Mikroevolution in Neisseria meningitidis am Beispiel der 25 kb Region zwischen tbpAB und opaA

Abstract

Es wurde der genomische Abschnitt potF-opaA aus dem Neisseria meningitidis Serogruppe A, Subgruppe IV-1 Stamm Z2491 sequenziert. Es konnten 18 ORFs und diverse repetitive Elemente in diesem ca. 25 kb langen Bereich identifiziert und analysiert werden. Bei einer vergleichenden Sequenzierung des N. meningitidis Serogruppe C, ET-37 Komplex Stammes Z4400 zeigte sich, daß die generelle Anordung der ORFs sehr ähnlich war, jedoch überall Polymorphismen in den Sequenzen auftraten. Die höchste Heterogenität zeigten die repetitiven Elemente. Bei dieser Analyse wurde klar, daß das tbpAB-Operon aus den ET-37 Komplex Stämmen wahrscheinlich ein Import aus unverwandten Bakterien ist.

Um einen Überblick über die Art und Frequenz von Sequenzvariationen in dem untersuchtem Bereich zu bekommen, wurden aus ihm vier Genfragmente für Vergleichsequenzierungen ausgewählt. Diese ca. 550 bp langen Fragmente aus potF, tbpB, amiC und opaA wurden in den ältesten vorhandenen Isolaten der Serogruppe A Subgruppe III, IV-1 und IV-2 und in Subgruppe IV-1 Isolaten aus zwei verschiedenen Ländern und verschiedenen Verbreitungen (Gambia, epidemisch und Mali, endemisch) analysiert. Zusätzlich wurden sie in 96 endemische Serogruppe C, ET-37 Komplex Stämme aus Mali und 98 Serogruppe A, Subgruppe IV-1 Stämme aus Gambia untersucht.

Die ältesten vorhandenen Isolate waren sich sehr ähnlich, wobei die Subgruppen III in zwei von vier Allelen abwich. Bei dem Vergleich der IV-1 Isolate aus Gambia und Mali wurde klar, das kein genereller Unterschied in der Häufigkeit der Sequenzvariation in beiden Gruppen auftrat.

Erstaunlich war hingegen der Unterschied der Rekombinationsfrequenz bei dem Vergleich des ET-37 Komplex mit der Subgruppe IV-1. Es wurde nur eine Variante im ET-37 Komplex im Gegensatz zu fast 50% Varianten in den IV-1 Stämmen gefunden. Die meisten der IV-1-Rekombinationen fanden um tbpB herum statt, während nur opaA im ET-37 Komplex betroffen war. Dies spricht für einen weiteren grundsätzlichen Unterschied zwischen dem tbpB-Gen in den beiden Stämmen. Ebenso konnte eine Gruppe von Varianten in den IV-1 Stämmen identifiziert werden, deren tbpB-Allel ebenfalls mit hoher Wahrscheinlichkeit aus fremden Organismen stammt. Diese Daten unterstützen das Konzept des globalen Genpools der Neisserien und zeigen, das über Rekombinationen auch genetisch sehr weit entfernte Gene einer Familie importiert werden können.

A 25 kb region covering tbpAB to opaA was sequenced from Neisseria meningitidis serogroup A, subgroup IV-1 strain Z2491 from The Gambia. 18 open reading frames and several repetitive elements could be identified and analysed. Comparative sequencing of the N. meningitidis serogroup C, ET37-complex strain Z4400 showed that the general order of this region was very similar between both strains, but many polymorphisms were detected. Most differences could be found in the repetitive elements. The results also indicate that the tbpAB operon from ET37-complex is probably an import from unrelated bacteria.

Analysis of four gene fragments (potF, tbpB, amiC, opaA) in old isolates of the serogroup III (1966), IV-1 (1966) and IV-2 (1917) showed that they were identical to the sequence in Z2491 with minor differences. In order to determine the frequency of horizontal genetic exchange within different countries, the same gene fragments were sequenced from 100 serogroup , subgroup IV-1 meningococci isolated during and after the epidemic in The Gambia in the 1980s and from 100 serogroup C, ET37-complex meningococci isolated from endemic disease in Mali in the early 1990s. Among the ET37-complex strains only 1 point mutation in the opaA gene was found. In contrast to that finding roughly 50% of the alleles in the 100 IV-1 strains were imported or mutated. Most of these recombinations in the IV-1 strains took place around the tbpAB-operon, the size varied between 5-11 kb. This leads to the assumption of different recombination pathways in both subgroups.

In the IV-1 strains a group of bacteria could be identified where the tbpAB operon is probably an import from a foreign organism.

All these data support the concept of the "Global Gene Pool" in Neisseria and show that recombination events even among very far related members of a gene family are possible.