Characteristics of the Genome Evolution of the Bacterial Pathogens Piscirickettsia and Myroides
Whole genome sequencing and subsequent comparative genomic analysis of pathogenic bacteria greatly furthers the understanding of their evolution, epidemiology, virulence and antibiotic resistance. This work presents genomic studies of two entirely different bacterial pathogens. The main part of the thesis covers the analysis of 73 complete and high quality genomes of the genus Piscirickettsia, currently all classified into the species P. salmonis. The second part of the thesis examines 21 Myroides genomes.
The fish pathogen Piscirickettsia salmonis, a member of the Gammaproteobacteria, is the causative agent of the multi-systemic infection piscirickettsiosis. The disease can lead to high mortalities in different salmonids and causes considerable commercial losses in the salmon farming industry. It is especially problematic in Chile, while being considered controllable in other salmon producing countries. The pathogen was first isolated and described over thirty years ago, but many fundamental aspects of its biology are still only poorly understood. In this work, the sequencing of more than fifty isolates established a comprehensive data set, that allowed for a detailed comparative genomic analysis aiming to describe diversification, virulence and antibiotic resistance of the bacterium and identify the underlying mechanisms. Genomic distances and neglectable homologous recombination indicate that two previously recognized, not geographically separated, genogroups from Chile and a third group containing non-Chilean isolates represent genetically distinct lineages that should be recognized as separate species. Furthermore, a comprehensive phylogenetic analysis of available 16S rRNA gene sequences reveals the existence of additional species and a global distribution of the genus Piscirickettsia. Unlike closely related bacteria, P. salmonis genomes contain more than one copy of the gene cluster encoding the main virulence factor, the Icm/Dot type IVB secretion system. Although it had first been assumed that in P. salmonis at least two copies are necessary for infection, this work reports first signs of degeneration in genes coding for essential components of the secretion system. In two newly sequenced isolates, Icm/Dot clusters were additionally found on extrachromosomal elements, apparently mobilized by transposases. This suggests a mechanism for duplication and transmission of this virulence factor. Transposases are present in the P. salmonis genomes in abundance and were likely highly active in the past, leading to a high number of pseudogenes and contributing to the divergence of the genogroups. Signs of recent transposition activity are relatively rare and genomes within the same genogroup show high gene order conservation. The Piscirickettsia genome is not yet markedly reduced, but appears to be in the first stages of adaption to host dependency.
The second part of this work explores genomes of the genus Myroides. These bacteria occur in water and soil, and occasionally cause infections in humans. Due to broad intrinsic antibiotic resistances, Myroides infections are difficult to treat and can lead to fatal outcomes. All genomes in the study belong to a distinct clade that has previously been collectively identified as the species M. odoratus. Results presented in this thesis indicate that they could form as many as eight separate species, some of which are exclusively represented by genomes newly sequenced in the course of this study. While resistance mechanisms in Myroides are not yet fully understood, this work could identify a new metallo-beta-lactamase variant of the TUS/MOC type and determine a mutation causing quinolone resistance.
Gesamtgenomsequenzierungen und anschließende vergleichende genomische Studien von pathogenen Bakterien fördern das Wissen über deren Evolution, Epidemiologie, Virulenz und Antibiotikaresistenzen. Die vorliegende Arbeit präsentiert die genomischen Untersuchungen an zwei äußerst unterschiedlichen bakteriellen Pathogenen. Der Hauptteil der Arbeit befasst sich mit der Analyse von 73 kompletten und hochqualitativen Genomen der Gattung Piscirickettsia, welche zurzeit alle als P. salmonis klassifiziert sind. Der zweite Teil der Arbeit untersucht 21 Myroides-Genome.
Das fischpathogene Gammaproteobakterium Piscirickettsia salmonis ist der Erreger einer multisystemischen Infektion. Die Krankheit kann in verschiedenen Lachsfischen zu hohen Mortalitätsraten führen und bereitet der Lachsfarmindustrie erhebliche finanzielle Schäden. Obwohl das Pathogen schon vor über 30 Jahren isoliert und beschrieben wurde, gibt es noch große Wissenslücken hinsichtlich wesentlicher Aspekte der Biologie des Bakteriums. Die Sequenzierung von über fünfzig Isolaten bildete in dieser Arbeit die Grundlage für umfangreiche vergleichende genomische Analysen mit der Zielsetzung die Diversifizierung, Virulenz und Antibiotikaresistenz zu beschreiben und zugrunde liegende Mechanismen aufzudecken. Genomische Distanzen und vernachlässigbare homologe Rekombination weisen darauf hin, dass es sich bei zwei bekannten, nicht geografisch voneinander getrennten, Genogruppen aus Chile sowie einer dritten Gruppe von nichtchilenischen Isolaten um genetisch distinkte Abstammungslinien handelt, welche als separate Arten anerkannt werden sollten. Eine umfangreiche phylogenetische Analyse aller öffentlich zugänglichen 16S rRNA Gensequenzen deutet außerdem auf die Existenz weiterer Arten und auf eine globale Verteilung der Gattung Piscirickettsia hin. Anders als nah verwandte Bakterien besitzen P. salmonis-Genome mehr als eine Kopie des Genclusters, welches für den Hauptvirulenzfaktor, das Icm/Dot Typ IVB Sekretionssystem, kodiert. Obwohl zunächst angenommen wurde, dass in P. salmonis zumindest zwei Kopien unbedingt nötig sind, zeigen Sequenzvergleiche in dieser Arbeit erste Anzeichen von Verfall in Genen, die für entscheidende Bestandteile des Sekretionssystems kodieren. In zwei Isolaten wurden außerdem, offenbar durch Transposasen mobiliserte, Icm/Dot Cluster auf extrachromosomalen Elementen gefunden, ein möglicher Mechanismus für die Duplikation und Transmission dieses Virulenzfaktors. Transposasen sind in P. salmonis-Genomen in vergleichsweiser hoher Anzahl vorhanden, waren in der Vergangenheit offenbar hochaktiv und trugen zur Artbildung bei. Anzeichen für kürzliche Aktivität sind jedoch kaum vorhanden. Genome derselben Genogruppe sind sehr syntän. Die bis jetzt nicht deutlich verkürzten Genome scheinen sich in den frühen Phasen der Entwicklung zu einer Wirtsabhängigkeit befinden.
Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit Genomen der Gattung Myroides. Diese Wasser- und Bodenbakterien rufen in seltenen Fällen Infektionen bei Menschen hervor, welche aufgrund von intrinsischen Antibiotikaresistenzen schwer zu behandeln sind und einen tödlichen Ausgang nehmen können. Alle Genome des Datensatzes gehören einer distinkten Klade an, welche bisher kollektiv als M. odoratus identifiziert wurde. Die Ergebnisse dieser Arbeit deuten jedoch darauf hin, dass die Isolate aus bis zu acht verschiedenen Arten stammen könnten. Obwohl die Resistenzmechanismen des Genus noch nicht gut verstanden werden, konnten eine neue Metallobetalaktamase des Typs TUS/MOC und eine Chinolonresistenzmutation identifiziert werden.
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