie, badanie całego genomu dotyczące regulacji SpeB doprowadziło do odkrycia, że enzym katabolizmu laktozy (LacD.1) ewoluował, aby skoordynować zmiany w wytwarzaniu czynników wirulencji GAS w wyniku zmian w dostępności źródła węgla (Figura 1) (79) . Analiza zakończonych genomów GAS doprowadziła do odkrycia, że jeden z dwóch operonów laktozy GAS zachował kataboliczną rolę, podczas gdy drugi ewoluował funkcję regulacyjną (Figura 1) (80). Ryc. (więcej…)

Dekada molekularnej patogenomicznej analizy Streptococcus grupy A.

Biorąc pod uwagę, że wiele otwartych ramek odczytu w genomie GAS, które kodują domniemane białka powierzchniowe komórki, nie zostały jeszcze zbadane, wydaje się bardzo prawdopodobne, że dotychczas nieznane czynniki wirulencji GAS będą nadal odkrywane w nadchodzących latach. Rozszerzone zrozumienie szlaków regulacji wirulencji Jak wspomniano powyżej, genom GAS koduje szeroką gamę czynników wirulencji, które są krytyczne dla różnorodnych infekcji bakteryjnych (1). Jednym z ważnych wpływów badań genomowych GAS było dostarczenie lepszego zrozumienia molekularnego, w jaki sposób patogen koordynuje produkcję czynników wirulencji (56). W ukończonych genomach GAS znajduje się 13 konserwatywnych dwuskładnikowych układów regulacyjnych, z których tylko jeden został zbadany przed udostępnieniem pierwszej sekwencji genomu GAS w 2001 r. (57). (więcej…)

Dekada molekularnej patogenomicznej analizy Streptococcus grupy A.

W niniejszym dokumencie podkreślamy kluczowe ustalenia, które pokazują, że molekularna patogenomika może zostać użyta do znacznego przyspieszenia tempa uzyskiwania nowych informacji na temat długotrwałych i wcześniej trudnych pytań dotyczących chorób zakaźnych. Tylko dzięki zastosowaniu badań opartych na hipotezach i zastosowaniu nowych technologii, wyjaśnienie wydarzeń molekularnych leżących u podstaw procesów chorób zakaźnych przebiega z maksymalną wydajnością. Sekwencje genów GAS Pojęcia ogólne. Pełne sekwencje genomu, które są teraz dostępne dla 13 szczepów GAS, czynią go jednym z głębiej zsekwencjonowanych gatunków ludzkich patogenów (15, 20. 28). (więcej…)

Dekada molekularnej patogenomicznej analizy Streptococcus grupy A.

Odkrycie białek na powierzchni komórek GAS lub w supernatancie hodowli, którym brakuje tradycyjnych motywów związanych z powierzchniami komórkowymi i wydzielanymi białkami, było konsekwentnym badaniem proteomicznym, podkreślającym potrzebę eksperymentalnego sprawdzania prognoz na podstawie analiz bioinformatycznych (118, 120). . 123). Udoskonalone sposoby oddzielania składników powierzchni komórkowej GAS od komórek mogą dostarczyć dodatkowych informacji na temat nowych białek GAS, które są krytyczne dla interakcji gospodarz-patogen, a zatem są potencjalnymi kandydatami na szczepionki (124). W najobszerniejszym dotychczasowym badaniu dotyczącym szczepionki GAS, Rodriguez-Ortega i in. (więcej…)

Dekada molekularnej patogenomicznej analizy Streptococcus grupy A.

Analiza sekwencji DNA sprzężona z badaniami immunologicznymi zidentyfikowała duplikację czterech aminokwasów na końcu aminowym białka M w nowym subklone odpowiedzialnym za wiele inwazyjnych przypadków epidemii z 2000 roku (19). To powielenie spowodowało zmiany w liniowych epitopach komórek B, które spowodowały istotne różnice w zdolności ludzkich PMN do fagocytozyzacji i zabicia szczepów wariantem białka M (19). To kluczowe odkrycie wskazywało, że subtelne lub względnie niewielkie zmiany alleliczne mogą brać udział w powstawaniu klonów i utrzymywaniu się epidemii. Aby zidentyfikować geny drobnoustrojowe lub swoiste warianty alleliczne, które wpływają na wynik interakcji gospodarz-patogen, możliwe jest zastosowanie strategii analogicznej do tej powszechnie praktykowanej przy podejmowaniu badań asocjacyjnych całego genomu (GWAS). za pomocą metod genetycznych, takich jak analiza SNP o wysokiej gęstości. (więcej…)

Dekada molekularnej patogenomicznej analizy Streptococcus grupy A.

Istnieją znaczące eksperymentalne bariery projektowe i wykonawcze w celu ekstrapolacji podejścia obejmującego całe genety w celu lepszego zrozumienia podatności ludzi na infekcje GAS. Jednak kluczową kwestią jest to, że rosnąca dostępność narzędzi, takich jak analiza SNP w całym genomie, ma znaczącą szansę na zwiększenie naszej wiedzy na temat ludzkich determinantów gospodarza zakażenia GAS. Serotyp M28 i sepsa połogowa: patogenetyczne konsekwencje genomu chimerycznego Chociaż Streptococcus grupy B (GBS) jest dobrze znaną przyczyną poważnych infekcji noworodków lub matek, GAS może być również odpowiedzialny za te infekcje. Sekwencjonowanie genomu i badania nad patogenezą dostarczyły nieoczekiwanych wskazówek, dlaczego serotypy szczepów M28 GAS są wielokrotnie nadreprezentowane w przypadkach połogowej sepsy (gorączka z dzieci) (23). Postawiono hipotezę (23), że analiza sekwencji genomu serotypu M28 GAS, powodującego połogową posocznicę, zidentyfikuje nowe elementy genetyczne, które przyczyniły się do nadreprezentacji szczepów tego serotypu w tym typie infekcji. (więcej…)