Genomica bacteriană și metagenomica aplicații clinice și semnificația medicală - Revizuire

rezumat

Noile tehnologii de secvențiere fac posibilă obținerea de secvențe genomice rapid și la prețuri accesibile pentru aplicații precum a) dezvoltarea PCR-urilor de diagnostic sau a testelor serologice; b) detectarea factorilor de virulență și a genelor de rezistență la antibiotice și c) epidemiologia bacteriilor patogene. Astfel, genomica bacteriană este utilă microbiologilor, specialiștilor în boli infecțioase și specialiștilor în igiena spitalelor. Determinarea compoziției microbiene a unei probe, numită metagenomică, este o altă aplicație a noilor tehnologii de secvențiere. Studierea microbiotei umane este utilă pentru înțelegerea impactului bacteriilor asupra obezității, astmului sau diabetului. Metagenomica va deveni probabil o analiză de diagnostic specializată.

Introducere

Secvențierea, făcând posibilă determinarea succesiunii bazelor nucleotidice în ADN, a revoluționat cercetarea științifică. În 1977, Sanger și colab. a secvențiat primul genom al unui virus bacterian (ΦX174) prin sinteză enzimatică. 1 De atunci, îmbunătățiri tehnice considerabile au permis apariția noilor așa-numite tehnologii de secvențializare "de mare viteză" (NTS) (Tabelul 1). Aceste NTS au crescut masiv viteza de secvențiere și, simultan, și-au redus costurile. Mai recent, au fost lansate modele de secvențieri mai compacte precum Roche/454 GS Junior, Illumina MiSeq sau Ion torrent PGM. 2 Mai ieftine, dar mai puțin productive, au totuși o capacitate suficientă pentru laboratoarele de diagnostic bacteriologic, având în vedere dimensiunea genomului bacterian (de aproximativ 1000 de ori mai mic decât genomul uman). Utilizarea secvențierelor cu randament ridicat a dus la o creștere exponențială a numărului de genomi bacterieni secvențați (Figura 1). Astfel, 98% din cele 26.000 de genomi disponibile în prezent au fost secvențiate în ultimii șapte ani. Datele disponibile despre comunitățile microbiene cresc, de asemenea, rapid, datorită abordărilor metagenomice.

Tabel comparativ al diferitelor tehnologii de secvențiere cu randament ridicat

metagenomica

Tabel comparativ al diferitelor tehnologii de secvențiere cu randament ridicat

Genomică sau metagenomică: cum să începeți ?

Genomica bacteriană, care permite studiul genomului bacterian (structura, evoluția, funcția genelor codificate și reglarea lor), se bazează în principal pe izolarea și cultura unei bacterii date. Obținerea unei culturi pure este un pas esențial în relaționarea fenotipului particular al unei tulpini bacteriene cu conținutul său de gene, în special pentru a studia în mod specific virulența, patogenitatea sau rezistența acesteia.

Cu toate acestea, marea majoritate a bacteriilor (peste 99%) nu pot fi cultivate. 3 Astfel, pentru a studia o comunitate bacteriană în ansamblu, este acum posibilă secvențierea ADN-ului tuturor bacteriilor prezente într-un mediu dat (sol, apă, tractul digestiv al oamenilor și animalelor, clinici cu probe ...). Această abordare, numită „metagenomică”, ne spune despre diversitatea și abundența relativă a microorganismelor prezente.

Așa cum este ilustrat în figura 2, secvențierea genomului complet al unei bacterii sau secvențierea metagenomică se efectuează în patru etape principale: a) extragerea ADN-ului genomic, fie dintr-o cultură bacteriană pură, fie direct dintr-o probă; b) secvențierea ADN-ului cu sau fără amplificare prealabilă; c) asamblarea bioinformatică a genomului (genomilor) secvențiat (e) și d) analiza secvențelor obținute.

Diferitele etape ale secvențierii unui genom bacterian

Aplicații ale genomicii în microbiologia clinică

Noi aplicații ale SNT apar în domeniul medical (Tabelul 2), cum ar fi: dezvoltarea unor instrumente de diagnostic molecular mai eficiente, investigarea aprofundată a epidemiilor, studiul patogenității unei tulpini bacteriene, precum și decât detectarea factorilor de virulență (virulom) sau a genelor care codifică rezistența la antibiotice (rezistom). 4,5 abordări NTS fac posibilă analiza cuprinzătoare a microorganismului în cauză și vor permite, în viitor, furnizarea acestor rezultate la fel de rapid ca și metodele convenționale.

Exemple de aplicații clinice prin utilizarea noilor tehnologii de secvențiere (NTS)

Dezvoltarea instrumentelor de diagnostic molecular

Extinderea SNT a permis dezvoltarea de instrumente pentru prevenirea și diagnosticarea infecțiilor bacteriene, inclusiv PCR-uri sensibile și specifice. 6-8 Astfel, Yang și colab. a dezvoltat un PCR cu spectru larg bazat pe comparația genomică a 27 de tulpini de Acinetobacter baumannii pentru a îmbunătăți supravegherea tulpinilor clonice și emergente patogene ale acestei specii bacteriene. 6 Am identificat recent o tulpină polimorfă de meningococ (Neisseria meningitidis) nedetectabilă prin PCR diagnostică utilizată la CHUV. 9 Compararea genelor acestei tulpini cu cele ale altor 183 tulpini disponibile de N. meningitidis a făcut posibilă identificarea a unsprezece gene țintă și dezvoltarea de PCR de diagnostic specifice speciei N. meningitidis. 10