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Doctoral Thesis
2022
Untersuchung der spatio-temporalen Verbreitung von Brucellose-Ausbruchsstämmen in Ägypten mittels cgSNP-Analyse und Multi Lokus VNTR-Analyse
Untersuchung der spatio-temporalen Verbreitung von Brucellose-Ausbruchsstämmen in Ägypten mittels cgSNP-Analyse und Multi Lokus VNTR-Analyse
Abstract (English)
Brucellosis is a worldwide zoonosis caused by the genus Brucella, which includes 12 species, and it is of great importance for the public health sector. In animals, the disease can lead to abortions, which entails high economic losses. The disease can be transmitted from animals to humans directly by penetrating through mucous membranes and wounds in the skin, or indirectly by consuming unpasteurized milk, milk products made from it, or meat that has not been sufficiently heated. The bacteria can also be transmitted via aerosols, which among other things categorizes these pathogens in risk class three. Contact with infected animals, especially their reproductive organs, aborted fetuses and discharges therefore represent a risk factor. The disease in humans is serious, an antibiotic treatment lasting several weeks is necessary. Although many countries are considered brucellosis-free, African countries, for example, are still badly affected.
This work focuses on Brucella from Egypt. Although brucellosis is endemic in Egypt, there is just one publication with very little data about outbreak analysis of the species Brucella (B.) melitensis and B. abortus based on whole genome sequencing. Some other earlier publications are based on the so-called Multiple Locus VNTR analysis (MLVA), which in this present work turned out to be unsuitable for epidemiological analysis or outbreak analysis. VNTR means variable number of sequence repetitions in the DNA. In order to make concrete statements on outbreak analysis, a so-called single nucleotide polymorphism analysis of the core genome (cgSNP analysis) was carried out based on whole genome sequencing. While the MLVA includes highly mutable DNA regions, in the cgSNP analysis they are excluded. Therefore, the cgSNP analysis enables a more precise classification of the genotypes and thus also the classification of the outbreak strains, while the MLVA can just be used for the differentiation of isolates due to the use of highly mutable sequence regions. This became clear through the direct comparison of both methods including the metadata, so that previously published data that described the outbreak analysis for Brucella using the MLVA cannot be used. Over and above that in contrast to an in silico MLVA based on genome sequencing, a laboratory-based MLVA is prone to errors. In a direct comparison, the in silico MLVA showed reliable results in 100% of the cases and should therefore replace the laboratory-based MLVA. For the cgSNP analysis a total of 185 isolates from animals and humans were available. Out of a total of 185 samples, 137 were classified as B. melitensis and 49 as B. abortus, suggesting that B. melitensis infections are more common than B. abortus infections in Egypt. Furthermore, conserved outbreak strains in Egypt, detected by the cgSNP analysis and genetically differing only minimally, have persisted for several years and have spread or are still spreading, as well as constantly newly introduced outbreak strains or infections. Among the B. abortus isolates,
B. abortus RB51 vaccine strains from aborted animals could be detected, confirming that the RB51 vaccine strain also causes abortions. While most B. melitensis strains are assigned to West Mediterranean origin, one isolate each is assigned to American and East Mediterranean origin. Such a classification by a so-called canonical SNP assay (canSNP assay), as was carried out for the B. melitensis isolates, is not possible for B. abortus for methodological reasons. A further cgSNP analysis was used to check existing public database entries from other countries for possible sources of introduction of the detected Egyptian outbreak strains. Italian origin is likely for most B. melitensis isolates, while UK origin is likely for a certain group of B. abortus isolates. The remaining B. abortus isolates could not be assigned unequivocally, but would possibly be close to the isolates from the USA. In order to confirm or refute possible relatives, much more isolates from different regions are necessary for a comparison. Due to the large number of different outbreak strains in Egypt, the origin of these outbreak strains should be outside the country, so that importations can be assumed.
Abstract (German)
Die Brucellose ist eine weltweit verbreitete Zoonose, die durch die Gattung Brucella, die 12 Spezies beinhaltet, ausgelöst wird und für den öffentlichen Gesundheitssektor von großer Bedeutung ist. Bei Tieren kann die Krankheit zu Aborten führen, was einen hohen wirtschaftlichen Schaden nach sich zieht. Vom Tier auf den Menschen kann die Krankheit durch direkten Kontakt, durch das Eindringen über Schleimhäute und Wunden in der Haut oder indirekt durch den Verzehr von nicht pasteurisierter Milch, die daraus hergestellten Milchprodukte oder nicht ausreichend erhitztem Fleisch übertragen werden. Auch über Aerosole können sich die Bakterien übertragen lassen, was unter anderem diese Erreger in die Risikoklasse drei einstuft. Der Kontakt mit infizierten Tieren, besonders deren reproduktiven Organe, abortierte Föten und Ausflüsse stellen somit einen Risikofaktor dar. Die Krankheit beim Menschen ist schwerwiegend, weshalb eine mehrwöchige Antibiose als Therapie erforderlich ist. Obwohl viele Länder als frei von Brucellose gelten, sind beispielsweise afrikanische Länder noch stark betroffen.
Die vorliegende Arbeit fokussiert sich auf Brucellen aus dem afrikanischen Land Ägypten. Obwohl die Brucellose in Ägypten endemisch ist, gibt es bisher nur eine Publikation mit sehr wenigen Daten, die Näheres zur Ausbruchsanalytik der Spezies Brucella (B.) melitensis
und B. abortus basierend auf der Gesamtgenomsequenzierung beschreibt. Einige andere bisherigen Veröffentlichungen basieren auf der sogenannten Multi Lokus VNTR Analyse (MLVA), die sich aber für epidemiologische Fragestellungen, bzw. für die Ausbruchsanalytik in dieser vorliegenden Arbeit als ungeeignet herausgestellt hat. VNTR steht dabei für die variable Anzahl an Sequenzwiederholungen in der DNS. Um konkrete Aussagen zur Ausbruchsanalytik zu tätigen, wurde deshalb eine sogenannte Einzelnukleotidpolymorphismusanalyse des Kerngenoms (cgSNP-Analyse) auf Basis der Gesamtgenomsequenzierung durchgeführt. Während die MLVA hochmutable DNS-Regionen inkludiert, sind diese in der cgSNP-Analyse von vorn herein ausgeschlossen. Deshalb ermöglicht die cgSNP-Analyse eine genauere Einteilung der Genotypen und somit auch die Einteilung der Ausbruchsstämme, während im Gegenzug die MLVA aufgrund der Verwendung von hochmutablen Regionen ausschließlich für die reine Differenzierung von Isolaten herangezogen werden kann. Dies wurde durch den direkten Methodenvergleich und der Einbeziehung der Metadaten deutlich, sodass bisher veröffentlichte Daten, die mittels der MLVA die Ausbruchsanalytik für Brucella beschrieben haben, nicht verwendbar sind. Darüber hinaus ist eine laborbasierte MLVA im Gegensatz zu einer in silico MLVA, die auf der Genomsequenzierung beruht, fehleranfällig. Bei einem direkten Vergleich zeigte die in silico MLVA in 100% der Fälle zuverlässige Ergebnisse und sollte demnach die laborbasierte MLVA ersetzen. Für die cgSNP-Analyse lagen insgesamt 185 Isolate vor, die aus Tieren, sowie aus dem Menschen stammen. Von diesen insgesamt 185 Proben sind 137 als B. melitensis und 49 als B. abortus klassifiziert worden, was darauf schließen lässt, dass in Ägypten B. melitensis Infektionen häufiger als B. abortus Infektionen vorkommen. Weiterhin wurden durch die cgSNP-Analyse konservierte Ausbruchsstämme detektiert, die sich genetisch nur minimal unterscheiden, seit einigen Jahren in Ägypten persistieren und sich verbreitet haben oder immer noch verbreitet werden, sowie ständig neu eingeführte Ausbruchsstämme, bzw. Infektionen. Unter den B. abortus Isolaten konnten B. abortus RB51 Vakzinstämme aus abortierten Tieren detektiert werden, was bestätigt, dass der RB51-Vakzinstamm auch zu Aborten führt. Während die meisten B. melitensis Stämme dem westmediterranen Ursprung zugeordnet wurden, ist jeweils ein Isolat dem amerikanischen, bzw. dem ostmediterranen Ursprung, zugeteilt. Solch eine Einteilung durch einen sogenannten kanonischen SNP-Assay (canSNP-Assay), wie es für die B. melitensis Isolate durchgeführt wurde, ist für B. abortus aus methodischen Gründen nicht möglich. Durch eine weitere cgSNP-Analyse wurden vorhandene öffentliche Datenbankeinträge aus anderen Ländern auf mögliche Quellen der Einschleppung der detektierten ägyptischen Ausbruchsstämme geprüft. Für die meisten
B. melitensis Isolate ist eine Herkunft aus Italien wahrscheinlich, für eine bestimmte Gruppe von B. abortus Isolaten hingegen eine Herkunft aus Großbritannien. Die übrigen B. abortus Isolate konnten nicht eindeutig zugeteilt werden, würden aber möglicherweise den Isolaten aus USA am nächsten stehen. Um hier mögliche Verwandtschaften zu bestätigen oder zu widerlegen, müssten sehr viel mehr Isolate aus verschiedenen Regionen zum Vergleich zur Verfügung stehen. Aufgrund der Vielzahl an diversen Ausbruchsstämmen in Ägypten, sollte der Ursprung dieser Ausbruchsstämme außerhalb des Landes liegen, sodass von Einschleppungen ausgegangen werden kann.
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Publication series
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Faculty
Faculty of Agricultural Sciences
Institute
Institute of Animal Science
Examination date
2022-08-31
Supervisor
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ISBN
Language
German
Publisher
Publisher place
Classification (DDC)
590 Animals (Zoology)
Collections
Original object
Standardized keywords (GND)
Sustainable Development Goals
BibTeX
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