Mycobacterium avium subsp. hominissuis: The importance of genetic and metabolic diversity

Abstract

Mycobacterium avium subsp. hominissuis (MAH) is an opportunistic human pathogen that can cause lymphadenitis, pulmonary infections and disseminated infections. In addition, MAH is widespread in the environment, since it has been isolated from dust, soil and water. MAH isolates are characterized by high genetic diversity. Recently a new genomic island (GI), later re-named as hypervariable GI (hvGI), was identified in few MAH isolates, contributing to the genetic diversity of the MAH isolates. It is not known whether clinical or environmental MAH isolates differ from each other. In this thesis we analyzed 41 MAH isolates from Germany isolated from clinical (n=20) and from environmental (n=21) source. First we identified and characterized the hvGI in all isolates, in order to see if the hvGI differentiates clinical and environmental MAH isolates. Then we investigated the function of the mmpL10 gene of the hvGI in order to get insights on the function of one of the genes present in the hvGI. We identified the hvGI in 39/41 isolates. We found high genetic diversity in the hvGI: eight types of hvGI have been identified (size 6.2-73.3 kb). Two types shared more than 80% sequence identity with Mycobacterium canettii responsible for Tuberculosis. We identified 253 different genes in all hvGIs, among which the previously documented virulence genes mmpL10 and mce. Functional studies on the mmpL10 gene suggest its involvement in antibiotic-resistance and in sugar transport. Our study expands the knowledge on MAH genome plasticity. The diversity of the hvGIs and the similarities with other mycobacteria suggests cross-species transfer. The shuffling of virulence/drug-resistance genes via the hvGIs may generate new variants able to can cause new outbreaks. In addition, we analyzed ten MAH isolates at metabolic level using the BIOLOG Phenotype Microarray method, in order to see whether clinical or environmental MAH isolates show any metabolic differences. We found that MAH metabolized mostly fatty acids such as Tween, caproic, butyric and propionic acid. Clinical MAH metabolized stronger butyric (p = 0.0209) and propionic acid (p = 0.00307) compared environmental MAH. Our study provides new insight into the metabolism of MAH. Understanding how bacteria utilize substrates during infection might support the development of strategies to fight such infections.

Mycobacterium avium subsp. hominissuis (MAH) ist ein opportunistischer Krankheitserreger des Menschen. MAH Isolate können Lymphadenitis, Lungeninfektionen und disseminierte Infektionen verursachen. MAH ist auch in der Umwelt weit verbreitet und wurde aus Staub, Erde und Wasser isoliert. Die Subspezies MAH ist durch eine hohe genetische Variabilität gekennzeichnet. Vor kurzem wurde eine neue genomische Insel (GI), benannt als hypervariable GI (hvGI) identifiziert. Diese hvGI wurde in der vorliegenden Arbeit untersucht. Bisher ist nicht bekannt, ob oder wodurch sich klinische und Umweltisolate von MAH unterscheiden. In dieser Doktorarbeit wurden MAH-Isolate aus Deutschland aus klinischen Proben (n = 20) und aus der Umwelt (n = 21) vergleichend untersucht. Zuerst haben wir die hvGI in allen Isolaten identifiziert und charakterisiert, um zu sehen, ob Unterschiede im Vorkommen der hvGI zwischen klinischen Isolaten und Umweltisolaten auftreten. Wir haben die hvGI in 39/41 MAH Isolaten identifiziert. Sie weist eine hohe genetische Variabilität auf: Acht Typen von hvGI wurden identifiziert (Größe 6,2 bis 73,3 kb). Eine unterschiedliche Verteilung der verschiedenen Typen der hvGI in Abhängigkeit vom Isolationsort konnte dabei nicht festgestellt werden. Zwei hvGI-Varianten teilen mehr als 80% Sequenzidentität mit Mycobacterium canettii, einem der Verursacher der Tuberkulose. In allen hvGIs zusammen wurden 253 verschiedene Gene identifiziert, darunter die dokumentierten Virulenz-assoziierten Gene mmpL10 und mce. Um Erkenntnisse über die Funktion von Genen der hvGI zu bekommen, haben wir die Expressionsstärke des mmpL10 Gens der hvGI in einem Isolat durch genetische Methoden herabreguliert und die Auswirkungen auf den Phänotyp untersucht. Die Ergebnisse deuten auf eine Beteiligung von MmpL10 an der Resistenz gegenüber bestimmten Antibiotikahin und auf eine Rolle beim Transport bestimmter Zucker. Unsere Studie erweitert das Wissen über die Genomplastizität von MAH. Die Variabilität der hvGI und die Sequenzhomologien mit der DNA anderer Mykobakterien-Spezies weisen auf einen artübergreifenden Transfer hin. Die Übertragung von Virulenz- / Antibiotikaresistenz-Genen durch die hvGIs kann neue Varianten von Mycobacterium-Arten erzeugen, die neue Ausbrüche verursachen könnten. Darüber hinaus haben wir zehn MAH Isolate auf metabolischer Ebene mit der BIOLOG Phänotyp Microarray-Methode analysiert, um zu untersuchen, ob klinische und Umweltisolate Unterschiede in ihrem Stoffwechsel zeigen. Es zeigte sich, dass MAH hauptsächlich Fettsäuren wie Tween, Capron-, Butter- und Propionsäure metabolisiert. Umwelt MAH benutzten im Vergleich zu Klinische stärker Buttersäure und Propionsäure. Unsere Studie liefert somit neue Einblicke in den Stoffwechsel von MAH. Ein besseres Verständnis der Verwendung von Substraten durch Bakterien während der Infektion kann die Entwicklung von Strategien zur Bekämpfung dieser Infektionen unterstützen.