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Dissertação de Mestrado
DOI
https://doi.org/10.11606/D.10.2020.tde-03122019-095404
Documento
Autor
Nome completo
Taiana Tainá Silva Pereira
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2019
Orientador
Banca examinadora
Guimarães, Ana Marcia de Sá (Presidente)
Patané, José Salvatore Leister
Souza, Paula Carolina de
Título em português
Sequenciamento, anotação e análise do genoma de Mycobacterium pinnipedii e genômica comparativa de espécies do Complexo Mycobacterium tuberculosis
Palavras-chave em português
Mycobacterium pinnipedii
Complexo Mycobacterium tuberculosis
Epítopos
Fatores de virulência
Genoma
Resumo em português
O Complexo Mycobacterium tuberculosis (MTBC) causa tuberculose em humanos e animais e é composto de 12 espécies bacterianas com diferentes tropismos por hospedeiros e perfis de virulência. O MTBC se originou na África, e evoluiu clonalmente por meio de mutações pontuais e deleções genéticas de até 12Kb. Apesar das variações fenotípicas, sequências homólogas de genomas do MTBC são 99,95% idênticas e transferências horizontais de genes são consideradas ausentes. Estudos compreensivos de genômica comparativa incluindo todas as espécies de MTBC a fim de identificar os determinantes genéticos dessas diferenças fenotípicas não estão disponíveis. Paralelamente, a recente descoberta de uma estirpe relacionada a Mycobacterium pinnipedii infectando múmias peruanas pré-colombianas, isto é, antes da introdução europeia da tuberculose nas Américas, levantou dúvidas quanto ao papel do M. pinnipedii na evolução do MTBC e sobre a co-evolução desses patógenos com populações humanas. Desta forma, esta dissertação tem como objetivos: (i) sequenciar e anotar os genomas completos de estirpes de M. pinnipedii isoladas de um leão marinho no Brasil e compará-los com outras estirpes da mesma espécie depositadas em bancos de dados públicos; (ii) produzir uma avaliação de genômica comparativa de todos as espécies descritas do MTBC a fim de identificar genes relacionados à virulência e à adaptabilidade ao hospedeiro. No primeiro estudo, foi realizado o sequenciamento dos genomas completos de dois isolados de M. pinnipedii obtidos da carcaça de um leão marinho ( Otaria flavescens) encontrada no Rio Grande do Sul. Análises comparativas das mutações encontradas nesses genomas indica que esse animal estava infectado por duas estirpes diferentes desta bactéria. Este achado constitui o primeiro relato de infecção mista por M. pinipedii nesta espécie hospedeira e sugere que o patógeno é altamente endêmico na população de origem deste animal. Em contraste com estirpes de M. tuberculosis, a genômica comparativa entre estirpes modernas e antigas de M. pinnipedii depositadas em bancos de dados públicos indica proteomas altamente conservados e a ocorrência de um decaimento gênico através de deleções e pseudogenização, em um processo ativo de redução do genoma que vem ocorrendo há, pelo menos, 1.000 anos. Por fim, duas linhagens filogenéticas, modernas de M. pinnipedii foram detectadas globalmente, circunscritas por geografia e, consequentemente, por espécies hospedeiras. No segundo estudo, o objetivo foi investigar a presença e conservação de epítopos de células T e fatores de virulência no genoma core, acessório e espécie específico de 205 estirpes do MTBC. A estrutura do pan-genoma do MTBC mostra que a maioria das proteínas (832.234/866.916, 96,00%) está no genoma core, que é composto por proteínas importantes para a sobrevivência bacteriana. A análise da arquitetura do genoma acessório de MTBC com a distribuição dos epítopos mostrou, pela primeira vez, um mecanismo de variação antigênica de epítopos de células T baseado na perda de genes. Adicionalmente, foi possível observar variações significativas na quantidade de genes relacionados aos fatores de virulência, principalmente em estirpes de M. pinnipedii e M. africanum , sugerindo que a perda gênica relacionada à virulência possui importante papel nos fenótipos bacterianos. Em conclusão, os resultados apresentados contribuem para o entendimento da interação patógeno-hospedeiro de M. pinnipedii e outros membros do MTBC, sugerindo marcadores genéticos importantes dessa interação, e elucidando efeitos de pressões seletivas na determinação dos fenótipos de adaptabilidade hospedeira e virulência do grupo clonal MTBC.
Título em inglês
Sequencing, annotation and analysis of the Mycobacterium pinnipedii genome and comparative genomics of Mycobacterium tuberculosis complex species
Palavras-chave em inglês
Mycobacterium pinnipedii
Mycobacterium tuberculosis complex
Epitope
Genome
Virulence factors
Resumo em inglês
The Mycobacterium tuberculosis Complex (MTBC) causes tuberculosis in humans and animals and is composed of 12 bacterial species with different host tropisms and virulence profiles. MTBC originated in Africa and evolved clonally through point mutations and genetic deletions of up to 12Kb. Despite phenotypic variations, homologous sequences of MTBC genomes are 99.95% identical and horizontal gene transfers are considered absent. Comprehensive comparative genomics studies including all MTBC species to identify the genetic determinants of these phenotypic differences are not available. At the same time, the recent discovery of a strain related to Mycobacterium pinnipedii infecting pre-Columbian Peruvian mummies, i.e. prior to the European introduction of tuberculosis in the Americas, raised doubts about the role of M. pinnipedii in the evolution of MTBC and the co-evolution of these pathogens with human populations. Thus, the aims of this study were to: (i) sequence and annotate the complete genomes of M. pinnipedii strains isolated from a sea lion in Brazil and compare them with other strains of the same species deposited in public databases; (ii) produce a comparative genomic evaluation of all described MTBC species to identify genes related to virulence and host adaptability. In the first study we sequenced the complete genomes of two M. pinnipedii isolates obtained from the carcass of a sea lion ( Otaria flavescens ) found in Rio Grande do Sul. Comparative analysis of mutations found in these genomes indicates that this animal was infected with two different strains of this bacterium. This finding is the first report of mixed M. pinipedii infection in this host species and suggests that the pathogen is highly endemic in the source population of this animal. In contrast to M. tuberculosis strains, the comparative genomics of ancient and modern M. pinnipedii strains deposited in public databases indicate highly conserved proteomes and the occurrence of gene decay through deletions and pseudogenization in an active process of genome reduction occurring for at least 1,000 years. Finally, two modern phylogenetic strains of M. pinnipedii were detected globally, circumscribed by geography and, consequently, by host species. In the second study, the aim was to investigate the presence and conservation of T cell epitopes and virulence factors in the core, accessory and strain-specific genomes of 205 MTBC strains. The MTBC pan-genome structure shows that most proteins (832,234/866,916, 96.00%) are in the core genome, which is composed of proteins important for bacterial survival. Analysis of the MTBC accessory genome architecture with epitope distribution showed, for the first time, a mechanism of antigenic T cell epitope variation based on gene loss. Additionally, it was possible to observe significant variations in the number of genes related to virulence factors, mainly in M. pinnipedii and Mycobacterium africanum strains, suggesting that virulence- related gene loss plays an important role in determining bacterial phenotypes. In conclusion, the results presented contribute to the understanding of the pathogen-host interaction of M. pinnipedii and other MTBC members, suggesting important genetic markers of this interaction, and elucidating the effects of selective pressures in the determination of host adaptability and virulence phenotypes of the clonal group MTBC.
 
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Data de Publicação
2020-04-29
 
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