Đang tải... (xem toàn văn)
Nghiên cứu Ứng dụng so sánh genome trong chẩn đoán bệnh thủy sản tổng hợp các kết quả và ứng dụng các phương pháp so sánh genome thao tác trên dữ liệu vi khuẩn gây bệnh thủy sản, bao gồm chi Vibrio và Edwardsiella với mục tiêu hướng đến các phương pháp phân tích hiện đại trong kiểm soát bệnh do vi khuẩn trong nuôi trồng thủy sản ở Việt Nam. Mời các bạn cùng tham khảo bài viết!
TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH, SỐ 40, THÁNG 12 NĂM 2020 DOI: 10.35382/18594816.1.40.2020.629 ỨNG DỤNG SO SÁNH GENOME TRONG CHẨN ĐOÁN BỆNH THỦY SẢN Nguyễn Thành Luân1 APPLICATION OF COMPARATIVE GENOME IN AQUACULTURE DISEASES DIAGNOSIS Nguyen Thanh Luan1 Tóm tắt – Sự phát triển bền vững ngành ni trồng thủy sản đóng vai trị quan trọng an ninh lương thực toàn cầu phúc lợi kinh tế Tuy nhiên, phát triển đa dạng nhóm vi khuẩn gây bệnh đặt thách thức lớn cho phát triển phương pháp kiểm soát sinh học bền vững Những tiến gần cơng nghệ giải trình tự gen kết hợp với kĩ thuật sinh tin học trở thành công cụ hiệu ứng dụng cho nghiên cứu bệnh thủy sản Do đó, việc sử dụng phương pháp so sánh gen thường quy cung cấp thông tin đa dạng phát sinh lồi xu hướng tiến hóa tác nhân vi sinh gây bệnh thủy sản, làm sáng tỏ chế gây bệnh, khảo sát chế lây truyền mầm bệnh qua thang dịch tễ học Trong phân tích này, tổng hợp kết ứng dụng phương pháp so sánh genome thao tác liệu Viện Khoa học Ứng dụng HUTECH, Trường Đại học Công nghệ TP.HCM Ngày nhận bài: 23/9/2020; Ngày nhận kết bình duyệt: 25/12/2020; Ngày chấp nhận đăng: 30/12/2020 Email: nt.luan@hutech.edu.vn Department of Veterinary Medicine, Institute of Applied Science, Ho Chi Minh City University of Technology (HUTECH) Received date: 23rd September 2020; Revised date: 25th December 2020; Accepted date: 30th December 2020 172 vi khuẩn gây bệnh thủy sản, bao gồm chi Vibrio Edwardsiella với mục tiêu hướng đến phương pháp phân tích đại kiểm sốt bệnh vi khuẩn ni trồng thủy sản Việt Nam Cụ thể, việc thực so sánh gen nhóm vi khuẩn gây bệnh thủy sản có thể: (i) xác định lại chủng vi khuẩn trước định danh sai với độ xác cao phát phân lập có liên quan đến độc lực gây chết cao; (ii) phát triển phương pháp thường quy pan-PCR dựa vào biomarkers có khả nhận diện xác phân lập từ mẫu lâm sàng; cuối (iii) phục vụ cho nghiên cứu vaccine theo công nghệ vaccine đảo ngược hướng tới phòng ngừa nhiều bệnh động vật thủy sản Từ khóa: bệnh thủy sản, dịch tễ học, genome, kháng kháng sinh, phylogenomics Abstract – The sustainability of aquaculture industry is critical both for global food security and economic welfare However, the massive wealth of pathogenic bacteria poses a key challenge to the development of a sustainable bio-control method Recent advances in genome sequencing study combined TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH, SỐ 40, THÁNG 12 NĂM 2020 lum, Vibrio, Weisella Yersinia Đây tác nhân gây bệnh đến ngành ni trồng thủy sản Các vi khuẩn Gram dương thường tìm thấy bệnh thủy sản bao gồm chi: Lactococcus, Streptococcus Renibacterium salmoninarum, thành viên họ Micrococcaceae [1], [2] Tác nhân gây bệnh vi khuẩn gây bệnh mô tả nghiên cứu tổng quan gần [3], [4] Khả gây bệnh vi khuẩn tồn môi trường nước độc lập với vật chủ, đặc biệt, nhiệt độ nước tăng Các vi khuẩn không triệu chứng phần hệ vi sinh vật bình thường (sự cân hệ vi siGEN EDWARSIELLA: PHÁT HIỆN NHANH VÀ SẢN XUẤT VACCINE Dựa kết phân tách nhóm gen phân tích pan-genome (như Hình 1), thích chức gen mục tiêu phân tích riêng với sở liệu độc lực (Virulence Factors Database – VFDB), nhóm chức gen (Clusters of Orthologous Groups – COG), đường chuyển hóa (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes – KEGG) kháng kháng sinh (Antibiotic Resistance Genes Database – ARGB) Ngồi ra, nhóm gen phân tách sử dụng cho phân tích cấu trúc protein sản phẩm bề mặt tế bào (SEP), bao gồm protein màng protein ngoại bào Các gen dự đốn đóng vai trị vaccine ứng cử viên mơ hình động vật (được gọi vaccine đảo ngược) [19] Trong nuôi trồng thủy sản, SEPs từ tác nhân gây bệnh bao gồm số yếu tố độc lực đóng vai trị quan trọng q trình phát sinh bệnh vi khuẩn phản ứng miễn dịch vật chủ Ví 175 PHẦN C: LĨNH VỰC THỦY SẢN – THÚ Y dụ, biểu esa1 từ Edwardsiella tarda, kháng nguyên bề mặt giống D15, mô hình cá bơn Nhật Bản kích thích biểu loạt gen liên quan đến khả miễn dịch tự nhiên đặc hiệu, tăng cao khả sống cá tạo kháng thể đặc hiệu huyết [20], [21] Tiêm vaccine có thành phần SEPs có tác dụng bảo vệ chống lại nhiễm A hydrophila [22], [23], Flavobacterium columnare [24], [25], Pseudomonas putida [26], Edwardsiellosis [27] - [29] Nghiên cứu gần Zeng et al [30] triển khai kết hợp so sánh hệ gen để sàng lọc gen SEPs từ 17 chủng Leptospira đại diện cho kiểu huyết dịch tễ từ khắp nơi giới Kết xác định 118 kháng nguyên ứng viên với số kháng nguyên protein màng lipoprotein biết Với gia tăng nhanh chóng số lượng trình tự gen tác nhân gây bệnh thủy sản, chúng cho phép nhà nghiên cứu phát triển quy trình kiểm soát nhiễm khuẩn nhằm phản ứng nhanh với dịch bệnh Cụ thể, so sánh hệ gen kết hợp thực công nghệ phát triển vaccine xu hướng tiềm để nghiên cứu vi khuẩn gây bệnh thủy sản, cải thiện hiệu phòng bệnh vaccine cá nuôi thông qua việc phản ứng chéo với kiểu huyết khác tác nhân gây bệnh ngăn chặn bùng phát dịch bệnh kết hợp thực phân tích gen TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH, SỐ 40, THÁNG 12 NĂM 2020 PHẦN C: LĨNH VỰC THỦY SẢN – THÚ Y TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Austin B, Austin DA Bacterial fish pathogens - disease of farmed and wild fish 5th ed Dordrecht: Springer; 2012 Hình 1: Hình biểu diễn kết so sánh [2] Henrik Hasman, Dhany Saputra, Thomas hệ gen loài chi Edwardsiella Sicheritz-Ponten, Ole Lund, Christina Aaby (A) gene lõi tách từ kết phân Svendsen, Niels Frimodt-Moller, et al tích so sánh hệ gen (B) Rapid whole-genome sequencing for detection and characterization of microorganisms directly from clinical samples Journal of Clincal Microbiology 2014; 52(8):3136 DOI: 10.1128/JCM.01369-14 Hơn nữa, việc phân tích đa hình gen phân tán chủng khảo sát (ví dụ Edwardsiella, Hình 1) cung cấp thơng tin có giá trị biện pháp kiểm sốt đặc hiệu lồi bệnh Ví dụ, diện/vắng mặt gen (khung trắng Hình 2A) liệu phân tử cho phương pháp định danh xác tác nhân gây bệnh, đặc biệt phân biệt loài (E tarda [31], [32]) Trong phân tích tiếp theo, kết hợp định danh theo kiểu hình, kiểu huyết kháng huyết khác biệt gen thành phần phân tích bổ sung phân tích KEGG/COG, VFDB, ARG hệ thống RAST giúp tìm hiểu biết tiến hóa q trình phát sinh bệnh khảo sát mục tiêu đặc hiệu phát triển thuốc theo loài gây bệnh Cuối cùng, phương pháp PCR thường quy sử dụng mục tiêu di truyền tính phân biệt cao (pan-PCR) xác định qua phân tích tính đa hình gen phân tán [33] Đây công cụ thường xun hiệu phịng thí nghiệm chẩn đoán bệnh thủy sản 176 [3] Sion C Bayliss, David W Verner-Jeffreys, Kerry L Bartie, David M Aanensen, Samuel K Sheppard, Alexandra Adams, Edward J Feil The promise of whole genome pathogen sequencing for the molecular epidemiology of emerging aquaculture pathogens Front Microbiol 2017; 8:121 DOI: 10.3389/fmicb.2017.00121 [4] Pridgeon Julia W, Phillip H Klesius Major bacterial diseases in aquaculture and their vaccine development CAB Reviews Perspectives in Agriculture Veterinary Science Nutrition and Natural Resources 2012 DOI: 10.1079/PAVSNNR20127048 [5] Carding S, Verbeke K, Vipond DT, Corfe BM, Owen LJ Dysbiosis of the gut microbiota in disease Microbial Ecology in Health and Disease 2015; 26:26191 DOI: 10.3402/mehd.v26.26191 [6] Defoirdt T, Sorgeloos P, Bossier P Alternatives to antibiotics for the control of bacterial disease in aquaculture Curr Opin Microbiol 2011; 14(3):251–8 DOI: 10.1016/j.mib.2011.03.004 TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH, SỐ 40, THÁNG 12 NĂM 2020 [7] Reith ME, Singh RK, Curtis B, Boyd JM, due to insertion sequences in Aeromonas Bouevitch A, Kimball J, et al The genome salmonicida BMC Genomics 2016; 17:44 of Aeromonas salmonicida subsp salmoni- DOI:10.1186/s12864-016-2381-3 cida A449: insights into the evolution of [8] [13] gen P Complete Genome Sequences of 9:427 DOI: 10.1186/1471-2164-9-427 Seven Vibrio anguillarum Strains as De- Wang Q, Yang M, Xiao J, Wu H, Wang rived from PacBio Sequencing Genome X, Lv Y, et al Genome sequence of Biology and Evolution 2018; 10(4):1127– the versatile fish pathogen Edwardsiella 1131 DOI:10.1093/gbe/evy074 [14] KA, Lievens B, Rediers H Vibrio anguil- niches PLoS One 2009; 4(10):e7646 DOI: larum as a fish pathogen: virulence factors, 10.1371/journal.pone.0007646 diagnosis and prevention Journal of Fish Naka H, Dias GM, Thompson CC, Dubay C, Diseases 2011; 34(9):643–61 [15] L, Bouige P, Mazel D Comparative anal- anguillarum harboring the pJM1 virulence ysis of superintegrons: engineering ex- plasmid and genomic comparison with other tensive genetic diversity in the Vibri- virulent strains of V anguillarum and V onaceae Genome Res 2003;13(3):428– ordalii Infect Immun 2011; 79(7):2889– 442 DOI:10.1101/gr.617103 [16] Roh HJ, Kim BS, Kim A, Kim NE, Lee Y, Chaudhry V, Prabhu BP Genomic investi- Chun WK, et al Whole-genome analysis of gation reveals evolution and lifestyle adap- multi-drug-resistant Aeromonas veronii iso- tation of endophytic Staphylococcus epider- lated from diseased discus (Symphysodon midis Scientific Reports 2016; 6: 19263 discus) imported to Korea Journal of DOI:10.1038/srep19263 Fish Diseases 2019; 42(1):147–153 DOI: Colston SM, Fullmer MS, Beka L, Lamy B, 10.1111/jfd.12908 Gogarten JP, Graf J Bioinformatic genome [12] Rowe-Magnus DA, Guerout AM, Biskri sequence of the marine fish pathogen Vibrio 900 DOI: 10.1128/IAI.05138-11 [11] Frans I, Michiels CW, Bossier P, Willems tion to broad host ranges and intracellular Thompson FL, Crosa JH Complete genome [10] Holm KO, Bổkkedal C, Săoderberg JJ, Hau- a fish pathogen BMC Genomics 2008; tarda provides insights into its adapta- [9] PHẦN C: LĨNH VỰC THỦY SẢN – THÚ Y [17] Ingeborg Frans, Kristof Dierckens, Sam comparisons for taxonomic and phyloge- Crauwels, Ado Van Assche, Jorgen Leis- netic assignments using Aeromonas as a ner, Marianne H Larsen, et al Does test case mBio 2014; 5(6):e02136 DOI: virulence assessment of Vibrio anguil- 10.1128/mBio.02136-14 larum using sea bass (Dicentrarchus labrax) Antony T Vincent, Mélanie V Trudel, larvae correspond with genotypic and Luca Freschi, Vandan Nagar, Cynthia phenotypic characterization? PLoS One Gagné-Thivierge, Roger C Levesque, et 2013; 8(8):e70477 DOI: 10.1371/jour- al Increasing genomic diversity and ev- nal.pone.0070477 [18] idence of constrained lifestyle evolution 177 Busschaert P, Frans I, Crauwels S, Zhu TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH, SỐ 40, THÁNG 12 NĂM 2020 B, Willems K, Bossier P, et al Compara- membrane proteins, Aha1 and OmpW of tive genome sequencing to assess the ge- Aeromonas hydrophila as vaccine candi- netic diversity and virulence attributes of date for common carp Vet Immunol Im- 15 Vibrio anguillarum isolates Journal of munopathol 2012;149(3-4):298–301 DOI: Fish Diseases 2015; 38(9):795–807 DOI: 10.1016/j.vetimm.2012.07.013 10.1111/jfd.12290 [19] [24] [21] Zhang X, et al Immunogenic proteins and Cira D Rinaudo, Vega Masignani, Marirosa their vaccine development potential evalu- Mora, Maria Scarselli, et al Identifi- ation in outer membrane proteins (OMPs) cation of a universal Group B strep- of Flavobacterium columnare Aquacul- tococcus vaccine by multiple genome ture and Fisheries 2016; 1:1–8 DOI: screen Science 2005; 309(5731):148–150 10.1016/j.aaf.2016.10.002 [25] P, Immunogenicity and protective role of analysis of the immune effect of an Ed- antigenic regions from five outer membrane wardsiella tarda DNA vaccine encoding proteins of Flavobacterium columnare in a D15-like surface antigen Fish Shell- grass carp Ctenopharyngodon idella Chin fish Immunol 2011; 30(1):273–9 DOI: J Oceanol Limnol 2016; 34(6):1247–57 10.1016/j.fsi.2010.10.020 DOI: 10.1007/s00343-016-5096-z [26] Sun Y, Liu CS, Sun L Identification Mao Z, Ye J, Li M, Xu H, Chen J Vaccina- of an Edwardsiella tarda surface antigen tion efficiency of surface antigens and killed and analysis of its immunoprotective po- whole cell of Pseudomonas putida in large tential as a purified recombinant subunit yellow croaker (Pseudosciaena crocea) Fish vaccine and a surface-anchored subunit Shellfish Immunol 2013; 35(2):375–81 vaccine expressed by a fish commensal DOI: 10.1016/j.fsi.2013.04.030 [27] Castro N, Toranzo AE, Nú˜nez S, Mag- 10.1016/j.vaccine.2010.07.050 ari˜nos B Development of an effective Ed- Khushiramani RM, Maiti B, Shekar M, wardsiella tarda vaccine for cultured tur- Girisha SK, Akash N, Deepanjali A, et bot (Scophthalmus maximus) Fish Shell- al Recombinant Aeromonas hydrophila fish Immunol 2008; 25(3):208–212 DOI: outer membrane protein 48 (Omp48) in- 10.1016/j.fsi.2008.05.008 duces a protective immune response against [23] Luo Z, Liu Z, Fu J, Zhang Q, Huang B, Nie Sun Y, Liu C, Sun L Construction and strain Vaccine 2010; 28(40):6603–8 DOI: [22] Luo Z, Fu J, Li N, Liu Z, Qin T, Domenico Maione,Immaculada Margarit, DOI:10.1126/science.1109869 [20] PHẦN C: LĨNH VỰC THỦY SẢN – THÚ Y [28] Kawai K, Liu Y, Ohnishi K, Oshima S A Aeromonas hydrophila and Edwardsiella conserved 37 kDa outer membrane protein tarda Res Microbiol 2012; 163(4):286–91 of Edwardsiella tarda is an effective vaccine DOI: 10.1016/j.resmic.2012.03.001 candidate Vaccine 2004; 22(25-26):3411– Maiti B, Shetty M, Shekar M, Karunasagar DOI: 10.1016/j.vaccine.2004.02.026 [29] I, Karunasagar I Evaluation of two outer 178 Seong Bin Park, Ho Bin Jang, Seong Won TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH, SỐ 40, THÁNG 12 NĂM 2020 Nho, In Seok Cha, Jun-ichi Hikima, Maki Ohtani, et al Outer membrane vesicles as a candidate vaccine against edwardsiellosis PLoS One 2011; 6(3):e17629 DOI: 10.1371/journal.pone.0017629 [30] LingBing Zeng, Dongliang Wang, NiYa Hu, Qing Zhu, Kaishen Chen, Ke Dong, et al A Novel Pan-Genome Reverse Vaccinology Approach Employing a Negative-Selection Strategy for Screening Surface-Exposed leptospirosis Antigens Front against Microbiol 2017; 8:396 DOI: 10.3389/fmicb.2017.00396 [31] Buján N, Mohammed H, Balboa S, Romalde JL, Toranzo AE, Arias CR, et al Genetic studies to re-affiliate Edwardsiella tarda fish isolates to Edwardsiella piscicida and Edwardsiella anguillarum species Syst Appl Microbiol 2018; 41(1):30–37 DOI: 10.1016/j.syapm.2017.09.004 [32] Fogelson SB, Petty BD, Reichley SR, Ware C, Bowser PR, Crim MJ, et al Histologic and molecular characterization of Edwardsiella piscicida infection in largemouth bass (Micropterus salmoides) Journal of Veterinary Diagnostic Investigation 2016; 28(3):338–44 DOI: 10.1177/1040638716637639 [33] Joy Y Yang, Shelise Brooks, Jennifer A Meyer, Robert R Blakesley, Adrian M Zelazny, Julia A Segre, et al PanPCR, a computational method for designing bacterium-typing assays based on wholegenome sequence data Journal of Clinical Microbiology 2013; 51(3):752–758 DOI: 10.1128/JCM.02671-12 179 PHẦN C: LĨNH VỰC THỦY SẢN – THÚ Y ... lượng trình tự gen tác nhân gây bệnh thủy sản, chúng cho phép nhà nghiên cứu phát triển quy trình kiểm sốt nhiễm khuẩn nhằm phản ứng nhanh với dịch bệnh Cụ thể, so sánh hệ gen kết hợp thực công... nghiên cứu vi khuẩn gây bệnh thủy sản, cải thiện hiệu phòng bệnh vaccine cá nuôi thông qua việc phản ứng chéo với kiểu huyết khác tác nhân gây bệnh ngăn chặn bùng phát dịch bệnh kết hợp thực phân... NĂM 2020 lum, Vibrio, Weisella Yersinia Đây tác nhân gây bệnh đến ngành ni trồng thủy sản Các vi khuẩn Gram dương thường tìm thấy bệnh thủy sản bao gồm chi: Lactococcus, Streptococcus Renibacterium