Patogenomik

Patogenomics är ett område som använder screeningteknik med hög genomströmning och bioinformatik för att studera kodad mikrobresistens, såväl som virulensfaktorer (VF), som gör det möjligt för en mikroorganism att infektera en värd och eventuellt orsaka sjukdom. Detta inkluderar att studera genom från patogener som inte kan odlas utanför en värd. Tidigare har forskare och medicinsk personal haft svårt att studera och förstå patogena egenskaper hos smittsamma organismer. Med nyare teknologi kan patogengenom identifieras och sekvenseras på mycket kortare tid och till en lägre kostnad, vilket förbättrar förmågan att diagnostisera, behandla och till och med förutsäga och förebygga patogena infektioner och sjukdomar. Det har också gjort det möjligt för forskare att bättre förstå genomutvecklingshändelser - genförlust, vinst, duplicering, omarrangemang - och hur dessa händelser påverkar patogenresistens och förmåga att orsaka sjukdom. Detta inflöde av information har skapat ett behov av bioinformatiska verktyg och databaser för att analysera och göra de stora mängderna data tillgängliga för forskare, och det har väckt etiska frågor om klokheten i att rekonstruera tidigare utdöda och dödliga patogener för att bättre förstå virulens.

Historia

Under de tidigare tiderna när genomik studerades, fann forskare att det var utmanande att sekvensera genetisk information. Fältet började explodera 1977 när Fred Sanger , PhD, tillsammans med sina kollegor, sekvenserade det DNA-baserade genomet av en bakteriofag , med hjälp av en metod som nu är känd som Sanger-metoden . Sanger-metoden för sekvensering av DNA avancerade exponentiellt molekylärbiologin och ledde direkt till förmågan att sekvensera genom från andra organismer, inklusive det fullständiga mänskliga genomet.

Haemophilus influensa -genomet var ett av de första organismgenomen som sekvenserades 1995 av J. Craig Venter och Hamilton Smith med hjälp av hagelgevärssekvensering av hela genomet. Sedan dess har nyare och mer effektiv sekvensering med hög genomströmning, såsom Next Generation Genomic Sequencing (NGS) och Single-Cell Genomic Sequencing, utvecklats. Medan Sanger-metoden kan sekvensera ett DNA-fragment åt gången, kan NGS-tekniken sekvensera tusentals sekvenser åt gången. Med förmågan att snabbt sekvensera DNA utvecklades nya insikter, såsom upptäckten att eftersom prokaryota genom är mer olika än vad man ursprungligen trodde, är det nödvändigt att sekvensera flera stammar i en art snarare än bara ett fåtal. E.coli var ett exempel på varför detta är viktigt, med gener som kodar för virulensfaktorer i två stammar av arten som skilde sig åt med minst trettio procent. Sådan kunskap, tillsammans med mer grundliga studier av genomvinster, förluster och förändringar, ger forskare värdefull insikt i hur patogener interagerar i värdmiljöer och hur de kan infektera värdar och orsaka sjukdomar.

Patogen bioinformatik

Med detta höga inflöde av ny information har det uppstått en högre efterfrågan på bioinformatik så att forskare kan analysera de nya uppgifterna ordentligt. Som svar har mjukvara och andra verktyg utvecklats för detta ändamål. Från och med 2008 fördubblades mängden lagrade sekvenser var 18:e månad, vilket gjorde behovet av bättre sätt att organisera data och underlätta forskningen. Som svar har många allmänt tillgängliga databaser och andra resurser skapats, inklusive NCBI-patogendetektionsprogrammet, Patosystems Resource Integration Center (PATRIC), Pathogenwatch, Virulence Factor Database (VFDB) över patogena bakterier, Victors-databasen över virulensfaktorer i patogener hos människor och djur. Fram till 2022 är de mest sekvenserade patogenerna Salmonella enterica och E. coli - Shigella. Sekvenseringsteknologierna, bioinformatikverktygen, databaserna, statistik relaterad till patogengenom och tillämpningarna inom kriminalteknik, epidemiologi, klinisk praxis och livsmedelssäkerhet har granskats omfattande.

Mikrobanalys

Patogener kan vara prokaryota ( archaea eller bakterier ), encelliga eukarya eller virus . Prokaryota genom har vanligtvis varit lättare att sekvensera på grund av mindre genomstorlek jämfört med Eukarya. På grund av detta finns det en partiskhet i rapporteringen av patogent bakteriebeteende . Oavsett denna partiskhet i rapporteringen är många av de dynamiska genomiska händelserna likartade över alla typer av patogena organismer. Genomisk evolution sker via genvinst, genförlust och genomomarrangering, och dessa "händelser" observeras i flera patogengenom, med vissa bakteriella patogener som upplever alla tre. dock inte enbart på att förstå patogen-värdinteraktioner . Insikt om individuella eller kooperativa patogeners beteende ger kunskap om utvecklingen eller nedärvningen av patogena virulensfaktorer. Genom en djupare förståelse för de små underenheter som orsakar infektion kan det vara möjligt att utveckla nya terapier som är effektiva och kostnadseffektiva.

Orsak och analys av genomisk mångfald

Dynamiska genom med hög plasticitet är nödvändiga för att patogener, särskilt bakterier, ska kunna överleva i föränderliga miljöer. Med hjälp av sekvenseringsmetoder med hög genomströmning och i silico- teknologier är det möjligt att detektera, jämföra och katalogisera många av dessa dynamiska genomiska händelser. Genomisk mångfald är viktig vid upptäckt och behandling av en patogen eftersom dessa händelser kan förändra patogenens funktion och struktur. Det finns ett behov av att analysera mer än en enda genomsekvens av en patogen art för att förstå patogenmekanismer. Jämförande genomik är en metod som gör det möjligt för forskare att jämföra arvsmassan för olika arter och stammar. Det finns flera exempel på framgångsrika jämförande genomikstudier, bland dem analysen av Listeria och Escherichia coli . Vissa studier har försökt ta itu med skillnaden mellan patogena och icke-patogena mikrober. Denna undersökning visar sig dock vara svår, eftersom en enda bakterieart kan ha många stammar och det genomiska innehållet i var och en av dessa stammar varierar.

Evolutionär dynamik

Varierande mikrobstammar och genomiskt innehåll orsakas av olika krafter, inklusive tre specifika evolutionära händelser som har en inverkan på patogenresistens och förmåga att orsaka sjukdom, a: genvinst, genförlust och genomomläggning.

Genförlust och genomsönderfall

Genförlust uppstår när gener raderas. Anledningen till att detta inträffar är fortfarande inte helt klarlagd, även om det med största sannolikhet handlar om anpassning till en ny miljö eller ekologisk nisch. Vissa forskare tror att genförlust faktiskt kan öka konditionen och överlevnaden bland patogener. I en ny miljö kan vissa gener bli onödiga för att överleva, så mutationer "tillåts" så småningom på dessa gener tills de blir inaktiva " pseudogener ". Dessa Shigella flexneri , Salmonella enterica pseudogener observeras i organismer som och Yersinia pestis . Med tiden raderas pseudogenerna, och organismerna blir helt beroende av sin värd som antingen endosymbionts eller obligata intracellulära patogener , vilket ses i Buchnera , Myobacterium leprae och Chlamydia trachomatis . Dessa raderade gener kallas också antivirulensgener (AVG) eftersom man tror att de kan ha förhindrat organismen från att bli patogen. För att vara mer virulent, infektera en värd och förbli vid liv, var patogenen tvungen att bli av med dessa AVG. Den omvända processen kan också hända, vilket sågs under analys av Listeria -stammar, som visade att en minskad genomstorlek ledde till en icke-patogen Listeria -stam från en patogen stam. System har utvecklats för att detektera dessa pseudogener/AVGs i en genomsekvens.

Sammanfattning av dynamiska genomikhändelser

Genvinst och duplicering

En av nyckelkrafterna som driver genvinst tros vara horisontell (lateral) genöverföring (LGT). Det är av särskilt intresse i mikrobiella studier eftersom dessa mobila genetiska element kan introducera virulensfaktorer i ett nytt genom. En jämförande studie utförd av Gill et al. 2005 postulerade att LGT kan ha varit orsaken till patogenvariationer mellan Staphylococcus epidermidis och Staphylococcus aureus . Det finns dock fortfarande skepsis kring frekvensen av LGT, dess identifiering och dess inverkan. Nya och förbättrade metoder har använts, särskilt i studiet av fylogenetik , för att validera närvaron och effekten av LGT. Genökning och gendupliceringshändelser balanseras av genförlust, så att trots deras dynamiska natur förblir genomet hos en bakterieart ungefär samma storlek.

Genomomläggning

Mobila genetiska insättningssekvenser kan spela en roll i genomomarrangeringsaktiviteter. Patogener som inte lever i en isolerad miljö har visat sig innehålla ett stort antal insättningssekvenselement och olika repetitiva DNA-segment. Kombinationen av dessa två genetiska element tros hjälpa till att förmedla homolog rekombination . Det finns patogener, såsom Burkholderia mallei insättningssekvenser och Burkholderia pseudomallei som har visat sig uppvisa genomomfattande omarrangemang på grund av och repetitiva DNA-segment. För närvarande visar inga studier genomomfattande omarrangemang som direkt ger upphov till patogent beteende i en mikrob. Detta betyder inte att det inte är möjligt. Genomomfattande omarrangemang bidrar dock till plasticiteten hos bakteriegenomet, vilket kan skapa förutsättningar för andra faktorer att introducera, eller förlora, virulensfaktorer.

Enkelnukleotidpolymorfismer

Single Nucleotide Polymorphisms , eller SNP: er, möjliggör ett brett spektrum av genetisk variation bland människor såväl som patogener. De låter forskare uppskatta en mängd olika faktorer: effekterna av miljögifter, hur olika behandlingsmetoder påverkar kroppen och vad som orsakar någons anlag för sjukdomar. SNP spelar en nyckelroll för att förstå hur och varför mutationer uppstår. SNP:er gör det också möjligt för forskare att kartlägga genom och analysera genetisk information.

Pan- och kärngenom

Pan-genom översikt

Pan-genomöversikt Den senaste definitionen av en bakterieart kommer från den pre-genomiska eran. 1987 föreslogs att bakteriestammar som visar >70 % DNA·DNA-reassociation och delar karakteristiska fenotypiska egenskaper skulle anses vara stammar av samma art. Mångfalden inom patogengenom gör det svårt att identifiera det totala antalet gener som är associerade inom alla stammar av en patogen art. Man har trott att det totala antalet gener associerade med en enda patogen art kan vara obegränsat, även om vissa grupper försöker härleda ett mer empiriskt värde. Av denna anledning var det nödvändigt att introducera begreppet pan-genom och kärngenom. Pan-genom- och kärngenomlitteratur tenderar också att ha en partiskhet mot rapportering om prokaryota patogena organismer. Försiktighet kan behöva iakttas när definitionen av ett pan-genom eller ett kärngenom utvidgas till andra patogena organismer eftersom det inte finns några formella bevis för egenskaperna hos dessa pan-genom.

Ett kärngenom är uppsättningen gener som finns över alla stammar av en patogen art. Ett pan-genom är hela genpoolen för den patogena arten och inkluderar gener som inte delas av alla stammar. Pan-genom kan vara öppna eller stängda beroende på om jämförande analys av flera stammar avslöjar inga nya gener (stängda) eller många nya gener (öppna) jämfört med kärngenomet för den patogenarten. I det öppna pan-genomet kan gener ytterligare karakteriseras som dispenserbara eller stamspecifika. Dispenserbara gener är de som finns i mer än en stam, men inte i alla stammar, av en patogen art. Stamspecifika gener är de som bara finns i en stam av en patogen art. Skillnaderna i pan-genom är reflektioner av organismens livsstil. Till exempel Streptococcus agalactiae , som finns i olika biologiska nischer, ett bredare pan-genom jämfört med den mer miljömässigt isolerade Bacillus anthracis . Jämförande genomikmetoder används också för att förstå mer om pan-genomet. Nya upptäckter visar att antalet nya arter fortsätter att växa med uppskattningsvis 10 ³¹ bakteriofager på planeten med dessa bakteriofager som infekterar 10 ²⁴ andra per sekund, det kontinuerliga flödet av genetiskt material som utbyts är svårt att föreställa sig.

Virulensfaktorer

Flera genetiska element av mänskligt påverkande patogener bidrar till överföringen av virulensfaktorer: plasmider , patogenicitetsö , profager , bakteriofager, transposoner och integrerande och konjugativa element. Patogenicitetsöar och deras upptäckt är i fokus för flera bioinformatikinsatser involverade i patogenomik. Det är en vanlig uppfattning att "miljöbakteriestammar" saknar kapacitet att skada eller göra skada på människor. Nya studier visar dock att bakterier från vattenmiljöer har förvärvat patogena stammar genom evolutionen. Detta gör det möjligt för bakterierna att ha ett bredare spektrum av genetiska egenskaper och kan orsaka ett potentiellt hot mot människor från vilket det finns mer resistens mot antibiotika.

Mikrob-mikrob interaktioner

Staphylococcus aureus biofilm

Mikrob-värdinteraktioner tenderar att överskugga övervägandet av mikrob-mikrobinteraktioner. Interaktioner mellan mikrob och mikrob kan dock leda till kroniska tillstånd av svaghet som är svåra att förstå och behandla.

Biofilmer

Biofilmer är ett exempel på interaktioner mellan mikrober och mikrober och tros vara associerade med upp till 80 % av mänskliga infektioner. Nyligen har det visat sig att det finns specifika gener och cellyteproteiner involverade i bildandet av biofilm. Dessa gener och även ytproteiner kan karakteriseras genom silico -metoder för att bilda en uttrycksprofil av biofilm-interagerande bakterier. Denna uttrycksprofil kan användas i efterföljande analys av andra mikrober för att förutsäga biofilmmikrobers beteende eller för att förstå hur man demonterar biofilmbildning.

Värdmikroberanalys

Patogener har förmågan att anpassa och manipulera värdceller och dra full nytta av en värdcells cellulära processer och mekanismer.

En mikrob kan påverkas av värdar att antingen anpassa sig till sin nya miljö eller lära sig att undvika den. En insikt i dessa beteenden kommer att ge fördelaktig insikt för potentiella terapier. Den mest detaljerade översikten av värd-mikrobinteraktionsinitiativ beskrivs i Pathogenomics European Research Agenda. Dess rapport betonar följande egenskaper:

Sammanfattning av värdmikroberprojektets mål i Pathogenomics European Research Agenda

• Mikroarrayanalys av värd- och mikrobgenuttryck under infektion . Detta är viktigt för att identifiera uttrycket av virulensfaktorer som gör att en patogen kan överleva en värds försvarsmekanism. Patogener tenderar att genomgå ett sortiment av förändrade för att undergräva och värd immunsystemet, i vissa fall gynnar ett hypervariabelt genomtillstånd. Studierna av genomiskt uttryck kommer att kompletteras med studier av protein-proteininteraktionsnätverk.
• Använda RNA-interferens (RNAi) för att identifiera värdcellsfunktioner som svar på infektioner . Infektion beror på balansen mellan värdcellens och patogencellens egenskaper. I vissa fall kan det finnas en överaktiv värdrespons på infektion, till exempel vid hjärnhinneinflammation, som kan överväldiga värdens kropp. Med hjälp av RNA blir det möjligt att tydligare identifiera hur en värdcell försvarar sig under tider av akut eller kronisk infektion. Detta har också tillämpats framgångsrikt är Drosophila.
• Inte alla mikrobinteraktioner i värdmiljön är skadliga. Kommensal flora, som finns i olika miljöer hos djur och människor kan faktiskt hjälpa till att bekämpa mikrobiella infektioner. Den mänskliga floran , som till exempel tarmen, är hem för en myriad av mikrober.

Det mångfaldiga samhället i tarmen har utsetts vara avgörande för människors hälsa. Det pågår ett antal projekt för att bättre förstå tarmens ekosystem. Sekvensen för den kommensal Escherichia coli -stam SE11, till exempel, har redan bestämts från avföringen från en frisk människa och lovar att bli den första av många studier. Genom genomisk analys och även efterföljande proteinanalys kommer en bättre förståelse av de fördelaktiga egenskaperna hos kommensala flora att undersökas i hopp om att förstå hur man bygger ett bättre terapeutiskt medel.

Eco-evo perspektiv

"eco-evo"-perspektivet på patogen-värdinteraktioner betonar influenserna ekologi och miljö på patogenutveckling. De dynamiska genomiska faktorerna som genförlust, genvinst och genomomläggning påverkas alla starkt av förändringar i den ekologiska nisch där en viss mikrobiell stam finns. Mikrober kan byta från att vara patogena och icke-patogena på grund av förändrade miljöer. Detta visades under studier av pesten, Yersinia pestis , som uppenbarligen utvecklats från en mild gastrointestinal patogen till en mycket högpatogen mikrob genom dynamiska genomiska händelser. För att kolonisering ska ske måste det finnas förändringar i biokemisk sammansättning för att hjälpa överlevnaden i en mängd olika miljöer. Detta beror med största sannolikhet på en mekanism som tillåter cellen att känna av förändringar i miljön, vilket påverkar förändringar i genuttryck. Att förstå hur dessa stamförändringar uppstår från att vara låga eller icke-patogena till att vara högpatogena och vice versa kan hjälpa till att utveckla nya terapier för mikrobiella infektioner.

Ansökningar

Bebis som får vaccinationer

Människors hälsa har förbättrats avsevärt och dödligheten har minskat avsevärt sedan andra världskriget på grund av förbättrad hygien på grund av ändrade folkhälsobestämmelser, samt mer lättillgängliga vacciner och antibiotika. Patogenomics kommer att göra det möjligt för forskare att utöka vad de vet om patogena och icke-patogena mikrober, vilket möjliggör nya och förbättrade vacciner. Patogenomik har också bredare konsekvenser, inklusive att förhindra bioterrorism.

Omvänd vaccinologi

Omvänd vaccinologi är relativt nytt. Medan forskning fortfarande bedrivs har det skett genombrott med patogener som streptokocker och meningit . Metoder för vaccinproduktion, såsom biokemiska och serologiska, är mödosamma och opålitliga. De kräver att patogenerna är in vitro för att vara effektiva. Nya framsteg inom genomisk utveckling hjälper till att förutsäga nästan alla varianter av patogener, vilket gör framsteg för vacciner. Proteinbaserade vacciner utvecklas för att bekämpa resistenta patogener som stafylokocker och klamydia .

Motverka bioterrorism

avslutades sekvensen av 1918 års spanska influensa . Tillsammans med fylogenetisk analys var det möjligt att ge en detaljerad redogörelse för virusets utveckling och beteende, särskilt dess anpassning till människor. Efter sekvenseringen av den spanska influensan rekonstruerades också patogenen. När den fördes in i möss visade sig patogenen vara otroligt dödlig. års mjältbrandsattacker kastar ljus över möjligheten av bioterrorism som mer av ett verkligt än föreställt hot. Bioterrorism förutsågs i Irakkriget, med soldater som inokulerades för en smittkoppsattack . Med hjälp av teknik och insikt från återuppbyggnaden av den spanska influensan kan det vara möjligt att förhindra framtida dödliga planterade sjukdomsutbrott. Det finns dock en stark etisk oro för huruvida uppståndelsen av gamla virus är nödvändig och om det gör mer skada än nytta. Den bästa vägen för att motverka sådana hot är att samordna med organisationer som tillhandahåller vaccinationer. Den ökade medvetenheten och deltagandet skulle avsevärt minska effektiviteten av en potentiell epidemi. Ett tillägg till denna åtgärd skulle vara att övervaka naturliga vattenreservoarer som en grund för att förhindra en attack eller utbrott. Sammantaget kan kommunikation mellan labb och stora organisationer, som Global Outbreak Alert and Response Network (GOARN), leda till tidig upptäckt och förhindra utbrott.

Se även

• Cyberbiosäkerhet – Framväxande område för datorsäkerhet