Wpływ mobilomu na strukturę genomu i właściwości oportunistycznej bakterii Paracoccus yeei

Obiektem badań przeprowadzonych w niniejszej rozprawie jest Paracoccus yeei (klasa: Alphaproteobacteria; rodzina: Rhodobacteraceae) – bakteria powodująca oportunistyczne infekcje u ludzi. Jest to ciekawa właściwość, zważywszy na fakt, że bakterie z rodzaju Paracoccus uznawane są powszechnie za organizmy saprofityczne, występujące w środowiskach naturalnych i antropogenicznych. Cechą charakterystyczną genomów Paracoccus spp. jest ich złożona struktura oraz obecność dużej liczby replikonów pozachromosomowych (ECR, ang. extrachromosomal replicons) – w tym chromidów (replikony niezbędne) i plazmidów, często niosących informację genetyczną o charakterze adaptacyjnym. Główna hipoteza badawcza rozprawy zakłada, że plazmidy i inne ruchome elementy genetyczne występujące w genomach P. yeei niosą determinanty genetyczne odpowiadające za właściwości oportunistyczne tej bakterii. Podstawą przeprowadzonych badań było uzyskanie kompletnych sekwencji nukleotydowych genomów ośmiu szczepów P. yeei – izolatów klinicznych i środowiskowych – pochodzących z różnych krajów i różnych siedlisk/przypadków medycznych. W pierwszym etapie badań przeprowadzono szczegółową analizę z zakresu genomiki porównawczej P. yeei, obejmującą m.in. analizę struktury chromosomów oraz charakterystykę 66 ECR tych bakterii. W efekcie: (a) wyróżniono dwa typy struktury chromosomów, (b) zidentyfikowano sekwencje potencjalnie zaangażowane w inicjację i terminację replikacji DNA oraz w segregację kopii chromosomu, (c) pogrupowano ECR na podstawie stopnia zróżnicowania ich systemów replikacyjnych, oraz (d) zdefiniowano dodatkowy ładunek genetyczny tych replikonów. W wyniku dalszych badań wyznaczono geny rdzeniowe (ang. core genes) charakterystyczne dla genomów Paracoccus spp., a analiza ich dystrybucji w genomach P. yeei pozwoliła na identyfikację chromidów. Określono także geny specyficzne dla gatunku P. yeei oraz geny unikatowe dla poszczególnych szczepów (singletony), co pozwoliło na wytypowanie modułów genetycznych potencjalnie zaangażowanych w proces patogenezy oraz określenie ich genomowej lokalizacji (chromosom/komponent mobilomu). Analiza mobilomu P. yeei pozwoliła na identyfikację (metodami in vivo i in silico) także innych niż plazmidy ruchomych elementów genetycznych: (a) licznych elementów transpozycyjnych, w tym sekwencji insercyjnych (IS, ang. insertion sequence), reprezentujących 5 rodzin IS, oraz (b) elementu koniugacyjnego i integrującego z DNA, kodującego dwie formy rekombinazy serynowej, co jest wyjątkowym, nieopisanym wcześniej zjawiskiem. Badania ładunku genetycznego związanego z determinowaniem oportunistycznego fenotypu doprowadziły do identyfikacji i scharakteryzowania zespołu genów chromidowych kodujących ureazę – enzym przeprowadzający rozkład mocznika, który u wielu bakterii jest uznanym czynnikiem patogenezy. Wykazano, że aktywność ureolityczna jest indukowana w obecności mocznika w podłożu, a poprzez analizę mutacyjną dowiedziono, że kluczową rolę w determinowaniu tej aktywności odgrywają geny transporterów niklu, kofaktora ureaz. Zademonstrowano również, że komórki P. yeei wytwarzają pęcherzyki błonowe (OMV, ang. outer membrane vehicles), które transportują ureazę na zewnątrz komórek bakteryjnych. W końcowym etapie prac zbadano interakcje komórek P. yeei z liniami komórek nabłonkowych człowieka, co pozwoliło po raz pierwszy na wykazanie zdolności tych bakterii do adhezji i inwazji komórek eukariotycznych. Przeprowadzając mutagenezę ukierunkowaną dowiedziono, że moduł ureazy jest niezbędny tym bakteriom do adhezji i inwazji komórkowej. Podsumowując, przeprowadzone badania dowiodły, że mobilom w dużym stopniu wpływa na architekturę genomów P. yeei, determinuje również wiele specyficznych właściwości tej bakterii, które mogą odpowiadać za fenotyp oportunistyczny. Niniejsza rozprawa stanowi pierwszą tak obszerną analizę bakterii z tego gatunku. Praca ta przynosi wiele wartościowych obserwacji, które mogą przyczynić się do poznania molekularnych podstaw zakażeń wywoływanych przez te bakterie. Dzięki rozszerzeniu analiz porównawczych o genomy innych gatunków Paracoccus, możliwe było również wyciągnięcie bardziej ogólnych wniosków na temat struktury i ewolucji genomów w skali całego rodzaju taksonomicznego Paracoccus.