Evolutie van Bordella pertussis i.r.t. vaccinatie Flashcards
Wat gebeurd er met bacterie populaties als we vaccineren?
- Vervanging.
* Vervanging van vaccintype stammen door niet-vaccintypes – reeds bestaande.
* Vervanging door verschillende serotypen met hetzelfde gecombineerde accessoire-genoom.
* Voorbeeld: pneumokokken PCV7-vaccinatie. - Overstappen.
* Vervanging van vaccintype stam door nieuw gemuteerde versie van vaccinatie.
* Heeft hetzelfde accessoire-genoom.
* Voorbeeld: Influenza (antigene drift/shift), Bordetella pertussis.
Bordetella pertussis – whooping cough / kinkhoest
- Mens specifiek.
- Koloniseert de luchtwegen.
- Verspreiding via aerosolen.
Genoom
- Evolutie wordt gekenmerkt door herschikking en verlies van DNA.
- Hoog aantal transposasen.
Virulentie factoren
Gifstoffen:
* Pertussis toxine (Ptx)
* Tracheaal cytotoxine (Tct)
* Adenylaatcyclasetoxine (Act)
* Dermonecrotisch toxine (Dnt)
* LPS (LOS)
Adhesinen:
* PTX werkt als adhesine
* Filamenteuze hemagglutinine (Fha)
* Pertactine (prn)
* Tracheale kolonisatiefactor (Tcf)
* Fimbriae (Fim)
Pertussis toxin (Ptx)
- Geëxporteerd door Type IV secretiesysteem.
- Modulatie van immuunresponsen van de gastheer.
- Remt macrofagen in de luchtwegen, werving van neutrofielen.
- Vermindert adaptieve immuunreacties.
- Op piek van infectie, pro-inflammatoir, hoesten: transmissie.
- Beschermend als een toxoïd vaccin met één component.
Pertactine (Prn)
- Bevordert adhesie aan tracheale epitheelcellen.
- Afgescheiden via autotransporter.
- Arg-Gly-Asp (RGD) tripeptide-motief dat eiwit-eiwit-interacties mogelijk maakt.
- Twee proline-rijke regio’s -> belangrijk voor binding.
- Belangrijk om weerstand te bieden aan door neutrofielen gemedieerde klaring.
- Vaccin component.
Moleculaire typering
- MLST- Allel verschillen van huishoudgenen worden gebruikt om genetische verwantschap af te leiden.
- Nu SNP’s van kern genoom alignment/read mapping of MLST van alle kerngenen (cgMLST).
Vaccinatie
- WCV – Whole Cell Vaccin
o Ontgift met formaldehyde behandelde B. pertussis-cellen.
o Reactogeniteit (bevat lipo-oligosachariden).
o Goedkoop.
o Effectiviteit varieert. - ACV – Acellulair vaccin.
o Kinkhoesttoxine (PTX), filamenteus hemagglutinine (FHA), Pertactine (PRN) en fimbriae (Fim2).
o Lager aantal bijwerkingen.
o Duur.
o Meer componenten = effectiever.
Heropleving van Pertussis
- Bewustwording/ betere diagnostiek (bijna alle gevallen worden nu gevonden).
- Afnemende immuniteit.
- Aanpassing van organisme aan vaccinselectie.
Mutaties in Prn gen van pertussis
- Prn-mutaties verschenen onafhankelijk.
- Onderzoek naar historische isolaten laat zien dat Prn2-mutanten in 2010 zijn verschenen.
- Prn1-mutanten eerder in 1994 waargenomen (zelfde gen, ander alleltype).
Pertussis incidence in Japan
- We wenden ons tot Japan -> ACV introductie veel eerder.
Piek in gemelde gevallen van kinkhoest 1978 -> kan ook meer bewustzijn en rapportage zijn.
De publieke opinie over mogelijke bijwerkingen in 1970 was de aanleiding om een acellulair vaccin te ontwikkelen
ACV: Kinkhoesttoxine (Ptx), filamenteus hemagglutinine (Fha), Pertactine (Prn) en fimbriae (Fim2) maar varieert sterk (T-type, B-type, componentvaccins).
Prn was aanwezig in vroege vaccinformuleringen in Japan Kunnen we uit genomische gegevens afleiden wanneer Prn-mutanten in Japan verschenen?
Collectie van isolaten (B. pertussis isolaten Konan Kosei Hospital).
- Klinische isolaten verzameld op verschillende locaties in Japan in de periode 1982-2014
- Sequentie met Illumina Hiseq 2x150 bp PE
- Montage met behulp van SPAdes
- Prn-fenotype
Veranderingen in eiwitten waarop ACV zich richt:
- Afgeleide PtxP-promotor, PtxA-gen en Prn-typen.
- Japan heeft een groot aantal Prn1-stammen 1981-2000.
Time Resolved phylogeny (voorbeeld Ebola):
- Als de relatie tussen vertakkingslengte in een boom en mutaties per jaar kalibreren op basis van monsters genomen van verschillende tijdstippen kunnen datums plaatsen op specifieke gebeurtenissen in de fylogenetische boom
- Neemt aan dat alle plaatsen (alle posities op het genoom) dezelfde snelheid van willekeurige mutaties hebben - niet het geval voor bacteriën.
Sluit ‘snel bewegende’ genen uit:
- Sommige genen hebben door sterke selectie een ‘snellere’ moleculaire klok dan andere -> sluit ongewoon snel evoluerende genen uit.
- Selectieve druk op ACV-genen en transposon-gerelateerde genen.
Formule variant tarief
((som van nucleotidevarianten van alle genen in categorie) – (som van genen in categorie))/ som van genlengte van alle genen in categorie in bp
Een wild Prn-mutant komt naar voren
- Kerngenoomuitlijning: Ca. 3,6 megabase DNA, maar slechts 1272 SNPs.
- Verwijderde SNPs in snel evoluerende genen: 872 SNPs over in de volledige dataset.
- Moleculaire klokanalyse uitgevoerd in BEAST -> ongeveer 1 SNP per jaar per genoom.
Prn1-mutanten 10 jaar na ACV.
Geen prn2-mutanten in studieperiode in Japan.
Conclusie
- Prn1-genotype heersend in Japan tot 2010. Prn2 aanwezig in Europa van 1990-
- Prn-mutanten evolueerden in Japan 1990-1994 minstens 3 keer, 10 jaar nadat ACV’s waren geadopteerd (in Prn1).
- Prn-mutanten verschenen in andere landen, ~10 jaar na ACV-adoptie (2010) in een andere kloon (in Prn2).
- Mogelijke selectieve evolutionaire druk door ACV omdat PTX (en FHA?) alleen op korte termijn en PRN op lange termijn beschermt -> Prn-mutanten ontsnappen aan het vaccin en veroorzaken ziekte.
Discussie
Hoe het probleem van de immuun ontsnapping / afnemende immuniteit op te lossen?
* Terug naar WCV? -> WHO raadt aan om WCV te gebruiken.
* Een extra component toevoegen -> fimbriae wordt in sommige formuleringen toegevoegd, andere te duur.
* Meer vaccinaties.
Waarom typering van bacteriën?
- Transmissie bepalen van interventie plegen.
o Bronopsporing: wie heeft wie besmet? - Veranderingen in bacteriepopulatie meten.
o Trends van nieuwe opkomende typen.
o Meestal gevolg van menselijk ingrijpen: bijv. antibioticagebruik, vaccinatie en import door reizen. - Fundamenteel onderzoek.
o Evolutie van bacterie.
Hoe meer eigenschappen je test, des te zekerder de conclusie of het dezelfde stam betreft.
Er is een grens: als de complete genomen van 2 isolaten slechts in één of enkele basenparen verschillen betreft het waarschijnlijk toch dezelfde stam.
SNP-analyse
Single Nucleotide Polymorfisme - verwantschap op basis van puntmutaties.
MLST
Multi Locus Sequence Typing - allel verschillen van huishoudgenen worden gebruikt om genetische verwantschap af te leiden.
MLST
een deel van de DNA sequentie wordt bepaald van een aantal huishoudgenen (meestal worden 7 niet gerelateerde genen gebruikt).
1. PCR van elke van de 7 huishoudgenen -> 7 PCR producten -> DNA sequencing (500bp).
2. Elke van de 7 sequenties wordt vergeleken met een tabellen van reeds bekende variant-sequenties.
3. De variantsequenties hebben een volgnummer gekregen en worden allelen genoemd.
o Wordt een nieuwe sequentie gevonden dan wordt een nieuwe allelnummer toegekend -> één puntmutatie geeft al een ander allel.
4. De allelnummers worden gecombineerd tot een MLST-profiel.
5. Een profiel wordt verkort aangeduid als sequence type.
6. Elk bacteriespecies heeft eigen MLST (eigen set genen).
Moleculaire typering (genotypering)
Lage resolutie vs hoge resolutie
Lage resolutie: beperkt onderscheidend vermogen Moleculaire typering (genotypering)
- RAPD: random amplified polymorphic DNA.
- RFLP: Restriction fragement lenght polymorphism.
- PFGE: Pulsed Field Gel Electrophoresis.
- MLVA: Multiple-locus variable number tandem repeats analysis.
- SLST: Single-locus sequence typing.
- MLST: Multi-locus sequence typing.
Hoge resolutie: hoog onderscheidend vermogen moleculaire typering
- WGM: Whole genome mapping.
- WGS: WHole genome sequencing.
- SNP: Single nucleotide polymorphism.
- wgMLST: Whole genome MLST.
Stappen construeren van een fylogentische boom op basis van NGS
SNP analyse (single nucleotide polymorphisms) = verwantschap op basis van puntmutaties.
Whole genome MLST = clustert op basis van duizenden genen.
Voordelen NGS
Genoom sequencing gaat steeds sneller:
* Steeds meer genomen bepaald, maar niet meer apart gepubliceerd.
* De methoden voor het sequencen veranderen snel: next-generation sequencing.
Meest gebruikte NGS technieken op dit moment
- Illumina (meest gebruikte NGS).
- IonTorrent
- PacBio SMRT
- Nanopore
