Biyoinformatik yöntemler kullanılarak kene patojenlerinin moleküler verilerinde aşı adayı bölgelerinin saptanması
Bioinformatics detection of vaccine candidate regions in molecular data of tick pathogens
Yazar: AHMET EFE KÖSEOĞLU
Danışman: PROF. DR. CEMAL ÜN
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyoloji Ana Bilim Dalı / Genel Biyoloji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Biyoloji = Biology

Özet:
Kene kaynaklı patojenler hayvan ve insan sağlığını giderek daha fazla tehdit etmekte ve büyük ekonomik zararlara neden olmaktadır. Bu patojenler içerisinden Babesia caballi türünün atlarda oluşturduğu babesiosis ılımlı ve kronik bir klinik göstermenin yanında atlarda ciddi sağlık sorunları ve ölümlere neden olmaktadır. Anaplasma ovis türünün koyunlarda neden olduğu anaplasmosis ılımlı ve kronik bir klinik gösterse de Türkiye'deki koyunlarda çok yaygın olarak görüldüğü, et ve süt veriminin düşüşünün nedeni olabileceği çeşitli araştırmacılar tarafından rapor edilmiştir. Rickettsia aeschlimannii ve Rickettsia massiliae türlerinin ise insanlarda bir çeşit rickettsiosis olan Akdeniz benekli hummasına neden olduğu ve bu hastalığın enfekte insanlarda nekrotik yara, avuç içi ve ayak tabanlarında yara, ateş ve yaygın makülopapüler döküntü gibi bulgular gösterdiği bilinmektedir. Rap-1 proteini Babesia parazitinin merozoit formunun konak eritrositine girişini ve invazyonunu sağlayan salgı proteinidir. Msp4 proteini Anaplasma bakterisinin konak ile etkileşiminde rol oynayan yüzey proteini iken OmpB proteini ise Rickettsia bakterisinin konak hücre dokularında adezyonunda rol oynayan yüzey proteinidir. Her üç proteinin de söz konusu patojenlerin farklı türlerinde antijenik ve immünojenik özellikler göstermenin yanında aşı adayı ve tanısal epitoplar içerdiği bildirilmiştir.
Patojenlere yönelik aşı çalışmaları her geçen gün artmakla birlikte, bu tezde Türkiye kenelerinde bulunan Babesia caballi, Anaplasma ovis, Rickettsia aeschlimannii ve Rickettsia massiliae patojenlerine yönelik Rap-1, Msp4 ve OmpB yüzey ve salgı proteinlerine ait moleküler verinin üretilmesi, revers vaksinoloji ve immünoinformatik bakış açılarıyla biyoinformatik yöntemler kullanılarak aşı adayı ve tanısal epitopların tahmini ve multi-epitop peptit aşıların tasarımı amaçlanmıştır.
Bu amaçla keneler tarafından bulaştırılan Babesia caballi ve Anaplasma ovis patojenlerinin sırasıyla Rap-1 ve Msp4 proteinleri ile, Rickettsia aeschlimannii ve Rickettsia massiliae patojenlerinin OmpB proteinlerinin C ve N terminal bölgelerine ait moleküler veri Türkiye'den 4 ilde (İzmir, Aydın, Şanlıurfa ve Siirt) çeşitli konak organizmalardan (köpek, kedi, sığır, keçi, koyun ve kaplumbağa) toplanmış kene örneklerinden (Rhipicephalus sanguineus, Rhipicephalus turanicus, Rhipicephalus bursa, Hyalomma marginatum, Hyalomma anatolicum, Hyalomma aegyptium ve Haemaphysalis erinacei) (n:110) ilk defa üretilerek ve dünya izolatları ile karşılaştırılarak biyoinformatik yöntemlerle içerdiği potansiyel aşı adayı ve tanısal epitoplar tahmin edilmiştir. Belirlenen aşı adayı epitoplardan antijenik, immünojenik ve izolatlarda yaygınlık yönlerinden öne çıkanlar seçilmiş ve linker diziler ile bağlanarak multi-epitop peptit aşılar tasarlanmıştır. Tasarlanan aşılar moleküler docking ve immün simülasyon ile test edilmiştir.
Sonuç olarak fizikokimyasal, sinyal peptit, subselüler lokalizasyon, BetaWrap motif varlığı, sekonder yapı, post-translasyonel modifikasyonlar ve korunmuş epitoplar yönünden değerlendirildiğinde Rap-1 ve Msp4 proteinlerinin Babesia caballi ve Anaplasma ovis için, OmpB proteininin ise Rickettsia aeschlimannii ve Rickettsia massiliae için iyi birer aşı adayı protein oldukları ortaya konmuştur. Ayrıca tasarlanan aşıların, parazit ve bakteri enfeksiyonlarında patojen ile ilişkili ligandları tanıyan doğal immün sistem elemanı olan TLR-2 reseptörü ile etkileşime girdiği moleküler docking ile gösterilmiştir. Aşı tasarımlarının (BabeVac 1 hariç) IgM ve IgG antikorları ile IFN-g sitokinlerini de uyardığı immün simülasyon ile gösterilmiştir.
Bu çalışma Dünyanın ve Türkiye'nin çiftlik hayvanlarında hastalıklara yol açan kene kaynaklı Babesia caballi ve Anaplasma ovis patojenleri ile insanlarda hastalıklara yol açan kene kaynaklı Rickettsia aeschlimannii ve Rickettsia massiliae patojenlerine yönelik multi-epitop peptit aşıların geliştirilmesinin yolunu açma potansiyeline sahiptir. Tahmin edilen epitopların devamındaki serolojik çalışmalarda sentetik peptitler olarak üretilmesi, bu patojenler yönünden pozitif çiftlik hayvanları ve insanların serumlarında antikor yakalamaya yönelik test edilmesinin yanında tasarlanan aşıların da hayvan modellerinde uygulanması önerilmektedir.
Anahtar sözcükler: Kene kaynaklı patojenler, epitop tahmini, multi-epitop peptit aşı tasarımı, immünoinformatik

Abstract:
Tick-borne pathogens increasingly threaten animal and human health and cause great economic damage. Among these pathogens, babesiosis caused by Babesia caballi species in horses has a mild and chronic clinical manifestation and causes serious health problems and deaths in horses. Although anaplasmosis caused by Anaplasma ovis in sheep has a mild and chronic clinical course, it has been reported by various researchers that it is very common in sheep in Turkey and may be the reason for the decrease in meat and milk yield. Rickettsia aeschlimannii and Rickettsia massiliae species cause Mediterranean spotted fever, a type of rickettsiosis in humans, and this disease shows findings such as necrotic sores, sores on the palms and soles, fever and widespread maculopapular rash in infected humans. Rap-1 protein is a secretory protein that allows the merozoite form of Babesia parasite to enter and invade the host erythrocyte. Msp4 protein is the surface protein that plays a role in the interaction of Anaplasma bacteria with the host, while OmpB protein is the surface protein that plays a role in the adhesion of Rickettsia bacteria to the host cell tissues. It has been reported that all three proteins show antigenic and immunogenic properties in different species of the aforementioned pathogens, as well as contain vaccine candidate and diagnostic epitopes.
Although vaccine studies for pathogens are increasing day by day, in this thesis, the production of molecular data of surface and secretory proteins such as Rap-1, Msp4, and OmpB, prediction of vaccine candidate and diagnostic epitopes and design of multi-epitope peptide vaccines using bioinformatics methods with reverse vaccinology and immunoinformatics perspectives were aimed for the pathogens Babesia caballi, Anaplasma ovis, Rickettsia aeschlimannii and Rickettsia massiliae in ticks of Turkey.
For this purpose, molecular data of Rap-1 and Msp4 proteins for Babesia caballi and Anaplasma ovis pathogens, respectively, and of C and N terminal regions of OmpB proteins for Rickettsia aeschlimannii and Rickettsia massiliae pathogens was produced for the first time from tick samples (Rhipicephalus sanguineus, Rhipicephalus turanicus, Rhipicephalus bursa, Hyalomma marginatum, Hyalomma anatolicum, Hyalomma aegyptium, and Haemaphysalis erinacei) collected from various host organisms (dog, cat, cattle, goat, sheep, and tortoise) (n :110) in 4 provinces (İzmir, Aydın, Şanlıurfa, and Siirt) of Turkey. The data was compared with the data of world isolates, and potential vaccine candidate and diagnostic epitopes were predicted by bioinformatics methods. Among the identified vaccine candidate epitopes, antigenic, immunogenic and prominent ones in terms of prevalence in isolates were selected and multi-epitope peptide vaccines were designed by linking them with linker sequences. The designed vaccines were tested by molecular docking and immune simulation.
In conclusion, Rap-1 and Msp4 proteins for Babesia caballi and Anaplasma ovis, and OmpB protein for Rickettsia aeschlimannii and Rickettsia massiliae were shown to be good vaccine candidate proteins when evaluated in terms of physicochemical, signal peptide, subcellular localization, BetaWrap motif presence, secondary structure, post-translational modifications and conserved epitopes. In addition, it has been demonstrated by molecular docking that the designed vaccines interact with the TLR-2 receptor, which is an innate immune system element that recognizes pathogen-related ligands in parasite and bacterial infections. Immune simulation has shown that vaccines (except for BabeVac 1) also stimulate IgM and IgG antibodies and IFN-g cytokines.
This study has the potential to pave the way for the development of multi-epitope peptide vaccines for tick-borne Babesia caballi and Anaplasma ovis pathogens that cause diseases in farm animals and against tick-borne Rickettsia aeschlimannii and Rickettsia massiliae pathogens that cause diseases in humans in the world and Turkey. It is recommended that the predicted epitopes are produced as synthetic peptides in the following serological studies, tested for the capture of antibodies in the sera of farm animals and humans positive for these pathogens, as well as the application of the designed vaccines in animal models.
Keywords: Tick-borne pathogens, epitope prediction, multi-epitope peptide vaccine design, immunoinformatics