Dividir para conquistar: como fragmentar o genoma do Trypanosoma cruzi pode aprimorar o seu entendimento e facilitar a busca de alvos conservados para aplicações diagnósticas

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Universidade Federal de Minas Gerais

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Tese de doutorado

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Alejandro Gabriel Schijman
Daniel Menezes Souza
Gabriel da Rocha Fernandes
Glória Regina Franco

Resumo

Trypanosoma cruzi, agente da doença de Chagas (DC), apresenta grande diversidade genética, sendo dividido em sete Discrete Typing Units (DTU). Essa alta variabilidade gera dificuldades no diagnóstico molecular e sorológico da infecção de acordo com a população do parasito avaliada. Neste contexto, é evidente a necessidade de entender melhor o genoma do parasito e aprimorar os diagnósticos existentes identificando alvos conservados em populações de parasitos que circulam em diferentes áreas endêmicas. Um número significativo de sequências genômicas não montadas (reads) de T. cruzi estão disponíveis em banco de dados públicos. Esse conjunto de dados é ideal para identificar sequências com alto número de cópias que são difíceis de serem montadas, mas que podem aumentar a sensibilidade dos testes diagnósticos devido a sua natureza repetitiva. Assim, usando ferramentas de bioinformática sem a necessidade de montar genomas, nós buscamos motivos conservados em seis genótipos do T. cruzi (TcI a TcVI). Bibliotecas de reads das seis DTUs foram mapeadas em genomas montados, e cada read mapeada foi segregada em porções (k-mers) de 80 nucleotídeos que foram posteriormente agrupadas. Identificamos clusters conservados e suas sequências-consensos foram usadas para desenho de primers que possuíram a capacidade de amplificar DNA de todos os genótipos de T. cruzi, sem amplificação cruzada com outros tripanossomatídeos ou hospedeiros. Ademais, a partir de sequências depositadas no NCBI, foi feito um estudo de conservação da sequência satélite do T. cruzi, que tem sido usado como alvo para o diagnóstico molecular. Notou-se que, apesar da maioria dos 195 nucleotídeos que compõem a sequência serem conservados, houve posições com menos de 80% de conservação, estando as sequências agrupadas de acordo com a DTU. Os iniciadores desenhados derivados das sequências satélites foram capazes de amplificar a partir de 50 fg de gDNA do parasito, sem amplificação em hospedeiros e outros tripanossomatídeos. Por fim, os consensos conservados do genoma total foram traduzidos em sequências peptídicas e, após triagem de reatividade com pool de soros de pacientes com DC, foram selecionados quatro peptídeos para teste com soros de pacientes de diferentes localidades e de animais experimentalmente infectados. Nas infecções em camundongos, os peptídeos foram capazes de detectar IgM e IgG anti-T. cruzi a partir da sexta semana de infecção. Além disso, altos valores de sensibilidade e especificidade foram obtidos com soros de pacientes da Bolívia e do Brasil, mas não do Peru. Acreditamos que uma maior investigação do perfil de resposta imune de indivíduos do Peru associada ao aumento do repertório de dados genômicos que ajudem a elucidar esta particularidade pode auxiliar na identificação de melhores alvos diagnósticos para esta região. Assim, sugere-se que o uso de abordagens de bioinformática possui potencial para identificar regiões conservadas em diferentes linhagens de T. cruzi, que podem ser potenciais alvos para diagnóstico da infecção.

Abstract

Trypanosoma cruzi, the causative agent of Chagas disease (CD), displays significant genetic diversity, being divided into seven Discrete Typing Units (DTUs). This high variability poses challenges for molecular and serological diagnosis of the infection, depending on the parasite population evaluated. In this context, it is crucial to further understand the parasite genome and enhance existing diagnostics by identifying conserved targets across parasite populations from distinct endemic areas. A substantial number of unassembled genomic sequences (reads) of T. cruzi are available in public databases. This dataset is ideal for identifying high-copy sequences that are difficult to assemble but may improve diagnostic sensitivity due to their repetitive nature. Thus, using bioinformatics tools without requiring genome assembly, we sought conserved motifs in six T. cruzi genotypes (TcI to TcVI). Read libraries of six DTUs were mapped onto assembled genomes, and each mapped read was divided into 80-nucleotide portions (k-mers) that were subsequently grouped. We identified conserved clusters whose consensus sequences were used to design primers capable of amplifying DNA from all T. cruzi genotypes, without cross-amplification with other trypanosomatids or hosts. Additionally, from sequences deposited in the NCBI, a conservation study of the T. cruzi satellite sequence, which has been used as a molecular diagnostic target, was conducted. It was observed that although most of the 195 nucleotides constituting the sequence are conserved, there were positions with less than 80% conservation, with sequences grouped by DTU. The primers designed from the satellite sequences were able to amplify as little as 50 fg of parasite gDNA without amplification in hosts or other trypanosomatids. Finally, the conserved genome-wide consensus were translated into peptide sequences, and after reactivity screening with pooled sera from CD patients, four peptides were selected for testing with sera from patients in different regions and experimentally infected animals. In mouse infections, the peptides were able to detect anti-T. cruzi IgM and IgG from the sixth week of infection. Furthermore, high sensitivity and specificity values were obtained with sera from patients from Bolivia and Brazil, but not from Peru. We believe that further investigation of the immune response profile of individuals from Peru, associated with an increase in the repertoire of genomic data that help to elucidate this particularity, may assist in the identification of better diagnostic targets for this region. Thus, these results suggest that bioinformatics approaches have the potential to identify conserved regions in T. cruzi isolates from distinct endemic areas, which may serve as potential targets for infection diagnosis.

Assunto

Parasitologia, Trypanosoma cruzi, Doença de Chagas, Bioinformática, Diagnóstico Molecular, Antígenos

Palavras-chave

K-mers, Discrete Typing Units, biomarcadores diagnósticos

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