Prospects of whole-genome analysis in understanding the ecology and evolution of foodborne pathogens

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-8382-8
Title: Prospects of whole-genome analysis in understanding the ecology and evolution of foodborne pathogens
Alternative title: Kokogenomianalyysin mahdollisuudet elintarvikevälitteisten patogeenien ekologian ja evoluution ymmärtämiseksi.
Author: Jaakkola, Kaisa
Other contributor: Helsingin yliopisto, eläinlääketieteellinen tiedekunta
Helsingfors universitet, veterinärmedicinska fakulteten
University of Helsinki, Faculty of Veterinary Sciences
Ruokaketjun ja terveyden tohtoriohjelma
Doktorandprogrammet i livsmedelskedjan och hälsa
Doctoral Programme in Food Chain and Health
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2022-08-26
Language: en
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-8382-8
http://hdl.handle.net/10138/346132
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Globally, an estimated 1.9 billion people acquire a foodborne infection, and 715,000 die each year. The burden of foodborne disease is significant, yet the reservoirs, attributable sources of infection, lifestyles, and ecological niches of many sporadic foodborne pathogens remain poorly understood. The availability of genomic data makes it an appealing starting point for the study of ecological niches and evolution within bacteria. This thesis assessed the suitability and prospects of comparative genome analysis and pangenomic approach for a better understanding of the ecology, evolution, and through these, also the epidemiology of foodborne pathogens. Comparative genome analyses conducted on Clostridium botulinum, Clostridium perfringens, Yersinia enterocolitica, and Yersinia pseudotuberculosis shed light on genetic differences that contributed to cold adaptation and spore heat resistance. Psychrotrophic C. botulinum strains Type E lacked cold shock protein genes conserved in other strains suggesting that cold shock protein homologs are not necessary for cold adaptation in C. botulinum Type E. The comparative genome analysis of cpe-carrying C. perfringens strains revealed a novel subgroup, and a corresponding gene profile, of food poisoning-associated lineage IV strains that produced heat-sensitive spores. A transcriptome study on cold shock response and cold adaptation of Y. pseudotuberculosis identified cold shock proteins, RNA helicases, and transcription factors seemingly contributing to survival in cold. Additionally, genetic changes contributing to niche adaptation and survival in different reservoirs were identified. Comparative genome analysis of C. perfringens revealed a putative reservoir for lineage IV strains within swine and poultry farms. The comparison of enteropathogenic Yersinia isolates revealed that all Y. pseudotuberculosis isolates shared several genetic traits, useful for survival in variable environments that were absent from Y. enterocolitica. Most notably, the Y. pseudotuberculosis strains harbored a selection of type VI secretion systems targeting the competitive organisms. The pangenomic approach was applied to provide a scalable, high-resolution view of the population structure for all studied bacteria. Comparative genome analysis and pangenomic approach successfully elucidated adaptive evolution within virulence and stress response mechanisms and allowed inference of evolutionary relationships between foodborne pathogens. The studies shed light on the genes contributing to stress tolerance and ecological niche adaptation in foodborne pathogens and the distribution of these genes within the population. Knowledge of genes associated with stress tolerance, reservoirs, and lifestyles is beneficial in the development of new targeted strategies and measures to identify and control the food safety risks caused by these bacteria.Vuosittain 1,9 miljardia ihmistä sairastuu elintarvikevälitteiseen infektioon ja heistä 715 000 kuolee. Elintarvikevälitteisten tautien taakka on merkittävä, mutta taudinaiheuttajien säilymöt, tartunnanlähteet sekä ekologia ja elämäntyyli tunnetaan yhä puutteellisesti. Genomidatan saatavuus on tehnyt kokogenomianalyysista houkuttelevan mahdollisuuden bakteerien ekologian ja evoluution tutkimiselle. Tässä väitöskirjassa arvioitiin vertailevan genomianalyysin mahdollisuuksia ja soveltuvuutta ympäristöperäisten elintarvikevälitteisten bakteerien ekologian, evoluution ja näiden myötä myös epidemiologian ymmärtämiseksi. Clostridium botulinumin, Clostridium perfringensin, Yersinia enterocolitican ja Yersinia pseudotuberculosiksen vertailevat genomianalyysit paljastivat geneettisiä eroja, jotka liittyvät kantojen kylmänsietokykyyn ja itiöiden lämmönsietokykyyn. Psykrotrofisista tyypin E C. botulinum -kannat olivat menettäneet muissa kannoissa konservoituneet kylmäshokkiproteiinien homologit, mikä viittaa siihen, että nämä kylmäshokkiproteiinit eivät ole välttämättömiä tyypin E C. botulinum -kantojen kylmänsiedolle. C. perfringensin vertaileva genomianalyysi paljasti uuden alaryhmän ruokamyrkytyksiin liitettyjä linja IV kantoja, joiden itiöt eivät olleet lämmönsietokykyisiä. Tutkimalla kylmäshokin ja kylmään sopeutumisen aikaista transkriptiota Y. pseudotuberculosiksessa tunnistettiin useita kylmäshokkigeenejä, RNA helikaaseja sekä transkriptiotekijöitä, jotka ilmentyvät merkittävästi enemmän kylmissä olosuhteissa. Genomianalyyseissä tunnistettiin geneettisiä muutoksia, joita ekolokeroihin sopeutuminen ja selviytyminen eri säilymöissä vaikuttaa populaatioissa saaneen aikaan. Genomitiedon valossa linjan IV C. perfringens -kantojen todennäköinen säilymö vaikuttaisi olevan sika- ja siipikarjatiloilla. Enteropatogeenisten Yersinioiden analyysissa havaittiin, että Y. pseudotuberculosis -kannoilla on genomeissaan monia ympäristössä selviämiselle hyödyllisiä geneettisiä työkaluja, joka puuttuvat Y. enterocoliticasta. Näistä merkittävä on Y. pseutotuberculosiksen valikoima tyypin VI -eritysjärjestelmiä, jotka tyypillisesti toimivat puolustusmekanismina kilpailevia organismeja vastaan. Tutkittavan populaation kaikkien geenien eli pangenomin analysointi tuotti myös skaalautuvan ja resoluutioltaan tarkan kuvan tutkittavien bakteerien populaatiorakenteesta. Vertaileva genomianalyysi soveltui hyvin virulenssi- ja stressitekijöiden evoluution sekä sopeutumisen tutkimiseen elintarvikevälitteisten bakteerien populaatioissa. Analyysin tulokset erittelivät stressinsietoon sekä ekologiseen sopeutumiseen liittyviä geenejä ja näiden jakaumaa populaatiossa. Stressinsiedon, säilymöiden sekä kantojen ekologian ymmärtäminen on tärkeää näihin liittyvien elintarviketurvallisuusriskien arvioimiseksi ja hallitsemiseksi.
Subject: eläinlääketiede
Rights: Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Jaakkola_Kaisa_dissertation_2022.pdf 2.228Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record