Characterization of the Enterobacteriaceae-associated ROD21-like family of excisable genomic islands and study of excision in the pathogenicity island ROD21
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Date
2021
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Abstract
Las islas genómicas (IGs) son elementos adquiridos horizontalmente que juegan un
papel importante en la evolución del genoma y la adaptación bacteriana a diferentes ambientes,
ya que estos elementos transfieren genes que codifican diferentes funciones ventajosas para la
bacteria, por ejemplo: la capacidad de metabolizar nuevos sustratos, la resistencia a los
antimicrobianos o la virulencia, entre otras. Además de estas funciones, muchas IGs también
contienen un módulo de escisión/integración que incluye los genes que codifican la maquinaria
molecular (la enzima integrasa y el factor de direccionalidad de recombinación) y las regiones
reguladoras necesarias que promueven una reacción de recombinación específica de sitio. Esta
reacción da como resultado la escisión de la isla del cromosoma como un elemento circular que
puede ser el sustrato para la transferencia por conjugación o puede reintegrarse. De manera
interesante, se ha encontrado evidencia que el estado escindido/integrado de algunas IGs tiene
un rol en la virulencia de las bacterias en su hospedador, aunque por ahora, este fenómeno se ha
observado solamente en dos IGs. La creciente disponibilidad de genomas bacterianos
secuenciados ha permitido la identificación y caracterización de varias IGs las cuales han sido
clasificadas en diferentes familias que comparten un set conservado de genes implicados en los
procesos de transferencia y escisión, que comparten vías reguladoras comunes. La identificación
y clasificación de las IGs permite comprender mejor su evolución, sus interacciones con su
hospedador y los mecanismos reguladores que rigen su transferencia a otras bacterias. Sin
embargo, muchas IGs aún no han sido clasificadas y la comprensión de su biología sigue siendo
limitada. La Región de Diferencia 21 (ROD21, por sus siglas en inglés) es una isla de patogenicidad escindible y movilizable que codifica algunos factores de virulencia involucrados
en la infección producida por Salmonella enterica serovar Enteritidis, un patógeno transmitido
por alimentos y una de las serovariedades de Salmonella de mayor prevalencia en el mundo.
Los experimentos realizados con cepas mutantes de Salmonella ser. Enteritidis que tienen una
capacidad reducida o alterada para escindir ROD2, mostraron un defecto en estas cepas para
invadir órganos internos en el modelo murino de infección. Un resultado que puede estar
relacionado con los cambios observados en la expresión de los genes en ROD21 y en otros loci
genómicos. Sin embargo, aunque la escisión de ROD21 tiene un rol en la virulencia
de Salmonella ser. Enteritidis, se conoce muy poco acerca de la regulación de este proceso.
ROD21 también está presente en los serovares Gallinarum y Dublin, y aunque se ha reportado
la existencia de “islas relacionadas con ROD21”, no se conoce más acerca de este tema. En esta
Tesis Doctoral, se utilizaron diferentes herramientas bioinformáticas para
identificar islas relacionadas con ROD21 y analizar su filogenia y contenido genético. Estos
análisis revelaron que ROD21 pertenece a una familia de islas genómicas presentes en diferentes
cepas de bacterias patógenas de plantas y animales del orden Enterobacterales, la cual fue
denominada Enterobacteriaceae-associated ROD21-like (EARL). El análisis filogenético
sugiere que la familia EARL se originó en bacterias patógenas de plantas y que la adquisición
de genes específicos permitió su diseminación a diversos hospedadores bacterianos. Se encontró
también que, si bien estas islas codifican grupos de genes variables y conservados, el módulo
de escisión/integración fue la única región conservada en las 56 islas identificadas, incluida
ROD21, hallazgo que destaca la naturaleza escindible de la familia EARL como se demostró
para dos de sus miembros albergados por Klebsiella pneumoniae ST258 resistente a
carbapenémicos cepa KP35 y Escherichia coli enteropatógena O127:H6 cepa E2348/69. Cabe destacar que las islas EARL poseen genes que codifican homólogos cortos y de longitud
completa del regulador transcripcional global H-NS, una proteína involucrada en la regulación
de funciones bacterianas importantes como la virulencia y la transferencia horizontal de genes.
Como parte del módulo de integración /escisión conservado, se caracterizaron el gen SEN1998 y
su producto proteico purificado para evaluar su rol en la escisión de ROD21. Si
bien SEN1998 codifica un factor de direccionalidad de recombinación capaz de unirse a las
regiones de ADN involucradas en el proceso de escisión, la deleción de este gen solo produjo
una ligera reducción en el nivel de escisión. Sorpresivamente, los niveles de expresión
de SEN1998 resultaron estar correlacionados negativamente con la escisión de ROD21, una
característica que también se observó para el gen SEN1970 que codifica la integrasa. A pesar de
estos hallazgos, no está claro si la represión de SEN1998 y SEN1970, la cual ocurrió
inmediatamente antes que comenzara a aumentar la escisión, está relacionada a la regulación de
este proceso. En resumen, los resultados de esta Tesis amplían el repertorio de islas genómicas
escindibles identificadas, presenta información sobre su evolución y proporciona un primer
acercamiento a la comprensión de la regulación de la escisión en la isla de patogenicidad ROD21.
Estos hallazgos podrían contribuir a una mejor comprensión de los patógenos actuales y
emergentes como lo son las diferentes serovariedades de Salmonella, E. coli patógena y K.
pneumoniae ST258 resistente a carbapenémicos, entre otros.
Description
Tesis (Doctor en Ciencias con mención en Genética Molecular y Microbiología)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2021