Adding function to the genome of African Salmonella Typhimurium ST313 strain D23580

• DOI: 10.1371/journal.pbio.3000059
• Publication Date: 2019-01-15T18:30:15Z
• Authors: Rocío Canals; Disa L. Hammarlöf; Carsten Kröger; Siân V. Owen; Wai Yee Fong; Lizeth Lacharme-Lora; Xiaojun Zhu; Nicolas Wenner; Sarah E. Carden; Jared Honeycutt; Denise M. Monack; Robert A. Kingsley; Philip Brownridge; Roy R. Chaudhuri; Will P. M. Rowe; Alexander V. Predeus; Karsten Hokamp; Melita A. Gordon; Jay C. D. Hinton
• Keywords: Salmonella typhimurium; 0301 basic medicine; Infectious Medicine; Genotype; QH301-705.5; Infektionsmedicin; Gene; Plasmid; Microbiology; Agricultural and Biological Sciences; Mice; 03 medical and health sciences; Endocrinology; Salmonella; Biochemistry, Genetics and Molecular Biology; Genetics; Animals; Humans; Biology (General); Biology; Single-nucleotide polymorphism; Dynamics and Pathogenesis of Cholera Bacteria; Genome; Ecology; Virulence; Bacteria; Gene Expression Profiling; Macrophages; Comparative genomics; Methods and Resources; Genetic Variation; Life Sciences; Salmonella enterica; Genomics; Global Burden of Foodborne Pathogens; Ecology and Evolution of Viruses in Ecosystems; Gastroenteritis; 3. Good health; FOS: Biological sciences; Salmonella Infections; Environmental Science; Physical Sciences; Gene expression; Transcriptome; Food Science

Le type de séquence (ST) 313 de Salmonella Typhimurium provoque une maladie invasive à Salmonella non typhoïde (iNTS) en Afrique subsaharienne, ciblant les personnes sensibles au VIH+, aux cas de paludisme ou de malnutrition. Une comparaison génomique approfondie entre l'isolat D23580 de ST313 et l'isolat 4/74 de ST19 bien caractérisé qui provoque une gastro-entérite à travers le monde a révélé une synténie étendue. Pour comprendre comment les variations de 856 nucléotides ont généré des différences phénotypiques, nous avons conçu une approche expérimentale à grande échelle qui impliquait l'analyse de l'expression génique globale des souches D23580 et 4/74 cultivées dans 16 conditions de croissance pertinentes pour l'infection. La comparaison des modèles transcriptionnels a identifié la virulence et les gènes métaboliques qui étaient exprimés différemment entre D23580 et 4/74, dont beaucoup ont été validés par protéomique. Nous avons également découvert les gènes S. Typhimurium D23580 et 4/74 qui présentaient des différences d'expression lors de l'infection des macrophages murins. Nos données transcriptomiques comparatives sont présentées dans une nouvelle version améliorée du recueil d'expression de Salmonella, SalComD23580 : http://bioinf.gen.tcd.ie/cgi-bin/salcom_v2.pl. Nous avons découvert que l'ablation de l'utilisation du mélibiose était causée par trois mutations SNP indépendantes dans D23580 qui sont partagées à travers la lignée ST313 2, ce qui suggère que la capacité de cataboliser cette source de carbone a été sélectionnée négativement au cours de l'évolution de ST313. Les données ont révélé un nouveau système d'entretien des plasmides impliquant une CysS cystéinyl-ARNt synthétase codée par un plasmide, mettant en évidence le pouvoir des analyses multiconditions comparatives à grande échelle pour identifier les principales différences phénotypiques entre les pathovariants bactériens.<br/>La Salmonella Typhimurium tipo de secuencia (ST) 313 causa la enfermedad invasiva por Salmonella no tifoidea (iNTS) en el África subsahariana, dirigida a individuos susceptibles al VIH+, la malaria o la desnutrición. Una comparación genómica en profundidad entre el aislado D23580 de ST313 y el aislado 4/74 de ST19 bien caracterizado que causa gastroenteritis en todo el mundo reveló una amplia sintenia. Para comprender cómo las variaciones de 856 nucleótidos generaron diferencias fenotípicas, ideamos un enfoque experimental a gran escala que involucró el análisis de expresión génica global de las cepas D23580 y 4/74 cultivadas en 16 condiciones de crecimiento relevantes para la infección. La comparación de patrones transcripcionales identificó genes de virulencia y metabólicos que se expresaron diferencialmente entre D23580 frente a 4/74, muchos de los cuales fueron validados por proteómica. También descubrimos los genes D23580 y 4/74 de S. Typhimurium que mostraron diferencias de expresión durante la infección de macrófagos murinos. Nuestros datos transcriptómicos comparativos se presentan en una nueva versión mejorada del compendio de expresión de Salmonella, SalComD23580: http://bioinf.gen.tcd.ie/cgi-bin/salcom_v2.pl. Descubrimos que la ablación de la utilización de melibiosa fue causada por tres mutaciones independientes de SNP en D23580 que se comparten en el linaje 2 de ST313, lo que sugiere que la capacidad de catabolizar esta fuente de carbono se ha seleccionado negativamente durante la evolución de ST313. Los datos revelaron un novedoso sistema de mantenimiento de plásmidos que involucra una cisteinil-ARNt sintetasa CysS codificada por plásmido, destacando el poder de los análisis multicondición comparativos a gran escala para identificar diferencias fenotípicas clave entre las patovariantes bacterianas.<br/>Salmonella Typhimurium sequence type (ST) 313 causes invasive nontyphoidal Salmonella (iNTS) disease in sub-Saharan Africa, targeting susceptible HIV+, malarial, or malnourished individuals. An in-depth genomic comparison between the ST313 isolate D23580 and the well-characterized ST19 isolate 4/74 that causes gastroenteritis across the globe revealed extensive synteny. To understand how the 856 nucleotide variations generated phenotypic differences, we devised a large-scale experimental approach that involved the global gene expression analysis of strains D23580 and 4/74 grown in 16 infection-relevant growth conditions. Comparison of transcriptional patterns identified virulence and metabolic genes that were differentially expressed between D23580 versus 4/74, many of which were validated by proteomics. We also uncovered the S. Typhimurium D23580 and 4/74 genes that showed expression differences during infection of murine macrophages. Our comparative transcriptomic data are presented in a new enhanced version of the Salmonella expression compendium, SalComD23580: http://bioinf.gen.tcd.ie/cgi-bin/salcom_v2.pl. We discovered that the ablation of melibiose utilization was caused by three independent SNP mutations in D23580 that are shared across ST313 lineage 2, suggesting that the ability to catabolize this carbon source has been negatively selected during ST313 evolution. The data revealed a novel, to our knowledge, plasmid maintenance system involving a plasmid-encoded CysS cysteinyl-tRNA synthetase, highlighting the power of large-scale comparative multicondition analyses to pinpoint key phenotypic differences between bacterial pathovariants.<br/>يسبب السالمونيلا التيفيموريوم من النوع المتسلسل (ST) 313 مرض السالمونيلا غير التيفيدي (INTS) الغازي في أفريقيا جنوب الصحراء الكبرى، ويستهدف الأفراد المعرضين للإصابة بفيروس نقص المناعة البشرية أو الملاريا أو سوء التغذية. كشفت مقارنة جينية متعمقة بين عزل ST313 D23580 وعزل ST19 المميز جيدًا 4/74 الذي يسبب التهاب المعدة والأمعاء في جميع أنحاء العالم عن توليف واسع النطاق. لفهم كيف ولدت اختلافات النوكليوتيدات 856 اختلافات في النمط الظاهري، ابتكرنا نهجًا تجريبيًا واسع النطاق تضمن تحليل التعبير الجيني العالمي للسلالات D23580 و 4/74 التي نمت في 16 حالة نمو ذات صلة بالعدوى. حددت مقارنة أنماط النسخ الفوعة والجينات الأيضية التي تم التعبير عنها بشكل مختلف بين D23580 مقابل 4/74، والتي تم التحقق من صحة العديد منها بواسطة البروتينات. كما اكتشفنا جينات S. Typhimurium D23580 و 4/74 التي أظهرت اختلافات في التعبير أثناء عدوى الضامة الفئران. يتم تقديم بيانات النسخ المقارنة الخاصة بنا في نسخة محسنة جديدة من خلاصة تعبير السالمونيلا، SalComD23580: http://bioinf.gen.tcd.ie/cgi-bin/salcom_v2.pl. اكتشفنا أن استئصال استخدام الميلبيوز ناتج عن ثلاث طفرات SNP مستقلة في D23580 يتم مشاركتها عبر سلالة ST313 2، مما يشير إلى أن القدرة على تقويض مصدر الكربون هذا قد تم اختيارها سلبًا أثناء تطور ST313. كشفت البيانات عن نظام صيانة بلازميد جديد، على حد علمنا، يتضمن توليفة CysS cysteinyl - tRNA المشفرة بالبلازميد، مما يسلط الضوء على قوة التحليلات المقارنة متعددة الشروط على نطاق واسع لتحديد الاختلافات الظاهرية الرئيسية بين المتغيرات المرضية البكتيرية.<br/>