Ecology, Virulence and Genomics of Legionella pneumophila Isolates from the West Bank, Palestine

Zayed, Ashraf R. N.

Legionella pneumophila is an environmental bacterium and a human pathogen causing life-threating outbreaks of an atypical pneumonia called Legionnaires’ disease. This study aimed to understand the diversity of L. pneumophila isolates, their clonal populations and the environmental driver of their abundance and prevalence in the West Bank. For this, a multi-annual seasonal sampling of nine drinking water sites in the West Bank were performed with a detailed recording of physico-chemical parameters. A total of 180 L. pneumophila isolates were obtained and analysed by high resolution genotyping (Multi-Locus Variable Number of Tandem Repeats (MLVA-8(12)). Also, physiological and virulence traits were studied. Genotyping and the studied traits led to the selection of representative strains submitted to high through-put genome sequencing (Illumina HiSeq and Pacific Biosciences platforms). Analysis of genotype prevalence in correspondence to environmental factors was used to elucidate genotype consortia and their environmental niches. The 180 isolates represented twenty-six individual MLVA-8(12) genotypes (Gt). The most frequently genotype was Gt4(17) (41.1%). All MLVA genotypes were clustered into four MLVA clonal complexes. Analysis of the prevalence of genotype indicated genotype consortia that seemed to be triggered by a set of environmental drivers. The concentration of several ions (Mg, Ca, Cl, SO4 and TDS) and turbidity seemed to determine niches for three different sets of genotypes and may explain their regional variability. Also, the abundance of L. pneumophila was influenced by these environmental drivers with Mg having a negative effect. The virulence of a representative subset of sixty environmental strains was assessed by five different in-vitro assays. Virulence traits were shown to be genotype dependent. A carefully selected subset of thirty-eight L. pneumophila isolates were genome sequenced and compared to already published reference genomes. Genome sequences were aligned with the sequence of the respective reference genome and analysed with respect to core-single nucleotide polymorphisms (core-SNPs), genomic islands and genes related to virulence traits. Overall, this study provided important insights into detailed population structure, the ecology and pathogenicity of this pathogen in the West Bank.

Legionella pneumophila ist ein Umweltbakterium in Süsswassersystemen und humanpathogen; es verursacht lebensbedrohliche Ausbrüche der Legionärskrankheit, einer atypischen Pneumonie. Das Ziel der Doktorarbeit ist es, in der West Bank die Diversität von L. pneumophila-Isolaten, ihre clonale Populationsstruktur und die wesentlichen Umweltfaktoren, die Abundanz und Prävalenz steuern, zu verstehen. Hierzu wurde ein mehrjähriges saisonales Probenahmeprogramm für 9 Trinkwasserprobe-nahmestellen repräsentatv für die West Bank durchgeführt, bei dem physico-chemische und mikrobiologische Parameter mitaufgezeichnet wurden. 180 Isolate wurden hierbei gewonnen, hochauflösend genotypisiert (Multi-Locus Variable Number of Tandem Repeats (MLVA-8(12)), und hinsichtlich relevanter physiologischer Eigenschaften und Virulenzfaktoren analysiert. Die umfassende Charakterisierung der Isolate bildete die Grundlage zur Auswahl repräsentativer Stämme für die Genomsequenzierung mittels Illumina HiSeq und der Pac-Biosciences Platform. Die statistische Analyse von regionaler Genotypprävalenz und Umweltfaktoren wurde dazu genutzt um Genotypkonsortien und ihre Umweltnischen zu charakterisieren. Die 180 Isolate aus der Westbank zeigten eine hohe Genotypdiversität von 26 MLVA-8(12)-Genotypen, zugehörig zu vier MLVA clonalen Komplexen. Analysen der Prävalenz von Genotypen im Hinblick auf Umweltfaktoren zeigte, daß Konsortien von Genotypen durch Umweltfaktoren getriggert wurden. Unterschiedliche Konzentrationen von Ionen im Trinkwasser (Mg, Ca, Cl, SO4, TDS) and Trübung schienen Nischen für drei unterschiedliche Konsortien von Genotypen zu bestimmen, und könnten die räumliche Variabilität der Genotypen in der West Bank erklären und die Abundanz von L. pneumophila zu beeinflussen. Dabei schien Mg eine relevante Rolle zu spielen. Die Virulenz einer repräsentativen Untergruppe von 60 Isolaten wurde mit 5 in-vitro Ansätzen getestet. Die Virulenzstärke variierte in Abhängigkeit vom Genotyp mit relativ hoher Virulenz der häufigen Genotypen Gt4(17) und Gt6(18). Eine repräsentative Auswahl von 38 L. pneumophila Isolaten wurden genomsequenziert und mit Referenzgenomen und generierten eigenen Referenzgenomen verglichen, und hinsichtlich core-SNPs, genomischen Inseln und Virulenz-assoziierten Genen analysiert. Insgesamt gesehen, liefert die vorliegende Studie wichtige Einblicke zum Verständnis von Populationsstruktur, Ökologie und Pathogenität dieses pathogenen Bakteriums in der West Bank.

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Zayed, Ashraf: Ecology, Virulence and Genomics of Legionella pneumophila Isolates from the West Bank, Palestine. 2018.

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