Pathogenesis and virulence factors of Trichophyton benhamiae species complex

• Název práce v češtině: Patogeneze a faktory virulence druhového komplexu Trichophyton benhamiae
• Název v anglickém jazyce: Pathogenesis and virulence factors of Trichophyton benhamiae species complex
• Klíčová slova: dermatofyta, trankriptomika, Arthroderma benhamaie, sekundarni metabolity, faktory virulence
• Klíčová slova anglicky: Dermatophytes, transcriptomics, Arthroderma benhamiae, secondary metabolites, virulence factors
• Akademický rok vypsání: 2020/2021
• Typ práce: disertační práce
• Jazyk práce: angličtina
• Ústav: Katedra genetiky a mikrobiologie (31-140)
• Vedoucí / školitel: Mgr. Miroslav Kolařík, Ph.D.
• Řešitel: skrytý - zadáno vedoucím/školitelem
• Datum přihlášení: 14.10.2020
• Datum zadání: 14.10.2020

Seznam odborné literatury

Burmester, A., Shelest, E., Glöckner, G., Heddergott, C., Schindler, S., Staib, P., Heidel, A., Felder, M., Petzold, A., Szafranski, K., Feuermann, M., Pedruzzi, I., Priebe, S., Groth, M., Winkler, R., Li, W., Kniemeyer, O., Schroeckh, V., Hertweck, C.,Hube, B., White, T.C., Platzer, M., Guthke, R., Heitman, J., Wöstemeyer, J., Zipfel, P.F., Monod, M., Brakhage, A.A., 2011. Comparative and functional genomics provide insights into the pathogenicity of dermatophytic fungi. Genome Biol. 12, R7. https://doi.org/10.1186/gb-2011-12-1-r7
Duffy, E., Morrin, A., 2019. Endogenous and microbial volatile organic compounds in cutaneous health and disease. TrAC -Trends Anal. Chem. https://doi.org/10.1016/j.trac.2018.12.012
Gupta, A.K., Ahmad, I., Borst, I., Summerbell, R.C., 2000. Detection of xanthomegnin in epidermal materials infected with Trichophyton rubrum. J. Invest. Dermatol. 115, 901–905.
Havlickova, B., Czaika, V.A., Friedrich, M., 2008. Epidemiological trends in skin mycoses worldwide. Mycoses. https://doi.org/10.1111/j.1439-0507.2008.01606.x
Hiernickel, C., Wiegand, C., Schliemann, S., Seyfarth, F., Jung, K., Elsner, P., Hipler, U.C., 2016. Trichophyton Spezies von Arthroderma benhamiae: Klinisch therapeutische Aspekte eines neuen Erregers in der Dermatologie. Hautarzt 67, 706–711. https://doi.org/10.1007/s00105-016-3837-8
Hubka, V., Větrovský, T., Dobiášová, S., Skořepová,M., Lysková, P., Mencl, K., Mallátová, N., Janouškovcová, H., Hanzlíčková, J., Dobiáš, R., Čmoková, A., Stará, J., Hamal, P., Svobodová, L., Kolařík, M., 2014. Molekulárníepidemiologie dermatofytóz v Českérepublice-výsledky dvouletéstudie.
Keller, N.P., Turner, G., Bennett, J.W., 2005. Fungal secondary metabolism -From biochemistry to genomics. Nat. Rev. Microbiol. https://doi.org/10.1038/nrmicro1286
Koo, S., Thomas,H.R., Daniels, S.D., Lynch, R.C., Fortier, S.M., Shea, M.M., Rearden, P., Comolli, J.C., Baden, L.R., Marty, F.M., 2014. A Breath Fungal Secondary Metabolite Signature to Diagnose Invasive Aspergillosis. Clin. Infect. Dis. 59, 1733–1740. https://doi.org/10.1093/cid/ciu725
Kupsch, C., Hesse, J., Hipler, U.C., Graeser, Y., 2018. Prevalence and virulence of the zoophilic dermatophyte Trichophyton benhamiae. Med. Mycol.
Macheleidt, J., Mattern, D.J., Fischer, J., Netzker, T., Weber, J., Schroeckh, V., Valiante, V., Brakhage, A.A., 2016. Regulation and Role of Fungal Secondary Metabolites. Annu. Rev. Genet. 50, 371–392.https://doi.org/10.1146/annurev-genet-120215-035203
Martinez, D.A., Oliver, B.G., Gräser, Y., Goldberg, J.M., Li, W., Martinez-Rossi, N.M., Monod, M., Shelest, E., Barton, R.C., Birch, E., Brakhage, A.A., Chen, Z., Gurr, S.J., Heiman, D., Heitman, J., Kosti, I., Rossi, A., Saif, S., Samalova, M., Saunders, C.W., Shea, T., Summerbell, R.C., Xu, J., Young, S., Zeng,Q., Birren, B.W., Cuomo, C.A., White, T.C., Berman, J., 2012. Comparative Genome Analysis of Trichophyton rubrum and Related Dermatophytes Reveals Candidate Genes Involved in Infection. https://doi.org/10.1128/mBio.00259-12
Ng, A.S., Just, G., Blank, F., 1969. Metabolites of pathogenic fungi. VII. On the structure and stereochemistry of xanthomegnin, vioxanthin, and viopurpurin, pigments from Trichophyton violaceum . Can. J. Chem. 47, 1223–1227. https://doi.org/10.1139/v69-197
Ratiu, I.-A., Bocos-Bintintan, V., Monedeiro, F., Milanowski, M., Ligor, T., Buszewski, B., 2019. An Optimistic Vision of Future: Diagnosis of Bacterial Infections by Sensing Their Associated Volatile Organic Compounds. Crit. Rev. Anal. Chem. https://doi.org/10.1080/10408347.2019.1663147
Rees, C.A., Stefanuto, P.-H.,Beattie, S.R., Bultman, K.M., Cramer, R.A., Hill, J.E., 2017. Sniffing out the hypoxia volatile metabolic signature of Aspergillus fumigatus. J. Breath Res. 11, 036003. https://doi.org/10.1088/1752-7163/AA7B3E
Sabou, M., Denis, J., Boulanger, N., Forouzanfar, F., Glatz, I., Lipsker, D., Poirier, P., Candolfi, E., Letscher-Bru, V., 2018. Molecular identification of Trichophyton benhamiae in Strasbourg, France: a 9-year retrospective study. Med. Mycol. 56, 723–734. https://doi.org/10.1093/mmy/myx100
Staib, P., Zaugg, C., Mignon, B., Weber, J., Grumbt, M., Pradervand, S., Harshman, K., Monod, M., Monod MichelMonod, M., 2010. Differential gene expression in the pathogenic dermatophyte Arthroderma benhamiae in vitro versus during infection. Microbiology 156, 884–895. https://doi.org/10.1099/mic.0.033464-0
Tran, T., De Coi, N., Feuermann, M., Schmid-Siegert, E., Băguţ, E.T., Mignon, B., Waridel, P., Peter, C., Pradervand, S., Pagni, M., 2016. RNA-seq-based genome reannotation of dermatophyte Arthroderma benhamiae,characterization of its secretome and whole gene expression profile during infection. Genome Announc. 4, 1–18.
Wallwey, C., Heddergott, C., Xie, X., Brakhage, A.A., Li, S.M., 2012. Genome mining reveals the presence of a conserved gene cluster for the biosynthesis of ergot alkaloid precursors in the fungal family Arthrodermataceae. Microbiol. (United Kingdom) 158, 1634–1644. https://doi.org/10.1099/mic.0.056796-0
Yin, W.B., Chooi, Y.H., Smith, A.R., Cacho, R.A., Hu, Y., White, T.C., Tang, Y., 2013. Discovery of cryptic polyketide metabolites from dermatophytes using heterologous expression in aspergillus nidulans. ACS Synth. Biol. 2, 629–634. https://doi.org/10.1021/sb400048b
Zaugg, C., Monod, M., Weber, J., Harshman, K., Pradervand, S., Thomas, J., Bueno, M., Giddey, K., Staib, P., 2009. Gene expression profiling in the human pathogenic dermatophyte Trichophyton rubrum during growth on proteins. Eukaryot Cell 8, 241–250.

Předběžná náplň práce

Cíle:
1) Popsat geny podílející se na virulenci T. benhamiae a dermatofyt obecně
2) Charakterizovat sekundární metabolity druhu T. benhamiae
PODPORA: Projekt bude realizován v laboratoři Genetiky a metabolismu hub v mikrobiologického ústavu AV ČR za podpory grantu AZV 17 31269A . Experimenty na zvířatech bud ou provedeny na universitě v Lutychu v Belgii (Prof. Bernard Mignon)
Detailní anotace.
Práce se bude zabývat patogenezí epidemicky se šířící populace z komplexu Trichophyton benhamiae, která patří do skupiny dermatofyt - fylogeneticky příbuzných hub způsobujících onemocnění kůže (tvz. dermatofytózy) obratlovců. Celosvětově se prevalence dermatofytóz u lidí pohybuje kolem 20-25 % (Havlickova et al., 2008). Na celkovém množství dermatofytóz se druhy z komplexu T. benhamiae v minulosti podílely pouze okrajově. V současné době však dochází k prudkému nárůstu počtu případů po celé Evropě (Hiernickel et al., 2016; Sabou et al., 2018, Čmoková 2020). V České republice jsou tyto druhy zodpovědné momentálně za 7,2% dermatofytóz zejména dětských pacientů (Hubka et al., 2014). Uvnitř komplexu T. benhamiae lze rozlišit pět populací, přičemž tři se vyskytují v Evropě. Všechny tři evropské populace sdílí nejen stejnou lokalitu, ale také primárního hostitele, kterým je morče domácí. Navzdory stejným podmínkám a vysoké příbuznosti se jedna z těchto populací v chovech morčat šíří vyšší úspěšností. U asymptomatických morčat jí nacházíme přibližně sedmkrát častěji (Kupsch et al., 2018) a stejným poměrem potom dochází k přenosu na člověka. Jedná se o populaci do Evropy pravděpodobně introdukovanou a zodpovědnou za současnou epidemii infekcí u dětských pacientů (Čmoková 2020). Porovnání této populace s méně virulentními blízce příbuznými taxony může přinést důležité informace o faktorech virulence dermatofyt, jejichž patogeneze je všeobecně pouze málo prozkoumaná. Patogeneze T. benhamiae komplexu bude zkoumána více metodickými přístupy na úrovni genové exprese na úrovni produkce sekundárních metabolitů.
1. Analýza transkriptomu
V této části práce bude zkoumán rozdíl v genové expresi jednotlivých kmenů z pěti populací T. benhamiae kultivovaných na in vitro a in vivo modelech. Analýzou transkriptomů byla u dermatofyt nalezena celá řada faktorů spojených s virulencí. Jedná se například o sekretované proteázy sloužící k rozkladu keratinu a dalších součástí kožní tkáně hydrofobiny, interagující s tkáněmi hostitele či syntázy sekundárních metabolitů (Burmester et al., 2011; Staib et al., Tran et al., 2016; Zaugg et al., 2009) a rozdíl od studií provedených pouze na jednom kmenu, se bude tato práce věnovat komparativní transkriptomice, což povede k přesnější identifikaci genů hrajících roli v patogenezi. V této části navazuje dizertační práce na práci diplomovou, která se zabývala vytvořením RT-qPCR primerů pro potenciální geny virulence vytipované na základě analýzy potenciální geny virulence vytipované na základě analýzy transkriptomu kmenů kultivovaných ex vivo na kožních tkáních. V diplomové práci předběžně získaná RNAseq datadata budou doplněna o další kmeny kmeny kultivované jak v in vitro, tak, tak in vivo podmínkách na myším. Pro nejvýznamnější geny potvrzené i RT--qPCR analýzou budou vytvořeny knock-out kmeny T. benhamiae.
2. Sekundární metabolity
Ačkoliv jsou proteázy považovány za hlavní faktory virulence, díky hojně přepisovaným genomovým klastrům figurujících v syntéze sekundárních metabolitů je zřejmé, že tyto látky hrají stejně jako u jiných skupin hub významnou roli v patogenezi dermatofyt (Macheleidt et al., 2016). Z genomových dat je také zřejmé, že dermatofyta mají vysoký potenciál pro produkci sekundárních metabolitů (Burmester et al., 2011; Keller et al., 2005; Martinez et al., 2012; Wallwey et al., 2012), i přesto bylo doposud popsáno u dermatofyt jen malé množství sekundárních metabolitů. Zmínit lze na příklad vysoce toxický metabolit xanthomegnin, vioxanthin a viopurpurin(Gupta et al., 2000; Ng et al., 1969) či Neosartoricin B (Yin et al., 2013). Za malým množstvím doposud identifikovaných látek může stát přílišná vazba patogena na svého hostitele. V důsledku silné koevoluce se mohla vyvinout neochota patogena produkovat tyto látky mimo tkáně hostitele. Ke spuštění produkce sekundárních metabolitů lze použít kromě změny kultivačních podmínek také např. epigenetické modifikátory, které mohou spustit umlčené genové klastry. Takovýto přistup už byl úspěšně použit na našem pracovišti u jiných skupin hub se silnou vazbou k svému evolučnímu partnerovi.
Analýza sekundárních metabolitů u vybraných kmenů bude provedena pomocí vysoko účinné kapalinové chromatografie (HPLC) spojené s hmotnostním spektrometrem (GC-MS). Vlastní struktura látek bude zjišťována metodou hmotnostní spektrometrie s vysokým rozlišením (HRMS) a spektroskopie nukleární magnetické rezonance (NMR).U nalezených látek bude zjišťována cytotoxická, antimikrobiální aktivita či aktivita rozrušovat bakteriální biofilmy.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Aims
1) Describe genes responsible for the virulence of Trichophyton banhamiae species complex and dermatophytes in general.
2) Characterise secondary metabolites of in species of Trichophyton banhamiae species complex