Coevolução entre micobacteriófagos e micobactérias

Abstract

Micobactérias são pertencentes à Ordem Actinomycetales, Subordem Corynebacterineae e Família Mycobacteriaceae, grande parte saprófita de vida livre. No entanto, algumas delas podem ser patogênicas, potencialmente ou raramente patogênicas. Um exemplo importante de micobactéria patogênica é a Mycobacterium tuberculosis, causadora da tuberculose. O Brasil se encontra entre os 20 países com mais casos no mundo. Os micobacteriófagos são vírus que infectam as micobactérias, sendo organismos extremamente diversos. Muitos bacteriófagos transmitem genes de virulência para as bactérias hospedeiras, o que caracteriza uma relação de coevolução. O presente trabalho utilizou métodos computacionais para a organização, análise e compreensão dos dados das sequências genômicas para elucidar os possíveis eventos de coevolução entre os organismos. Utilizando 39 sequências de genomas completos de micobactérias e 512 genomas completos de micobacteriofagos, foram identificadas 4.593 regiões de alinhamento, sendo eles encontrados dentro de todas os genomas de micobactérias utilizadas. A análise de 100 pares de base a montante e a jusante das inserções utilizando o CRISPRFinder sugere que essas regiões não são componentes de um sistema CRISPR de micobactérias. Para analisar se os insertos estavam inseridos em ORFs de micobactérias, 64 sequências de proteínas de micobactérias foram alinhadas com os insertos, dessas, 53 obtiveram alinhamento com as inserções, e de um total de 852 alinhamentos, 534 alcançaram 100% de similaridade. Foi possível agrupar as micobactérias em quatro grupos segundo o total de inserções, e em dois grupos segundo a divisão em relação à presença ou ausência de inserto de micobacteriófago específico. Uma análise filogenética baseada na sequência do gene rpoB das micobactérias não foi capaz de estabelecer relação com a divisão das micobactérias. Não foi possível identificar enriquecimento dentro da divisão dos grupos de micobactérias estabelecidos no trabalho. Analisando o gráfico de dispersão entre tamanho do genoma e quantidade de inserções totais foi possível observar uma possível relação entre as duas variáveis. Testes de normalidade e de correlação foram utilizados para testar essa possível relação, sugerindo que há forte correlação entre tamanho do genoma e quantidade de inserções. Esse estudo sugere que nos grupos observados em micobactérias pela quantidade de inserção total não há preferência para inserção nas proteínas de micobactérias e nem relação com a filogenia, mas sim a quantidade de inserções totais independente de micobacteriófago específico. Novos trabalhos podem utilizar as ferramentas desenvolvidas para estabelecer relações evolutivas dentro de outros conjuntos de sequências genômicas.

Mycobacteria belong to the Order Actinomycetales, Suborder Corynebacterineae and Family Mycobacteriaceae, a large part of free living saprophytes. However, some of them can be pathogenic, potentially or rarely pathogenic. An important example of a pathogenic mycobacterium is Mycobacterium tuberculosis, which causes tuberculosis. Brazil is among the 20 countries with the most cases in the world. Mycobacteriophages are viruses that infect mycobacteria, being extremely diverse organisms. Many bacteriophages transmit virulence genes to host bacteria, which characterizes a coevolutionary relationship. The present work used computational methods for the organization, analysis and understanding of data from genomic sequences to elucidate possible coevolution events between organisms. Using 39 sequences of complete mycobacterial genomes and 512 complete mycobacteriophage genomes, 4,593 alignment regions were identified, and they are found within all mycobacterial genomes used. Analysis of the upstream and downstream 100 base pair inserts using the CRISPRFinder suggests that these regions are not components of a mycobacterial CRISPR system. To analyze whether the inserts were inserted into mycobacterial ORFs, 64 mycobacterial protein sequences were aligned with the inserts, of which 53 achieved alignment with the inserts, and out of a total of 852 alignments, 534 achieved 100% similarity. It was possible to divide the mycobacteria into four groups according to the total number of insertions, and into two groups according to the division in relation to the presence or absence of a specific mycobacteriophage insert. A phylogenetic analysis based on the sequence of the mycobacteria rpoB gene was not able to establish a relationship with the division of mycobacteria. It was not possible to identify enrichment within the division of the mycobacteria groups established in the work. Analyzing the scatter plot between genome size and number of total insertions it was possible to observe a possible relationship between the two variables and then normality and correlation tests were used to test this possible relationship, the result was that there is a strong correlation between size of the genome and number of insertions. This study suggests that in the groups observed in mycobacteria due to the amount of total insertion, there is no preference for insertion in the mycobacterial proteins and neither is it related to phylogeny, but the number of total insertions is independent of specific mycobacteriophage. New works can use the tools developed to establish evolutionary relationships within other sets of genomic sequences.