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Bacterial effector proteins in the evolution of pathogenic and symbiotic bacteria
Marcus Wieder
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Betreuer*in
Thomas Rattei
DOI
10.25365/thesis.30482
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29488.42731.268369-7
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Bakterielle Erkrankungen und Infektionen sind eine der häufigsten Todesursachen weltweit - ein tieferes Verständnis von Virulenzfaktoren ist unumgänglich für eine effektive Bekämp- fung von bakterielle Infektionen. In früheren Arbeiten wurde bereits gezeigt, dass Effektor- Proteine - welche als Haupt-Virulenzfaktoren anzusehen sind - sehr oft eine spezifische Domainsignatur besitzen (so genannte eukaryotic-like domains - ELDs). In dieser Arbeit wurde die Hypothese, dass Proteine mit eukaryotic-like domains das Resultat von hori- zontalen Gentransfer (HGT) mit Eukaryonten als Gen-Donatoren und Prokaryonten als Gen-Akzeptoren sind, untersucht. Weiters wurde das evolutionäre und phylogenetische Verhältnis zwischen Donor und Akzeptor des HGT analysiert.
Methoden
70 Pathogene wurden randomisiert aus der effector.org Datenbank ausgewählt und ihr Proteom in Proteine mit ELDs (verwendete Definition von ELDs entspricht der effec- tor Datenbank Definition) und Proteine ohne ELDs unterteilt. Eine Softwarelösung wurde implementiert, welche folgende Schritte für die Menge aller Proteine der Proteome mit Hilfe vorhandener Software (verwendet wurden unter anderem phyloGenie, raxML, mtrees, blammer, phat und SIMAP) automatisierte: (1) Vorselektion des Proteoms an- hand von Sequenzähnlichkeit, (2) Erstellen eines multiplen alignments, (3) Konstruktion eines phylogenetischen Baumes und die (4) Analyse des Baumes (z.B. das Auffinden einer monophyletischen, prokaryontischen Gruppe mit eukaryontischen Proteinen im Ast) zum Auffinden eines HGT. Dieser Ansatz wurde sowohl auf Proteine als auch für Proteindo- mains angewandt. Anschließend an die Parametersuche für die einzelnen Programme wurde der methodische Ansatz angewendet, die phylogenetischen Bäume analysiert und nach positiven/negativen Signalen für HGTs mit Pathogene als Gen-Akzeptor und Eu- karyonten als Gen-Donor klassifiziert.
Resultate
Die Selektion der Proteine mittels Ähnlichkeitskriterien stellte sich als sehr effektiv heraus - es reduzierte die zu analysierenden Proteine um 40-50% und führte zu vernachlässig- barem Verlust an potentiellen HGT Kandidaten. Die Suche nach optimalen Parametern zur Konstruktion von phylogenetischen Bäume wurde mittels bekannten Beispielen aus der Literatur vollzogen - die Ergebnisse waren bis auf erklärbare Ausnahmen ident. Der Vergleich zwischen Maximum-likelihood und Neighbor-joining Methoden zur Konstruk- tion von phylogenetischen Bäumen zeigte am Beispiel eines Chlamydia Stammes keinen Unterschied im Ergebnis - was zum Verwenden einer Neighbor-joining Methode für die weitere Analyse führte. Angewendet auf Proteine zeigt die entwickelte Methode für14 Pathogene einen signifikanten (p < 0.05) Zusammenhang zwischen ELDs und HGTs. Die meisten dieser Pathogene sind hoch virulent und pathogen - und nach Analyse des Baums ist ersichtlich das nur wenige Gene-Donoren dem Phylum angehören welches das Pathogen infiziert. Wendet man die entwickelte Methode auf Proteindomains an (Do- mains sind evolutionär stabiler als komplette Proteinsequenzen) ergeben sich in 33 von 60 Fällen signifikante p-values und damit eine signifikante Korrelation zwischen ELDs und HGTs. Die Ergebnisse für Proteine und Proteindomains überschneiden sich in acht Pathogenen.
Zusammenfassung
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass man für eine bestimmte Gruppe an Bakterien einen signifikanten Zusammenhang zwischen HGTs und ELDs zeigen kann und dieser Zusammenhang bei Verwendung von Domaininsequenzen tendenziell stärker wird. Die acht Pathogene, welche sowohl auf Proteinsequenz- als auch auf Domainsequenzebene einen signifikanten Zusammenhang zwischen ELDs und HGTs zeigten, rekrutieren sich aus Bakterien, welche für ihre hohe Anzahl an HGTs aus der Literatur bekannt sind (Le- gionella pneumophila str. Lens, Legionella pneumophila str. Paris und Legionella pneu- mophila subsp. pneumophila str. Philadelphia 1), eine endosymbiontische Lebensweise besitzen (Wolbachia endosymbiont of Culex quinquefasciatus Pel) oder hoch virulent und pathogen sind (Coxiella burnetii RSA 493, Francisella tularensis subsp. tularensis NE061598, Leptospira interrogans serovar Copenhageni str. Fiocruz L1-130) mit der Ausnahme von Acidaminococcus intestini RyC-MR95.
Abstract
(Englisch)
Bacterial diseases and infections are one of the major causes of morbidity and mortal- ity worldwide thus understanding key virulence factors is important to efficiently fight bacterial infections. It has been shown that effector proteins - as major virulence fac- tors - contain very often a specific domain signature (so called eukaryotic-like domains - ELDs). In this thesis the hypothesis if these effectors are the result of horizontal gene transfer events with eukaryots as donor and pathogens as acceptor organism was tested. Furthermore the evolutionary and phylogenetic relationship between the donor species and the acceptor species was analyzed.
Methods
70 pathogens were chosen and their proteom was divided into ELD containing and non- ELD containing proteins based on the effector database classification. A computational method was implemented to use different available software solutions (e.g. phyloGenie, raxML, mtrees, blammer, phat, SIMAP) to automatize a pre-screening of the proteom based on similarity criteria (excluding e.g. housekeeping genes), calculating a multiple alignment, constructing a phylogenetic tree and analyzing the relationship of taxa in the tree (e.g. finding a monophyletic prokaryotic group with eukaryotic proteins) to identify horizontal gene transfer. This was done using full-length proteins as well as only domain sequences. The parameters used in these programs were tested and validated exhaustingly. Subsequently to the constructions of the trees was the analysis of the phylogenetic trees and the classification in HGT event with pathogen as gene acceptor and eukaryote as donor.
Results
The results indicated that pre-filtering with alien index was applicable - reducing the proteom by 40-50% yet conserving proteins with an ELD score and gaining a speed up factor of about 2 for the subsequent tree construction. Tree reconstruction parameters were tested by comparing positive signals for HGTs in Legionella pneumophila str. Paris with known positive signals in the literature - showing that the results are identical with some exceptions resulting from proteins with little homology. It was shown that the differences in the trees obtained from maximum-likelihood in comparison to neighbor- joining methods were negligible - thus the much faster neighbor-joining method could be used. Using full length proteins tree analysis showed for 14 bacteria a significant (p < 0.05) connection between ELDs and HGTs. Most of these bacteria are highly pathogenic and virulent - and most protein donors are not from the phyla these bacteria infects primarily. Utilizing domain sequences (domain structures are evolutionary more stable than proteins) for multiple alignment and tree construction resulted in 33 positive p-values out of 60 analyzed proteoms - with an overlap between positive signals from protein sequences an domain sequences of 8 bacteria.
Summary
The results of this thesis shows that for a certain set of organisms a significant con- nection between horizontal gene transfer events and eukaryotic-like domains can be stated and this link becomes even more established when using domain sequences. The 8 pathogens which showed a significant connection between ELDs and HGTs on pro- tein and on domain level were either pathogens which were known for their numerous HGT events (Legionella pneumophila str. Lens, Legionella pneumophila str. Paris, Legionella pneumophila subsp. pneumophila str. Philadelphia 1), their endosymbiotic life-style (Wolbachia endosymbiont of Culex quinquefasciatus Pel) or their high virulence and pathogenicity (Coxiella burnetii RSA 493, Francisella tularensis subsp. tularensis NE061598, Leptospira interrogans serovar Copenhageni str. Fiocruz L1-130) with the exception of Acidaminococcus intestini RyC-MR95 which colonize the human gut flora as commensal.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Phylogenetics Evolution Bacterial effector proteins Horizontal Gene Transfer HGT Eukaryotic-like domains ELD Bioinformatics
Schlagwörter
(Deutsch)
Phylogenetik Evolution Bakterielle Effektor Proteine Horizontaler Gen Transfer GHT Eukaryotic-like domains /ELD Bioinformatik
Autor*innen
Marcus Wieder
Haupttitel (Englisch)
Bacterial effector proteins in the evolution of pathogenic and symbiotic bacteria
Paralleltitel (Deutsch)
Bakterielle Effektor Proteine in der Evolution von pathogenen und symbionischen Bakterien
Publikationsjahr
2013
Umfangsangabe
185 S.
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Thomas Rattei
Klassifikationen
42 Biologie > 42.21 Evolution ,
54 Informatik > 54.70 Computermethodik: Allgemeines
AC Nummer
AC11819033
Utheses ID
27167
Studienkennzahl
UA | 066 | 834 | |