Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Геномный полиморфизм российской популяции Mycobacterium tuberculosis

ВАК РФ 03.00.03, Молекулярная биология

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Гвоздевский, Николай Александрович

Список сокращений

Введение

Глава I. Генетическая структура Mycobacterium tuberculosis, её вариабельность и факторы, определяющие вирулентность. Обзор литературы

Геном М. tuberculosis и характерные особенности патогена на примере штамма H37R.V

Генетическая вариабельность М. tuberculosis

Геномные и белковые факторы, определяющие вирулентность М. tuberculosis

Глава И. Результаты и обсуждение

Метод вычитающей гибридизации и его применение для полногеномного сравнения внутривидовых вариантов М. tuberculosis

Полногеномное сравнение штаммов М. tuberculosis HN878 и CDC1551, вызывающих различные клинические формы туберкулёза

Полногеномное сравнение российских клинических штаммов

М. tuberculosis со штаммом H37Rv

Исследование полиморфизма дифференциальных локусов в популяции клинических штаммов М. tuberculosis, циркулирующих на территории

Российской Федерации

Введение Диссертация по биологии, на тему "Геномный полиморфизм российской популяции Mycobacterium tuberculosis"

Туберкулёз - хроническое инфекционное заболевание, вызываемое грамположительной бактерией Mycobacterium tuberculosis. Согласно данным последнего глобального мониторинга, треть мировой популяции заражена этим патогеном [1]. Несмотря на применение краткосрочной хемотерапии и вакцинации с помощью вакцины БЦЖ, борьба с туберкулёзной бациллой остаётся серьезной проблемой здравоохранения. Всё шире распространяется явление лекарственной устойчивости возбудителя ко многим противотуберкулёзным препаратам, а также смертельный вариант заражения М. tuberculosis ВИЧ-инфицированных индивидуумов.

Считается, что предок так называемого туберкулёзного комплекса, в который входят М. tuberculosis, М. bovis, М. bovis BCG, М. africanum и М. microti (МТК - микобактерии туберкулёзного комплекса), произошёл от почвенной бактерии, и что бацилла, поражающая человека, могла возникнуть из бычьей формы вслед за одомашниванием крупного рогатого скота [2]. Впрочем, не так давно эта версия была подвергнута сомнению, и было высказано предположение, что предковый патоген уже был способен инфицировать человеческий организм [3]. Возникновение современной популяции М. tuberculosis связывают с клональным распространением патогена после прохождения так называемого эволюционного «бутылочного горлышка», время её возникновения оценивается в 15-35 тыс. лет назад [4, 5, 6]. Важной характерной чертой современной популяции М. tuberculosis является отсутствие горизонтального переноса генетического материала [6, 7].

К характерным чертам М. tuberculosis как прокариотического организма можно отнести медленное клеточное деление, способность находиться в латентном состоянии, сложное устройство клеточной стенки, внутриклеточный характер патогенеза. Несмотря на отсутствие горизонтального переноса и относительно низкий уровень внутривидовой генетической изменчивости [6, 8, 9], важной проблемой на данный момент является большое фенотипическое разнообразие популяции М. tuberculosis. Штаммы этого микроорганизма демонстрируют различную лекарственную устойчивость и патогенные характеристики, вызывая заболевания разной степени тяжести. Подобные фенотипические отличия связаны прежде всего с изменчивостью ряда генов, которая обеспечивает постоянное возникновение новых вариантов внутри вида [10].

В настоящее время применяется множество экспериментальных подходов, позволяющих группировать штаммы М. tuberculosis согласно их геномным характеристикам и проводить определение неизвестного штамма, относя его к той или иной генотипической группе. Тем не менее, все существующие методы генотипирования преимущественно основаны на полиморфизме повторяющихся последовательностей генома или коротких некодирующих последовательностей [11]. Эти методы не дают возможности соотносить структурную вариабельность патогена с его функциональными характеристиками. Высокоэффективный метод генотипирования, основанный на вариабельности кодирующих геномных последовательностей, может иметь преимущества перед остальными экспериментальными подходами и использоваться как для диагностических целей, так и для изучения филогенетических отношений между различными штаммами М. tuberculosis.

Заключение Диссертация по теме "Молекулярная биология", Гвоздевский, Николай Александрович

выводы.

1.) Оптимизирован метод ПДРФ вычитающей гибридизации для проведения полногеномного сравнения близкородственных бактериальных штаммов.

2.) С использованием оптимизированного метода проведено сравнение геномов штаммов М. tuberculosis HN878 и CDC1551, вызывающих различные клинические формы заболевания тубуркулёзом. Идентифицировано и охарактеризовано 9 нуклеотидных последовательностей, отличающих геном штамма HN878 от генома штамма CDC1551.

3.) Проведено сравнение геномов четырёх российских клинических штаммов М. tuberculosis с геномом штамма H37R.V. Идентифицировано и охарактеризовано 12 нуклеотидных последовательностей, отличающих геномы российских штаммов от генома H37Rv. Все найденные последовательности находятся в высоковариабельных геномных областях.

4.) Установлено, что геном более вирулентного штамма 1540 содержит гены - кандидатные факторы вирулентности, отсутствующие в геномах менее вирулентных штаммов.

5.) Предложен способ генотипирования штаммов М. tuberculosis методом геномной ПЦР 12 локусов (ID-типирование). Эффективность и достоверность метода показана на коллекции 172 штаммов М. tuberculosis, циркулирующих в центральных регионах Российской Федерации.

6.) Обнаружен новый характеристический геномный локус, присутствующий только в геномах штаммов М. tuberculosis семейства W/Beijing.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Гвоздевский, Николай Александрович, Москва

1. Brosch R., Gordon S.V., Marmiesse M., et al., "A new evolutionary scenario for the Mycobacterium tuberculosis complex". Proc Natl Acad Sci USA, 2002. 99(6): p. 3684-9.

2. Kapur V., Whittam T.S. and Musser J.M., "Is Mycobacterium tuberculosis 15,000 years old?" J Infect Dis, 1994. 170(5): p. 1348-9.

3. Hirsh A.E., Tsolaki A.G., DeRiemer K., Feldman M.W. and Small P.M., "Stable association between strains of Mycobacterium tuberculosis and their human host populations". Proc Natl Acad Sci USA, 2004. 101(14): p. 4871-6.

4. Cole S.T., Brosch R., Parkhill J., et ah, "Deciphering the biology of Mycobacterium tuberculosis from the complete genome sequence". Nature, 1998. 393(6685): p. 537-44.

5. Fleischmann R.D., Alland D., Eisen J.A., et ah, "Whole-genome comparison of Mycobacterium tuberculosis clinical and laboratory strains". JBacteriol, 2002. 184(19): p. 5479-90.

6. Malik A.N. and Godfrey-Faussett P., "Effects of genetic variability of Mycobacterium tuberculosis strains on the presentation of disease". Lancet Infect Dis, 2005. 5(3): p. 174-83.

7. Kanduma E., McHugh T.D. and Gillespie S.H., "Molecular methods for Mycobacterium tuberculosis strain typing: a users guide". JAppl Microbiol, 2003. 94(5): p. 781-91.

8. Philipp W.J., Poulet S., Eiglmeier K., et ah, "An integrated map of the genome of the tubercle bacillus, Mycobacterium tuberculosis H37Rv, and comparison with Mycobacterium leprae". Proc Natl Acad Sci USA, 1996.93(7): p. 3132-7.

9. Camus J.C., Pryor M.J., Medigue C. and Cole S.T., "Re-annotation of the genome sequence of Mycobacterium tuberculosis H37Rv". Microbiology, 2002. 148(Pt 10): p. 2967-73.

10. Cole S.T. and Saint Girons I., "Bacterial genomics". FEMS Microbiol Rev, 1994. 14(2): p. 139-60.

11. Gordon S.V., Heym В., Parkhill J., Barrell B. and Cole S.T., "New insertion sequences and a novel repeated sequence in the genome of Mycobacterium tuberculosis H37Rv". Microbiology, 1999. 145 ( Pt 4): p. 881-92.

12. Mahairas G.G., Sabo P.J., Hickey M.J., Singh D.C. and Stover C.K., "Molecular analysis of genetic differences between Mycobacterium bovis BCG and virulent M. bovis". J Bacteriol, 1996. 178(5): p. 1274-82.

13. Blattner F.R., Plunkett G., 3rd, Bloch C.A., et ah, "The complete genome sequence of Escherichia coli K-12". Science, 1997. 277(5331): p. 1453-74.

14. Kunst F., Ogasawara N., Moszer I., et ah, "The complete genome sequence of the gram-positive bacterium Bacillus subtilis". Nature, 1997.390(6657): p. 249-56.

15. Gobin J., Moore C.H., Reeve J.R., Jr., Wong D.K., Gibson B.W. and Horwitz M.A., "Iron acquisition by Mycobacterium tuberculosis: isolation and characterization of a family of iron-binding exochelins". Proc Natl Acad Sci USA, 1995. 92(11): p. 5189-93.

16. Hopwood D.A., "Genetic Contributions to Understanding Polyketide Synthases". Chem Rev, 1997. 97(7): p. 2465-2498.

17. Marahiel M.A., Stachelhaus T. and Mootz H.D., "Modular Peptide Synthetases Involved in Nonribosomal Peptide Synthesis". Chem Rev, 1997. 97(7): p. 2651-2674.

18. Telenti A., Imboden P., Marchesi F., Lowrie D., Cole S., Colston M.J., Matter L., Schopfer K. and Bodmer Т., "Detection of rifampicin-resistance mutations in Mycobacterium tuberculosis". Lancet, 1993.341(8846): p. 647-50.

19. Williams D.L., Waguespack C., Eisenach K., et al., "Characterization of rifampin-resistance in pathogenic mycobacteria". Antimicrob Agents Chemother, 1994. 38(10): p. 2380-6.

20. Musser J.M., "Antimicrobial agent resistance in mycobacteria: molecular genetic insights". Clin Microbiol Rev, 1995. 8(4): p. 496-514.

21. Zhang Y., Heym В., Allen В., Young D. and Cole S., "The catalase-peroxidase gene and isoniazid resistance of Mycobacterium tuberculosis". Nature, 1992. 358(6387): p. 591-3.

22. Zhang Y. and Young D.B., "Molecular mechanisms of isoniazid: a drug at the front line of tuberculosis control". Trends Microbiol, 1993. 1(3): p. 109-13.

23. March F., Coll P., Costa R., Rodriguez P., Moreno C., Garrigo M. and Prats G., "Usefulness of DR, PGRS, and spoligotyping in the typing of Mycobacterium tuberculosis. Comparison with IS6110.". Enferm Infecc Microbiol Clin, 1996. 14(3): p. 160-6.

24. Kamerbeek J., Schouls L., Kolk A., et al., "Simultaneous detection and strain differentiation of Mycobacterium tuberculosis for diagnosis and epidemiology". J Clin Microbiol, 1997. 35(4): p. 907-14.

25. Gori A., Bandera A., Marchetti G., et al., "Spoligotyping and Mycobacterium tuberculosis". Emerg Infect Dis, 2005. 11(8): p. 1242-8.

26. Filliol I., Driscoll J.R., Van Soolingen D., et al., "Global distribution of Mycobacterium tuberculosis spoligotypes". Emerg Infect Dis, 2002. 8(11): p. 1347-9.

27. Bifani P.J., Mathema В., Kurepina N.E. and Kreiswirth B.N., "Global dissemination of the Mycobacterium tuberculosis W-Beijing family strains". Trends Microbiol, 2002. 10(1): p. 45-52.

28. Kubica Т., Agzamova R., Wright A., Aziz M.A., Rakishev G., Bismilda V., Richter E., Rusch-Gerdes S. and Niemann S., "The Beijing genotype is a major cause of drug-resistant tuberculosis in Kazakhstan". Int J Tuberc Lung Dis, 2005. 9(6): p. 646-53.

29. Cox H.S., Kubica Т., Doshetov D., Kebede Y., Rusch-Gerdess S. and Niemann S., "The Beijing genotype and drug resistant tuberculosis in the Aral Sea region of Central Asia". Respir Res, 2005. 6: p. 134.

30. Gori A., Esposti A.D., Bandera A., et al., "Comparison between spoligotyping and IS6110 restriction fragment length polymorphisms in molecular genotyping analysis of Mycobacterium tuberculosis strains". Mol Cell Probes, 2005. 19(4): p. 236-44.

31. Frothingham R. and Meeker-O'Connell W.A., "Genetic diversity in the Mycobacterium tuberculosis complex based on variable numbers of tandem DNA repeats". Microbiology, 1998. 144 ( Pt 5): p. 118996.

32. Kremer K., Arnold C., Cataldi A., et al., "Discriminatory power and reproducibility of novel DNA typing methods for Mycobacterium tuberculosis complex strains". J Clin Microbiol, 2005. 43(11): p. 5628-38.