La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

GENOMICA DEL BACILLO TUBERCOLARE Laura Rindi Dipartimento di Patologia Sperimentale, Biotecnologie Mediche Infettivologia ed Epidemiologia - Università

Presentazioni simili


Presentazione sul tema: "GENOMICA DEL BACILLO TUBERCOLARE Laura Rindi Dipartimento di Patologia Sperimentale, Biotecnologie Mediche Infettivologia ed Epidemiologia - Università"— Transcript della presentazione:

1 GENOMICA DEL BACILLO TUBERCOLARE Laura Rindi Dipartimento di Patologia Sperimentale, Biotecnologie Mediche Infettivologia ed Epidemiologia - Università di Pisa

2 branca della biologia molecolare che si occupa dello studio del genoma degli organismi studio della struttura, contenuto, funzione ed evoluzione del genoma Genomica comparativa approccio che consente lidentificazione di variazioni genetiche tra gli organismi che possono spiegare differenze nella fisiologia, biochimica e virulenza GENOMICA

3 …….The genome comprises 4,411,529 base pairs, contains around 4,000 genes, and has a very high guanine + cytosine content that is reflected in the biased amino-acid content of the proteins. M. tuberculosis differs radically from other bacteria in that a very large portion of its coding capacity is devoted to the production of enzymes involved in lipogenesis and lipolysis, and to two new families of glycine-rich proteins with a repetitive structure that may represent a source of antigenic variation. Nature 393, , 1998 Deciphering the biology of Mycobacterium tuberculosis from the complete genome sequence S. T. Cole, et al.

4 Circular map of the chromosome of M. tuberculosis H37Rv G + C content, with 65% G + C in red. Scale in Mb, with 0 representing the origin of replication. Positions of stable RNA genes (tRNAs are blue, others are pink) and the direct repeat region (pink cube); coding sequence by strand (clockwise, dark green; anti-clockwise, light green); repetitive DNA (insertion sequences, orange; 13E12 REP family, dark pink; prophage, blue); PPE family members (green); PE family members (purple, excluding PGRS); PGRS sequences (dark red)

5 + 82 geni... Here the complete re-annotation of the genome sequence of Mycobacterium tuberculosis strain H37Rv is presented almost 4 years after the first submission. Eighty-two new protein- coding sequences (CDS) have been included and 22 of these have a predicted function... The functional classification of 643 CDS has been changed based principally on recent sequence comparisons and new experimental data from the literature. More than 300 gene names and over 1000 targeted citations have been added and the lengths of 60 genes have been modified. Presently, it is possible to assign a function to 2058 proteins (52% of the 3995 proteins predicted) and only 376 putative proteins share no homology with known proteins and thus could be unique to M. tuberculosis. Microbiology 148, , 2002 Re-annotation of the genome sequence of Mycobacterium tuberculosis H37Rv J. C. Camus, et al. Nature 393, , 1998 Deciphering the biology of Mycobacterium tuberculosis from the complete genome sequence S. T. Cole, et al.

6 CARATTERISTICHE DEL GENOMA DI M. TUBERCULOSIS H37Rv bp G+C 65.6% geni codificanti proteine 50 geni codificanti RNA stabile Oltre il 51% dei geni è derivato dalla duplicazione genica Il 3.4% del genoma è composto da sequenze di inserzione e profagi 52% funzione definita 48% funzione ipotetica o sconosciuta

7 CLASSIFICAZIONE FUNZIONALE DEI GENI DI M. TUBERCULOSIS H37Rv CLASSEFUNZIONE NUMERO DI GENI 0 Virulence, detoxification, adaptation 99 1 Lipid metabolism Information pathways Cell wall and cell processes Stable RNAs 50 5 Insertion sequences and phages PE and PPE proteins Intermediary metabolism and respiration Proteins of unknown function Regulatory proteins Conserved hypothetical proteins 1051

8 METABOLISMO LIPIDICO 8% del genoma è dedicato al metabolismo lipidico (oltre 200 enzimi rispetto ai 50 di E.coli) Lipid metabolism. Degradation of host-cell lipids is vital in the intracellular life of M. tuberculosis. Host-cell membranes provide precursors for many metabolic processes, as well as potential precursors of mycobacterial cell- wall constituents, through the actions of a broad family of b-oxidative enzymes encoded by multiple copies in the genome. These enzymes produce acetyl CoA, which can be converted into many different metabolites and fuel for the bacteria through the actions of the enzymes of the citric acid cycle and the glyoxylate shunt of this cycle.

9 PROTEINE PE E PPE 7% dei geni codifica per due nuove famiglie di proteine ricche in glicina Ruolo immunologico

10 SEQUENZE DI DNA RIPETUTE Duplicazioni di geni/famiglie di geni Sequenze di inserzione Sequenze non codificanti disperse

11 Sequenze di DNA ripetute: SEQUENZE DI INSERZIONE Le sequenze di inserzione (IS) sono piccoli segmenti di DNA (<2.5kb) in grado di inserirsi in siti multipli del genoma. Il genoma di M. tuberculosis H37Rv contiene 56 copie di elementi IS appartenenti ad almeno 9 famiglie. transposasi FAMIGLIA ISMEMBRI IN M. TUBERCULOSIS IS3IS6110 (16), IS1540, IS1604 IS5IS1560, IS1560, IS-like (2) IS21IS1532, IS1533, IS1534 IS30IS1603 IS110IS1547 (2), IS1558, IS1558, IS1607, IS1608 (2) IS256IS1081 (6), IS1552, IS1553, IS1554 IS1535IS1535, IS1536, IS1537, IS1538, IS1539, IS1602, IS1605 ISL3IS1555, IS1557 (2), IS1557, IS1561, IS1606 ignotaIS1556 Ad eccezione di IS6110, che traspone frequentemente, gli elementi IS sono stabili in H37Rv e in altri isolati.

12 Sequenze di DNA ripetute: SEQUENZE NON CODIFICANTI DISPERSE MIRU : mycobacterial interspersed repetitive unit. 41 loci dimensioni bp Locus DR : direct repeat. Sequenze ripetute di 36 bp separate da sequenze non ripetute (spacers) di bp

13

14 ORGANISMSIZEGC CONTENTPUBLICATION Mycobacterium tuberculosis H37Rv (lab strain) 4411 Kb 4060 orfs 65.6 Nature 393, Nature 393, Mycobacterium leprae TN 3268 Kb 2749 orfs 57.8 Nature 409, Nature 409, Mycobacterium tuberculosis CDC1551 (Oshkosh) 4403 Kb 4346 orfs 65.6 J Bacteriol 184, J Bacteriol 184, Mycobacterium bovis AF2122/97(spoligotype 9) 4345 Kb 4012 orfs 65.6 PNAS 100, PNAS 100, Mycobacterium avium paratuberculosis K Kb 4415 orfs 69.3 PNAS 102, PNAS 102, Mycobacterium sp MCS 5705 Kb 5752 orfs 68 Unpublished Unpublished Mycobacterium smegmatis MC Kb 6978 orfs 67.4 Unpublished Unpublished Mycobacterium avium Kb 5339 orfs 69 Unpublished Unpublished Mycobacterium ulcerans Agy Kb 4291 orfs 65.5 Genome Res 17, Genome Res 17, Mycobacterium sp KMS 5737 Kb 6133 orfs 68.4 Unpublished Unpublished Mycobacterium vanbaalenii PYR Kb 6092 orfs 67.8 Unpublished Unpublished Mycobacterium bovis BCG Pasteur 1173P Kb 4033 orfs 65.6 Unpublished Unpublished Mycobacterium sp JLS 6048 Kb 5899 orfs 68 Unpublished Unpublished Mycobacterium flavenscens (gilvum) PYR-GCK 5619 Kb 5723 orfs 67 Unpublished Unpublished Mycobacterium tuberculosis H37Ra 4419 Kb 4132 orfs 65.6 PLoS ONE 3, e2375 PLoS ONE 3, e Mycobacterium tuberculosis F11 (ExPEC) 4424 Kb 4050 orfs 65.6 Unpublished Unpublished Mycobacterium abscessus CIP Kb 5041 orfs 64 Unpublished Unpublished Mycobacterium marinum M, ATCC BAA Kb 5550 orfs 65 Genome Res. Epub Genome Res. Epub ceppi micobatterici completamente sequenziati 47 ceppi del complesso tubercolare in corso di sequenziamento

15 M. tuberculosis complex AF2122/97H37Rv CDC1551 H37Ra M. tuberculosisM. africanum M. canettii M. microti M. bovis M. bovis BCG BCG-Pasteur 4.41 Mb 4.32 Mb4.31Mb in corso Tutti i micobatteri appartenenti al complesso tubercolare condividono il 99.9% di identità a livello nucleotidico, ma differiscono ampiamente in termini di spettro dospite e di patogenicità PLASTICITA DEL GENOMA polimorfismi di singoli nucleotidi eventi di inserzione e delezione

16 J. Bacteriol, 184, , 2002 Whole-Genome Comparison of Mycobacterium tuberculosis Clinical and Laboratory Strains R. D. Fleischmann et al. PNAS, 100, , 2003 The complete genome sequence of Mycobacterium bovis T. Garnier et al. CaratteristicheM. tuberculosis H37RvM. tuberculosis CDC1551M. bovis AF2122/97 Dimensioni del genoma, bp G+C, %65.6 Geni codificanti per proteine Rispetto a Mtb H37Rv: polimorfismi singoli delezioni inserzioni Il genoma di M. bovis AF2122/97 (identico per oltre il 99.5% a quello di M tuberculosis H37Rv) rispetto a quelli dei due ceppi tubercolari è più piccolo di 70 kb e contiene circa 60 geni in meno. Il 55% delle inserzioni e delezioni tra i due ceppi tubercolari riguardano geni, soprattutto quelli codificanti per le proteine PE e PPE. La variabilità tra M. bovis e Mtb riguarda prevalentemente componenti della parete cellulare e proteine di secrezione.

17 Regioni genomiche che differiscono tra M. tuberculosis H37Rv e M. bovis BCG Pasteur (phiRv2) (phiRv1) (fosfolipasi C) (invasina) (Esat-6, CFP-10)

18 Scheme of the proposed evolutionary pathway of the tubercle bacilli illustrating successive loss of DNA in certain lineages (gray boxes). The scheme is based on the presence or absence of conserved deleted regions and on sequence polymorphisms in five selected genes. Note that the distances between certain branches may not correspond to actual phylogenetic differences calculated by other methods. Blue arrows indicate that strains are characterized by katG 463. CTG (Leu), gyrA 95 ACC (Thr), typical for group 1 organisms. Green arrows indicate that strains belong to group 2 characterized by katG 463 CGG (Arg), gyrA 95 ACC (Thr). The red arrow indicates that strains belong to group 3, characterized by katG 463 CGG (Arg), gyrA 95 AGC (Ser), as defined by Sreevatsan et al. Brosch et al PNAS 99:

19 Evoluzione del complesso tubercolare M. bovis M. tuberculosis X

20 bacillo progenitore M. bovis M. tuberculosis Evoluzione del complesso tubercolare

21 oxyR n285 G A M. africanum RD 7 RD 8 RD 10 RD 12 RD 13 M. canettii RD 9 M. tub. katG 463 CTG CGG M. microti M. bovis RD can RD mic RD seal seal oryx goat classical RD 1 BCG Tokyo gyrA 95 AGC ACC pncA c57 CAC GAC RD 4 RD 2 BCG Pasteur RD 14 TbD 1 modern ancestral RD9 + TbD1 - mmpL6 551 AAC AAG eg. Beijing cluster eg. Haarlem cluster eg. H37Rv Identificazione rapida del bacillo tubercolare

22 oxyR n285 G A M. africanum RD 7 RD 8 RD 10 RD 12 RD 13 M. canettii RD 9 M. tub. katG 463 CTG CGG M. microti M. bovis RD can RD mic RD seal seal-isolates oryx-isolates goat-isolates classical RD 1 BCG Tokyo gyrA 95 AGC ACC pncA c57 CAC GAC RD 4 RD 2 BCG Pasteur RD 14 TbD 1 modern ancestral RD9 - mmpL6 551 AAC AAG Identificazione rapida del bacillo tubercolare

23 oxyR n285 G A M. africanum RD 7 RD 8 RD 10 RD 12 RD 13 M. canettii RD 9 M. tub. katG 463 CTG CGG M. microti M. bovis RD can RD mic RD seal classical RD 1 BCG Tokyo gyrA 95 AGC ACC pncA 57 CAC GAC RD 4 RD 2 BCG Pasteur RD 14 TbD 1 modern ancestral RD9 - mmpL6 551 AAC AAG mmpL6 551 AAG seal-isolates oryx-isolates goat-isolates Identificazione rapida del bacillo tubercolare

24 oxyR n285 G A M. africanum RD 7 RD 8 RD 10 RD 12 RD 13 M. canettii RD 9 M. tub. katG 463 CTG CGG M. microti M. bovis RD can RD mic RD seal seal oryx goat classical RD 1 BCG Tokyo gyrA 95 AGC ACC pncA 57 CAC GAC RD 4 RD 2 BCG Pasteur RD 14 TbD 1 modern ancestral RD9 - mmpL6 551 AAC AAG RD4 - Identificazione rapida del bacillo tubercolare

25 oxyR n285 G A M. africanum RD 7 RD 8 RD 10 RD 12 RD 13 M. canettii RD 9 M. tub. katG 463 CTG CGG M. microti M. bovis RD can RD mic RD seal seal oryx goat classical RD 1 BCG gyrA 95 AGC ACC pncA 57 CAC GAC RD 4 RD 2 RD 14 TbD 1 modern ancestral RD9 - mmpL6 551 AAC AAG RD1 - Identificazione rapida del bacillo tubercolare

26 The composite MtbC PCR typing panel. Illustrated are the typical MtbC PCR panel typing results for a single representative of each MtbC subspecies as well as MOTT (M. avium subsp. avium is shown). Lanes: 1, 16S rRNA; 2, Rv0577; 3, IS1561'; 4, Rv1510 (RD4); 5, Rv1970 (RD7); 6, Rv3877/8 (RD1); 7, Rv3120 (RD12). J. Clin. Microbiol. 41, , 2003 PCR-Based Method To Differentiate the Subspecies of the Mycobacterium tuberculosis Complex on the Basis of Genomic Deletions R. C. Huard, et al.

27 EVOLUZIONE DI MYCOBACTERIUM TUBERCULOSIS Gagneux S. et.al. PNAS 2006;103:

28 ERA POST-GENOMICA CARATTERIZZAZIONE GENOMICA GENOMICA COMPARATIVA Identificazione di fattori di virulenza (confronto genoma Mtb/BCG) e di antigeni (proteine PE/PPE) comprensione dei meccanismi di patogenicità e sviluppo di nuovi vaccini Allestimento di test diagnostici rapidi (identificazione delle specie del complesso tubercolare; diagnosi immunologica di infezione latente) Identificazione di molecole essenziali, potenziali bersagli per nuovi farmaci Studi evoluzionistici e di epidemiologia molecolare Sviluppo di migliori strategie di controllo dellinfezione tubercolare


Scaricare ppt "GENOMICA DEL BACILLO TUBERCOLARE Laura Rindi Dipartimento di Patologia Sperimentale, Biotecnologie Mediche Infettivologia ed Epidemiologia - Università"

Presentazioni simili


Annunci Google