Computational genomics of lactobacilli

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-0887-6
Title: Computational genomics of lactobacilli
Author: Kankainen, Matti
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences, Department of Biosciences, Genetics
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2015-04-24
Belongs to series: Dissertationes Scholae Doctoralis Ad Sanitatem Investigandam Universitatis Helsinkiensis - URN:ISSN:2342-317X
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-0887-6
http://hdl.handle.net/10138/153951
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Lactobacilli are generally harmless gram-positive lactic acid bacteria and well known for their broad spectrum of beneficial effects on human health and usage in food production. However, relatively little is known at the molecular level about the relationships between lactobacilli and humans and about their food processing abilities. The aim of this thesis was to establish bioinformatics approaches for classifying proteins involved in the health effects and food production abilities of lactobacilli and to elucidate the functional potential of two biomedically important Lactobacillus species using whole-genome sequencing. To facilitate the genome-based analysis of lactobacilli, two new bioinformatics approaches were developed for the systematic analysis of protein function. The first approach, called LOCP, fulfilled the need for accurate genome-wide annotation of putative pilus operons in gram-positive bacteria, whereas the second approach, BLANNOTATOR, represented an improved homology-based solution for general function annotation of bacterial proteins. Importantly, both approaches showed superior accuracy in evaluation tests and proved to be useful in finding information ignored by other homology-search methods, illustrating their added value to the current repertoire of function classification systems. Their application also led to the discovery of several putative pilus operons and new potential effector molecules in lactobacilli, including many of the key findings of this thesis work. Lactobacillus rhamnosus GG is one of the clinically best-studied Lactobacillus strains and has a long history of safe use in the food industry. The whole-genome sequencing of the strain GG and a closely related dairy strain L. rhamnosus LC705 revealed two almost identical genomes, despite the physiological differences between the strains. Nevertheless of the extensive genomic similarity, present only in GG was a genomic region containing genes for three pilin subunits and a pilin-dedicated sortase. The presence of these pili on the cell surface of L. rhamnosus GG was also confirmed, and one of the GG-specific pilins was demonstrated to be central for the mucus interaction of strain GG. These discoveries established the presence of gram-positive pilus structures also in non-pathogenic bacteria and provided a long-awaited explanation for the highly efficient adhesion of the strain GG to the intestinal mucosa. The other Lactobacillus species investigated in this thesis was Lactobacillus crispatus. To gain insights into its physiology and to identify components by which this important constituent of the healthy human vagina may promote urogenital health, the genome of a representative L. crispatus strain was sequenced and compared to those of nine others. These analyses provided an accurate account of features associated with vaginal health and revealed a set of 1,224 gene families that were universally conserved across all the ten strains, and, most likely, also across the entire L. crispatus species. Importantly, this set of genes was shown to contain adhesion genes involved in the displacement of the bacterial vaginosis-associated Gardnerella vaginalis from vaginal cells and provided a molecular explanation for the inverse association between L. crispatus and G. vaginalis colonisation in the vagina. Taken together, the present study demonstrates the power of whole-genome sequencing and computer-assisted genome annotation in identifying genes that are involved in host-interactions and have industrial value. The discovery of gram-positive pili in L. rhamnosus GG and the mechanism by which L. crispatus excludes G. vaginalis from vaginal cells are both major steps forward in understanding the interaction between lactobacilli and host. We envisage that these findings together with the developed bioinformatics methods will aid the improvement of probiotic products and human health in the future.Laktobasillit ovat enimmäkseen harmittomia gram-positiivisia maitohappobakteereja. Vaikka näitä terveysvaikutteisiakin hyötybakteereja on hyödynnetty elintarvikkeiden valmistuksessa jo vuosisatoja, tietämyksemme laktobasillien molekyylibiologisista perusteista on varsin rajallinen. Tämän väitöskirjatyön tavoitteena oli kehittää uusia laskennallisia työkaluja laktobasillien tuottamien biomolekyylien karakterisointiin sekä selvittää kahden biolääketieteellisestikin merkittävän laktobasillilajin toimintaan perimän luentaa hyödyntäen. Väitöskirjatutkimuksessa esitellään kaksi laskennallisen biologian menetelmää laktobasillien ilmentämien ominaisuuksien ennustamiseen perimätiedosta sekä hyödynnetään näitä laktobasillien toiminnan tulkinnassa. Menetelmistä ensimmäinen, LOCP, on luotu seulomaan perimätiedosta pili-tartuntaelimien tuottamiseen tarvittavia geeniryhmiä, kun taas menetelmistä jälkimmäinen, BLANNOTATOR, on sekvenssivertailuihin ja lähisukuisista biomolekyyleistä lainattuun tietoon perustuva uusi proteiinisekvenssien luokitintyökalu. Osatöissä tehdyissä selvityksissä molemmat kehitetyistä menetelmistä osoittautuivat ennennäkemättömän tarkoiksi ja kykeneviksi löytämään muiden tehtäviin soveltuvien menetelmien erheellisesti sivuttamaa tietoa. Ohjelmien avulla pystyttiin myös löytämään uusia pili-tartuntaelimien tuottamiseen tarvittavia geeniryhmiä sekä muita mahdollisesti biolääketieteellisesti merkittäviä ominaisuuksia laktobasilleista, mukaan lukien useimmat tässäkin väitöskirjatyössä esitetyt havainnot. Ensimmäinen väitöskirjatyössä tarkasteltu bakteeri oli Lactobacillus rhamnosus GG, joka on eräs tunnetuimmista ja tutkituimmista probiooteista, eli terveysvaikutteisista bakteereista. Tämän teollisestikin merkittävän laktobasillin perimän luenta ja perimän vertailu toisen lähisukulaisen laktobasillin, L. rhamnosus LC705, perimään paljasti yllätyksellisen vähän perinnöllisiä eroja näiden kahden biologisesti erilaisen bakteerin välillä. Perimien vastaavuudesta huolimatta tutkimuksessa onnistuttiin laskennallisia menetelmiä hyödyntämällä kuitenkin myös tunnistamaan yhteensä viisi L. rhamnosus GG -bakteerille ominaista perimäjaksoa, joista merkittävimmän havaittiin sisältävän pili-tartuntaelimien biosynteesissä tarvittavan geeniryhmän. Työssä myös todistettiin pili-tartuntaelimen ilmentyminen bakteerisolun pinnalle ja tartuntaelimen erään osakomponentin merkitys L. rhamnosus GG -bakteerin sitoutumiselle ihmisen ruuansulatusjärjestelmää peittävään limaan. Yhdessä nämä löydökset todistivat kiistatta ensimmäistä kertaa pili-tartuntaelimen ilmentymisen hyötybakteerissa ja tarjosivat uraauurtavan näkökulman L. rhamnosus GG -bakteerin terveysvaikutuksille sekä kyvylle sitoutua ruuansulatusjärjestelmän eri osiin L. rhamnosus LC705 -bakteeria paremmin. Lisäksi väitöskirjatyössä selvitettiin ihmisen emättimessä runsaastikin läsnä olevan ja emätinterveydelle tärkeän Lactobacillus crispatus -bakteerin perinnöllistä perustaa. Työssä kartoitettiin L. crispatus -lajia hyvin edustavan kannan perimä. Vertaamalla kannan perimää yhdeksän muun saman lajin kannan perimiin, luotiin kattava kuvaus lajin ominaisuuksista ja tunnistettiin yhteensä 1224 geeniperhettä, joiden voidaan olettaa vastaavan bakteerin lajityypillisistä piirteistä. Nämä lajityypilliset geeniperheet muodostavat merkittävän osan kunkin L. crispatus -kannan perimästä, ja niiden joukosta onnistuttiin tunnistamaan lajin tarttumiskyvystä mahdollisesti vastaavia geenejä. Erään tällaisen tarttumisgeenin tuotteen osoitettiin myös kykenevän estämään Gardnerella vaginalis -haittabakteerin kiinnittymistä emättimen epiteelin. Tämä löydös selittää osaltaan L. crispatus -bakteerin roolia terveen emättimen valtalajina. Loppupäätelmänä voidaan esittää, että bakteerien perimän luenta ja bakteeriperäisten proteiinisekvenssien luokitusennustukset ovat äärimmäisen hyödyllinen tapa tulkita laktobasillien ilmentämiä ominaisuuksia ja löytää terveysvaikutteisia biomolekyylejä. Pili-tartuntaelimien ja G. vaginalis -haittabakteerin kiinnittymistä estävän proteiinin löytyminen ovat tärkeä edistysaskel kohti kokonaisvaltaista laktobasillien ja ihmisten vuorovaikutuksien ymmärtämistä ja voivat avata yhdessä kehitettyjen laskennallisten biologisten menetelmien kanssa täysin uudenlaisia lähestymistapoja tuottaa entistä parempia terveyttä edistäviä elintarvikkeita ja parantaa ihmisterveyttä.
Subject: genetics
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
computat.pdf 3.057Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record