EVOLUTION, COMPARATIVE GENOMICS AND GENOMIC EPIDEMIOLOGY OF BACTERIA OF PUBLIC HEALTH IMPORTANCE
Creators: name: GAIARSA, STEFANO
Publisher: name: Universit� degli Studi di Milano
Year: 2017

description: La presente tesi � incentrata sull'epidemiologia genomica delle infezioni batteriche ospedaliere. L'ambiente ospedaliero � peculiare, in quanto al suo interno si concentrano un elevato numero di agenti batterici, pazienti con un sistema immunitario debole e un uso massiccio di sostanze antimicrobiche. Questa combinazione favorisce lo sviluppo e la selezione di ceppi resistenti agli antibiotici e la diffusione di infezioni opportunistiche: in generale il prosperare dei patogeni nosocomiali. Alcune tecniche all'avanguardia per lo studio di questo tipo di infezioni sono basate sull?uso della genomica e di approcci evoluzionistici: esse permettono di conoscere le caratteristiche genomiche dei ceppi batterici e di ricostruire la loro storia evolutiva. Grazie alla possibilit� di sequenziare il DNA ad un prezzo sempre pi� economico, i progetti di ricerca sono supportati da un numero sempre crescente di genomi e i dati genomici depositati nelle banche dati sono in crescita esponenziale: questo rende possibile eseguire una variet� sempre maggiore di analisi. Il primo lavoro qui riportato descrive l'evoluzione del Clonal Complex 258 (CC258) di Klebsiella pneumoniae. Le mutazioni puntiformi (single nucleotide polymorphism, SNP) hanno permesso di ricostruire la filogenesi globale di tutta la specie e di collocare il CC258 nel suo contesto evolutivo. Successivamente, � stato possibile rilevare la presenza di una ricombinazione di 1,3 Mb nei genomi del clade in analisi. Un?analisi del molecular clock ha poi consentito di datare sia questo che gli altri eventi di ricombinazione scoperti in lavori precedenti. Questi risultati sono stati usati per completare il quadro della storia evolutiva del CC258, caratterizzata da frequenti eventi di macro-ricombinazione. Un?evoluzione rapida e caratterizzata da scambi di elevate quantit� di informazioni genomiche � una caratteristica comune ad altri patogeni nosocomiali che sviluppano fenotipi da "superbatteri". Sebbene frequente, il modello di evoluzione per macro-ricombinazioni non � comune a tutti i batteri responsabili di infezioni nosocomiali. Un?eccezione � il ceppo SMAL di Acinetobacter baumannii, presentato in un altro sottoprogetto di questa tesi. In questo lavoro sono stati analizzati i genomi del sequence type (ST) 78 di A. baumannii. La filogenesi e la genomica comparativa hanno rivelato la presenza di due differenti cladi all'interno del ST che presentano differenti "stili" evolutivi. Un gruppo (contenente i genomi SMAL) � caratterizzato da una minore variabilit� del contenuto genico e dalla presenza di un numero pi� elevato di copie di insertion sequence (IS). Una IS interrompe il gene comEC/rec2 in tutti i genomi SMAL. Questo gene codifica per una proteina coinvolta nell?acquisizione del DNA esogeno, quindi la sua inattivazione limita lo scambio di geni. Questo suggerisce una spiegazione per la bassa plasticit� genomica. In un altro lavoro presentato in questa tesi, l'epidemiologia genomica � stata applicata per ricostruire la diffusione di un focolaio epidemico di K. pneumoniae in un?unit� di terapia intensiva ospedaliera. In un primo momento, � stato utilizzato un approccio filogenetico per separare gli isolati appartenenti all'epidemia da quelli sporadici. Poi le date di isolamento e gli SNP genomici hanno permesso di costruire una rete genomica che modellasse la propagazione delle infezioni nel reparto. La ricostruzione ha indicato una diffusione radiale del patogeno dal paziente zero a tutti gli altri infetti, rivelando cos� un errore sistematico nelle procedure di biosicurezza dell'ospedale. Questa applicazione quasi forense dell'epidemiologia genomica � stata utilizzata anche in altri due lavori qui presentati, entrambi riguardanti la ricostruzione di infezioni alimentari. In uno degli articoli, incentrato su Salmonella enterica, l?analisi filogenetica � stata eseguita solamente con gli SNP sinonimi al fine di filtrare le mutazioni patoadattative. Nell'altro lavoro sono stati utilizzati dati epidemiologici, tipizzazione molecolare e filogenesi basata sugli SNP per studiare l'infezione di nove isolati di Listeria monocytogenes, che si ritenevano essere parte dello stesso focolaio e alla fine sono risultati genomicamente non correlati. Infine, viene qui presentato anche un articolo di review riguardante l'epidemiologia genomica. L'articolo � focalizzato sulle ultime pubblicazioni ad alto impatto che analizzano l'evoluzione genomica degli agenti patogeni batterici e le dinamiche di propagazione delle epidemie in brevi periodi di tempo. L'articolo descrive, infine, le ultime ricostruzioni epidemiologiche a livello storico, che sono possibili grazie alle moderne tecnologie di isolamento e sequenza del DNA.