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Evolutionary history and phylogenetic diversity of Chlamydiae
Ilias Lagkouvardos
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Betreuer*in
Matthias Horn
DOI
10.25365/thesis.34958
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29629.23779.584966-7
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Chlamydien sind eine Gruppe an intrazellulären Bakterien, die bedeutende Krankheitserreger von Mensch und Tier aber auch Symbionten von Einzellern umfasst. Die vergleichende Analyse der Genome der Chlamydien und ihren freilebenden Verwandten der Schwesterphyla Planctomycetes, Verrucomicrobia, Lentisphaera und Omnitrophica (PVC-Superphylum) erlaubte Einblicke in die frühe Evolutionsgeschichte dieser Mikroorganismen. Wir konnten ein Protein unbekannter Funktion identifizieren, das in allen Mitgliedern des PVC-Superphylums vorkommt – und nur dort. Die heterologe Expression dieses Proteins und funktionelle Assays legen den Schluss nahe, dass dieses Protein DNA und RNA bindet und möglicherweise Bestandteil des Ribosoms ist. Zudem eignet sich das Signaturprotein als phylogenetischer Marker zu Untersuchung der Diversität des PVC-Superphylums. Einen umfassenden Überblick über die Diversität und Verbreitung der Chlamydien konnten wir mithilfe eines innovativen Computergestützten Ansatzes gewinnen. Hierfür wurden zunächst verschiedene Sequenzdatenbanken integriert, die neben Genom- auch Metagenom- und Amplikonsequenzen enthalten. Die detaillierte Untersuchung der Chlamydien-ähnlichen 16S rRNS-Sequenzen in diesem Datensatz zeigte, dass es neben den bekannten acht Familien des Phylums Chlamydiae, mehr als 200 weitere Familien gibt, die vorwiegend in marinen Habitaten zu finden sind. Frei-lebende Amöben sind die natürlichen Wirte vieler Chlamydien in der Umwelt. In einem nächsten Schritt konnten wir ein Protokoll für die Isolierung und Axenisierung von Amöben entwickeln, das durch die Verwendung eines hypersensitiven tolC-KO Escherichia coli Stamms deutlich schneller und effizienter als traditionelle Methoden ist. Diese Protokoll wird helfen, neue Chlamydien zu isolieren; erste Untersuchungen sind vielversprechend und zeigten, dass Amöben oft mit mehr als einer Bakterienart infiziert sind. Im Rahmen der Sequenzierung und Analyse des Genoms von Acanthamoeba castellanii haben wir den Einfluss der Interaktion dieser Amöben mit Bakterien – als Symbionten oder Nahrungsgrundlage – auf deren Genomevolution untersucht. Mithilfe eines phylogenomischen Ansatzes und konservativer phylogenetischer Analysen konnten wir zeigen, dass das Genom von A. castellanii in hohem Maß von horizontalem Gentransfer geprägt ist. Mehr als 400 Gene scheinen prokaryotischen Ursprungs zu sein. Der Vergleich mit den Genomen anderer Amöben zeigte, dass insbesondere Gene die eine Rolle im Stoffwechsel spielen betroffen sind. Zudem hat die ökologische Nische einen entscheidenden Einfluss auf die Herkunft der horizontal erworbenen Gene. Zusammengefasst führte diese Arbeit zu einem vertieften Verständnis der Evolution dieses Phylums und stellt zusätzlich neue Werkzeuge für die zukünftige Analyse seiner Mitglieder bereit.
Abstract
(Englisch)
Chlamydiae represent a bacterial phylum with obligate intracellular members of important medical relevance. In order to investigate the evolutionary origin of the phylum, we used comparative genomics among all sequenced members of Chlamydiae and the proposed sister phyla Planctomycetes, Verrucomicrobia, Lentisphaera and Omnitrophica (PVC superphylum) to identify their genomic links. A single protein, unique and universally shared among all members of this superphylum, was identified and characterized. Based on the accumulated evidence, this protein is proposed to perform a function analogous to that of the L30 ribosomal protein, which is missing among all members of this superphylum. This protein proved to be a good taxonomic and phylogenetic marker as it was successfully used to extract PVC phyla diversity insights from all available metagenomic datasets. The diversity of the phylum Chlamydiae was revisited with the collection and analysis of all publicly available genomic and metagenomic data for chlamydia-like proteins or 16S rRNA genes sequences. In addition to the eight currently described families in the phylum, this analysis supports the existence of more than 200 unknown families, the majority of which contain sequences originating exclusively from marine ecosystems. In order to probe this yet undiscovered diversity of environmental chlamydia, a novel method for axenization of amoebae, which serve as natural hosts for chlamydiae, was developed. Using tolC-KO Escherichia coli, rendered hypersensitive to antibiotics, control and elimination of E.coli from amoeba cultures was achieved by the addition of otherwise sub-lethal amounts of antibiotics. Application of this approach resulted in improved axenization efficiency of amoebae and suggested that infection with more than one bacterial symbiont is more frequent than recognized previously. This observation led to the idea that amoeba hosts may be sites of increased genetic exchange. The possible effect of symbiosis-mediated lateral gene transfer (LGT) onto host amoeba, were thus investigated through the genomic analysis of the model host Acanthamoeba castellanii, as well as four other protists. Using a conservative, phylogeny-based approach it was shown that the A. castellanii and Naegleria gruberi genomes encode the highest number of LGTs (450 and 431 genes, respectively) attributed to prokaryotic origins. For all analyzed amoeba, the closest phylogenetic neighbors of the identified HGTs, belong to microorganisms present at the respective ecological niche of each amoeba species, with a strong selection for genes encoding metabolic functions. Overall this work improved our evolutionary understanding of the phylum and provided additional means for the future analysis of its members.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Chlamydiae Amoeba 16S rRNA diversity /NGS
Schlagwörter
(Deutsch)
Chlamydien Amöben 16S rRNA Diversität NGS
Autor*innen
Ilias Lagkouvardos
Haupttitel (Englisch)
Evolutionary history and phylogenetic diversity of Chlamydiae
Paralleltitel (Deutsch)
Evolutionäre Geschichte und phylogenetische Diversität von Chlamydien
Paralleltitel (Englisch)
Evolutionary history and phylogenetic diversity of Chlamydiae
Publikationsjahr
2014
Umfangsangabe
135 S.
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Christa Schleper ,
Julia Walochnik
AC Nummer
AC12224660
Utheses ID
31007
Studienkennzahl
UA | 094 | 437 | |