Lactobacillus crispatus and Propionibacterium freudenreichii : A Genomic and Transcriptomic View

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-1844-8
Title: Lactobacillus crispatus and Propionibacterium freudenreichii : A Genomic and Transcriptomic View
Author: Ojala, Teija
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences, Department of Biosciences, General microbiology
Institute of Biotechnology
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2016-01-22
Language: en
Belongs to series: Dissertationes Scholae Doctoralis Ad Sanitatem Investigandam Universitatis Helsinkiensis - URN:ISSN:2342-317X
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-1844-8
http://hdl.handle.net/10138/159319
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Modern DNA sequencing technologies have opened up new possibilities to study bacteria. These methods have not only enabled the characterization of the genetic capacities of bacteria at previously unseen scale but have also provided a wealth of information about bacterial transcriptomes. In this thesis, sequencing and subsequent analysis approaches were applied to study Lactobacillus crispatus and Propionibacterium freudenreichii. Specifically, the aim was to uncover how these two Gram-positive species of human relevance can live in and interact with their environments. L. crispatus is a prominent member of the human vaginal flora and important for urogenital health. In this thesis, an annotated genome sequence was produced for L. crispatus ST1 and analyzed in conjunction with publicly available genome sequences of nine vaginal L. crispatus isolates. The common ortholog groups of the ten isolates captured approximately 57% of the ortholog groups of each isolate and provided a good estimation of the final set of core features of this central urogenital species. Notably, several of the detected L. crispatus core features were of putative relevance to vaginal health. Among these features was a previously characterized adhesin, which was in this thesis identified as a likely antagonist to the harmful vaginal bacterium Gardnerella vaginalis. Altogether, the study revealed a notable functional similarity between the L. crispatus strains and established the role of L. crispatus core proteins in maintaining vaginal health. P. freudenreichii, in turn, is an industrially important dairy culture. In this thesis, the cheese starter P. freudenreichii ssp. shermanii JS was subjected to transcriptome and genome sequencing to gain a deeper understanding of the role of this bacterium in industrial cheese ripening. The genome of strain JS encoded several enzymes and metabolic pathways involved in the formation of flavor compounds and was highly similar to those of the other P. freudenreichii strains. Transcriptome analysis of industrial cheese samples revealed nearly 15% of the 2,377 protein-coding genes of strain JS to be significantly differentially expressed between the warm and cold room ripening of cheese. Several of the flavor-associated genes exhibited higher expression levels in the warm compared to the cold room samples, corroborating the hypothesis that P. freudenreichii contributes more to the cheese flavor development during warm than cold room ripening. Automated function prediction of bacterial protein sequences greatly facilitated the genomics investigations of L. crispatus and P. freudenreichii in this thesis, providing functional descriptions for a majority of the predicted coding sequences of strains ST1 and JS. Moreover, re-annotation of the coding sequences of the nine publicly available vaginal L. crispatus isolates significantly increased the portion of the L. crispatus coding sequences with functional descriptions in the comparative genomics study of L. crispatus. The different methods varied in their prediction capabilities and were often complementary, supporting the use of more than one function prediction method in a bacterial genome project. Moreover, extremely strict thresholds in the homology searches were noted to unnecessarily restrict the pool of hits available for annotation transfer, hampering both the annotation quality and the fraction of coding sequences with a functional classification. Taken together, the utilized sequencing approaches coupled with suitable downstream analyses proved effective in deciphering the physiology of lactobacilli and propionibacteria and offered novel insights into the health-promoting properties of L. crispatus and flavor-forming capabilities of P. freudenreichii.Laktobasillit ja propionibakteerit ovat elintarvikkeiden hapattamisessa yleisesti käytettyjä ja luontaisesti ihmiselimistössä eläviä Gram-positiivisia bakteereja. Niitä on käytetty vuosisatoja esimerkiksi juustojen valmistuksessa ja niiden on viime aikoina huomattu vaikuttavan jopa ihmisterveyteen. Tämän väitöskirjatyön tavoitteena on ollut parantaa tietämystämme näistä kahdesta merkittävästä bakteeriryhmästä etenkin perimänluentamenetelmiä sekä laskennallisen biologian työkaluja hyödyntämällä. Erityisesti väitöskirjatyössä on keskitytty selvittämään emätinterveydelle merkittävän Lactobacillus crispatus -bakteerin perimän monimuotoisuutta sekä teollisuudessa käytetyn Propionibacterium freudenreichii -hapatebakteerin toimintaa juustokypsytyksen eri vaiheissa. L. crispatus -lajin perimän monimuotoisuutta selvitettiin kartoittamalla L. crispatus ST1 -kannan perimä ja analysoimalla se yhdessä yhdeksän muun julkisesti saatavilla olevan L. crispatus -lajiin kuuluvan kannan perimän kanssa. Kaikki analysoidut perimät olivat hyvin samankaltaisia ja keskimäärin noin 57% yksittäisen kannan geeniperheistä oli läsnä kaikissa muissa perimissä. Kaikille kymmenelle perimälle yhteisten geeniperheiden todettiin kuvaavan edustavasti tälle lajille ominaisia perimäjaksoja ja selittävän lajiin liitettyjä emätinterveyttä edistäviä vaikutuksia. Tutkimuksessa myös osoitettiin erästä tällaista yhteisen geenin ilmenemistuotetta vastaan tuotettujen vasta-aineiden pystyvän estämään emätinterveydelle haitallisena pidetyn Gardnerella vaginalis -bakteerin kiinnittymistä ihmissoluihin. Nämä löydökset viittaavat emätinterveyttä edistävien toimintamekanismien olevan tyypillisiä L. crispatus -lajille ja voivat luoda uusia mahdollisuuksia emättimen bakteeritasapainon häiriöiden hoitoon. Teollisesti merkittävää juustohapatebakteeria puolestaan tutkittiin kartoittamalla P. freudenreichii ssp. shermanii JS -kannan perimä ja selvittämällä löydettyjen 2377 geenin aktiivisuus teollisen juustokypsytyksen kahdessa eri vaiheessa. Tutkitun kannan perimä osoittautui hyvin samankaltaiseksi aiemmin julkaistujen P. freudenreichii -kantojen perimien kanssa ja siitä tunnistettiin useita juuston maun kehityksen kannalta olennaisia geenejä. Useaa näistä makugeeneistä ilmennettiin voimakkaammin juuston lämpöisessä tapahtuneen esikellaroinnin kuin sitä seuranneen viileässä tapahtuneen kellaroinnin aikana. Nämä tulokset valottavat P. freudenreichii -bakteerin roolia juustokypsytyksessä ja korostavat erityisesti sen esikellaroinnin aikaisten toimintojen merkitystä juuston maulle. Yllä kuvatuissa perimäanalyyseissä hyödynnettiin laskennallisia menetelmiä ennustettujen geenien toiminnan luokittelemisessa. Näiden menetelmien avulla oli mahdollista ennustaa valtaosalle ST1- ja JS-kantojen geeneistä toimintakuvaus. Tämän lisäksi laskennallisen biologian menetelmiä hyödyntämällä pystyttiin tuottamaan tutkimukseen sisällettyjen julkisten L. crispatus -bakteerien perimien sisältämille geeneille aiempaa korkealaatuisempia toimintakuvauksia. Koska käytetyt laskennalliset menetelmät tuottivat usein toisiaan täydentäviä toimintakuvauksia, parhaat tulokset saavutettiin hyödyntämällä useaa menetelmää ja yhdistelemällä menetelmien tuloksia. Lisäksi käyttämällä löyhempiä kynnysarvoja sekvenssivertailutuloksien käsittelyssä pystyttiin luokittelemaan suurempi joukko geenejä kuin tiukkoja kynnysarvoja käyttämällä ilman että kuvausten laatu merkittävästi heikkeni. Tässä väitöskirjatyössä käytetyt menetelmät osoittautuivat tehokkaiksi ja käytännöllisiksi työkaluiksi laktobasillien ja propionihappobakteerien tutkimuksessa. Lisäksi esitetyt tutkimustulokset edistävät huomattavasti tietämystämme L. crispatus -bakteerin emätinterveydelle merkittävistä ominaisuuksista ja P. freudenreichii -bakteerin toiminnasta juuston valmistuksessa.
Subject: yleinen mikrobiologia
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
lactobac.pdf 1.821Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record