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Diversity and evolution of mobile genetic elements in Vibrio
Kerrin Steensen
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Zentrum für Mikrobiologie und Umweltsystemwissenschaft
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium Naturwissenschaften (Lebenswissenschaften): Biologie
Betreuer*in
Martin F. Polz
DOI
10.25365/thesis.78369
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-16151.85205.369475-4
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Der Austausch mobiler genetischer Elemente spielt eine zentrale Rolle in der bakteriellen Evolution, der sich besonders in der starken Variabilität solcher Elemente zwischen sehr nah verwandten bakteriellen Stämmen äußert. Verschiedene mobile genetische Elemente, wie beispielweise Prophagen, Transposons oder Plasmide, können sich untereinander in der Mobilität, im Gen-Pool und in ihren Auswirkungen auf den bakteriellen Wirt stark unterscheiden. Obwohl immer mehr neue mobile genetische Elemente beschrieben werden, ist ihre gesamte Diversität noch weitgehend unbekannt. Diese Dissertation befasst sich mit der Diversität und Evolution mobiler genetischer Elemente in einem Modellsystem bestehend aus Bakterien der Gattung Vibrio, die gemeinsam in einem küstennahen, marinen Ökosystem vorkommen. Das erste Kapitel behandelt die Diversität und die Verbreitung von Prophagen – Viren, die ihre DNA in das bakterielle Wirtsgenom integrieren können. In der Vergangenheit fokussierte sich die Prophagen-Forschung hauptsächlich auf sogenannte Schwanz-Viren. Inzwischen gibt es jedoch Hinweise darauf, dass auch andere Arten von Viren ihr Genom in Vibrio Bakterien integrieren können. Da Schwanz-Viren in den aktuellen Datenbanken vorherrschend sind, werden andere Viren in der computergestützten Analyse häufig übersehen. Deshalb wurde die Identifizierung der Prophagen in dieser Arbeit weitgehend unabhängig von Datenbankinformationen, also „de novo“, durchgeführt. Auf diese Weise konnte ich zeigen, dass Prophagen in unserem Modellsystem deutlich häufiger zu den schwanzlosen und filamentösen Viren gehören als zu den besser untersuchten Schwanz-Viren. Diese schwanzlosen und filamentösen Viren zeichnen sich durch wenige, spezifische Integrationsstellen im Genom aus, ohne die Funktion der betroffenen Stelle langfristig zu beeinträchtigen. Schwanzlose und filamentöse Viren enthalten häufig einen variablen Genabschnitt, der auch im Zusammenhang mit Virus Abwehrfunktionen steht. Im zweiten Kapitel der Dissertation erweitere ich die Suche nach mobilen genetischen Elementen über Prophagen hinaus, um deren Vielfalt systematisch zu erfassen. Das Ergebnis umfasste eine große Anzahl und Vielfalt von insgesamt 2.600 mobilen genetischen Elementen aus 127 Isolaten mariner Bakterien, was auf eine Schlüsselrolle mobiler genetischer Elemente in der Evolution von Bakterien in der Umwelt hinweist. Dabei konnte ich zeigen, dass mobile genetische Elemente einen Großteil des flexiblen Genpools ausmachen. Ein Teil der Diversität in mobilen genetischen Elementen ist auf hochvariable Abschnitte in ihrem Genom zurückzuführen, in dem nicht-essenzielle Gene oder kleinere mobile genetische Elemente kodiert sind. Diese Dissertation zeigt die enorme Anzahl und Vielfalt mobiler genetischer Elemente sowie ihre komplexen Interaktionen auf und belegt, dass sie maßgeblich zur Diversifizierung von Bakterien in der Natur beitragen.
Abstract
(Englisch)
The exchange of mobile genetic elements (MGEs) drives bacterial evolution, as evidenced by the highly variable element content observed among closely related bacterial strains. There are different types of MGEs, such as viruses, transposons, or plasmids, each with its own mechanism of movement, accessory genes, and impact on bacterial hosts. Despite the ongoing discovery of novel MGEs, the full extent of their diversity and impact on the bacterial hosts remains largely unknown. In this dissertation, I explore the diversity and evolution of MGEs in a model system consisting of Vibrio bacteria sampled from the same coastal ocean environment. In the first chapter, I investigate the diversity and distribution of prophages, which are viral genomes integrated into their bacterial hosts’ chromosome and are among the first MGEs discovered. Historically, research on prophages mainly concentrated on tailed bacteriophages – bacterial viruses that employ a classical head-and-tail morphology – which now constitute the majority of bacteriophages in public databases. However, newer evidence suggests that other prophage types also integrate into Vibrio genomes. By applying de novo predictions, which are unaffected by database biases favoring tailed bacteriophages, I reveal that tailless and filamentous prophages outnumber tailed prophages. Tailless and filamentous bacteriophage genomes are integrated into conserved genomic sites thereby preventing functional gene disruption, and they frequently encode accessory genes involved in defense against other bacteriophages. In the second chapter, I investigate the diversity of MGEs beyond prophages in the Vibrio model system. I observe a large number and diversity of MGEs, a total of 2,600 elements infecting 127 bacteria sampled from a single environment, indicating a key role of MGEs in the evolution of their bacterial hosts. Furthermore, I show that MGEs are the main contributors to the flexible gene pool of bacteria, which consists of genes that vary among individuals within a bacterial species. I demonstrate that the diversity of MGEs is mediated by a remarkable variety of MGE types and subtypes, as well as highly variable accessory genes within MGE types that were often encoded in specific locations between blocks of conserved genes or at the MGE’s border. This dissertation highlights the large, vastly unexplored diversity and complex interactions of MGEs and their major importance for the genetic variation observed within bacterial species in nature.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Mobile genetische Elemente Prophagen Vibrio Pangenom
Schlagwörter
(Englisch)
Mobile genetic elements Prophage Vibrio Pangenome
Autor*innen
Kerrin Steensen 
Haupttitel (Englisch)
Diversity and evolution of mobile genetic elements in Vibrio
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
95 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Nicholas Irwin ,
Carolin Wendling
AC Nummer
AC17531507
Utheses ID
75593
Studienkennzahl
UA | 794 | 685 | 437 |