Ulrich Nübel Bakterielle Populationsstrukturen nuebelu@rki.de Burgstr. 37, Wernigerode

Ulrich Nübel

Bakterielle Populationsstrukturen

nuebelu@rki.de

Burgstr. 37, Wernigerode

1. Mutation + Rekombination

2. Selektion

3. genetische Drift

1. Mutation + Rekombination

2. Selektion

3. genetische Drift

60ST10 GAT ACA AAA GTA GTA CAA GAA CCT AAG ATA TCA AAG AAG TCT AAT AGT AAA GAC TTT TCTST11 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST3 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .C. ... ... ... ...ST9 ... ... ... ... ... ... ..G ... ..A ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST8 ... ... ... ... ... ... ... ... ..A ... ... ... ... ... ... .C. ... ... ... ...ST1 ... ... ... ... ... ... ... ... ..A ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST12 ... ... ... ... ... ... ... ... ..A ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST6 ... ... ... ... ... ... ... ... ..A ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST16 ... ... ... ... ... ... ... ... ..A ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST7 ... ... ... ... ... ... ... ... ..A ... ... ..T ... ... ... ... ... ... ... ...ST2 ... ... ... ... ... ... ... ... ..A ... .T. ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST14 ... ... ... ... ... ... ... ... ..A ... .T. ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST13 ... ... ... T.. ... ... ..G ... ..A ... ..G ... ... ... ... .C. ... ..T C.. ...

120ST10 TCA TCA CAA GAG TTA TTC GGT TTT GAC GAA GCT ATG CTA ATT ACA GCA AAA GAA GAT GAGST11 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST3 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST9 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST8 ... ... ... ... ... ... ... ... ..T ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST1 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST12 ... ... ... ... ... ..T ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST6 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST16 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST7 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST2 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST14 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST13 ... ... ... ... ... ..T ... ... ..T ... ..G ... ..G ... ... ... ... ... ... ...

180ST10 GAA TAC TCT TTT GGT TTA CCG TTA AAA GAA AAA TAT GTT TTT GAT AGT TTT GTT GTT GGAST11 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST3 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST9 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST8 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST1 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST12 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST6 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST16 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST7 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST2 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST14 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST13 ... ... ... ... ..C ... ..A ... ... ... ... ... ... ... ..C ..C ... ..A ... ...

240ST10 GAT GCT AAC AAA ATT GCT AGA GCA GCA GCT ATG CAG GTA TCG ATA AAT CCA GGT AAA TTAST11 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST3 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST9 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST8 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST1 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST12 ... ... ... ... ... ... ... ... ..G ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST6 ... ... ... ... ... ... ... ... ..G ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST16 ... ... ... ... ... ... ... ... ..G ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST7 ... ... ... ... ... ... ... ... ..G ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST2 ... ... ... ... ... ... ... ... ..G ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST14 ... ... ... ... ... ... ... ... ..G ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST13 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..A ... ... ... ... ..T ... ... ..G

300ST10 CAT AAC CCT TTA TTC ATT TAT GGT GGT AGT GGT TTA GGT AAA ACT CAC TTA ATG CAA GCAST11 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST3 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST9 T.. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST8 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST1 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST12 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST6 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST16 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST7 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST2 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST14 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST13 ... ... ... ... ... ..C ... ... ... ... ... ... ..A ... ... ... ... ... ... .

360

ST10 ATA GGT AAT CAT GCA AGA GAA GTT AAT CCT AAT GCC AAA ATT ATT TAT ACA AAT TCA GAAST11 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST3 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST9 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST8 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST1 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST12 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST6 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST16 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST7 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST2 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST14 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST13 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..T ... ... ..C ... ... ... ... ...

420ST10 CAA TTT ATT AAA GAT TAT GTA AAT TCT ATT CGT TTA CAA GAT CAA GAT GAG TTT CAA AGA ST11 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST3 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST9 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST8 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST1 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST12 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST6 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST16 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST7 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST2 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST14 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...ST13 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... C.. ... ... ... ... ..A ... ... ...

470ST10 GTT TAT AGA TCT GCG GAT ATA CTT TTG ATT GAT GAT ATT CAA TTT ATT GCTST11 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..C ...ST3 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ST9 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..C ...ST8 ... ... ... ... ..A ... ..T ... C.T ..A ... ... ... ... ... ..C ...ST1 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..C ...ST12 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..C ...ST6 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..C ... ... ... ..C ...ST16 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..C ... ... ... ..C ...ST7 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..C ... ... ... ..C ...ST2 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..C ... ... ... ..C ...ST14 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..C ... ... ... ..C ...ST13 ... ... ... ... ..A ... ..T ... C.T ..A ... ... ... ..G ... ..C ...

Variabilität einer Gen-Sequenz

?

klonale Vermehrung

Gene mit Mosaikstruktur

Populationsgenetik von Bakterien

Multilocus-Enzym-Elektrophorese (MLEE)

die wichtigsten Methoden:

70er bis 90er Jahre

Multilocus-Sequenz-Typisierung (MLST) seit 1998

genomweite SNPs seit 2003

Multilocus-Enzym-Elektrophorese (MLEE)

Bakterienkultur

Enzym-Extraktion

Gelelektrophorese

spezifische Enzymfärbung

Multilocus-Enzym-Elektrophorese (MLEE)

Mannitol 1-Phosphat Dehydrogenase

Glucose 6-Phosphat Dehydrogenase

Malat Dehydrogenase

MLEE -- Assoziation der Allele

Allelprofile

Allel-HäufigkeitenDistanzmatrix

beobachtete Varianz:

Vobs

ohne Kopplung der Alleleerwartete Varianz:

Vexp

Assoziations-Index:

Vobs >> Vexp

Vobs = Vexp

Kopplungsgleichgewicht:

IA = Vobs/Vexp -1

IA = 0

IA >> 0

Kopplungsungleichgewicht:

(entsteht durch freie Rekombination; z. B. Neisseria gonorrhoeae)

MLEE -- Assoziation der Allele

IA >> 0Kopplungsungleichgewicht

entsteht durch:

geringe Rekombinationsrate (z. B. E. coli, Salmonella spp.)

unterteilte Populationen(z. B. "Rhizobium meliloti")

epidemische Populationsstruktur(z. B. Neisseria meningitidis)

MLST -- eBURST-Algorithmus

Punktmutation

Rekombination

neues Allel mit einem neuen Nucleotid

innerhalb klonaler Komplexe gilt näherungsweise:

neues Allel mit mehreren Unterschieden, kann in verschiedenen STs auftreten

Vergleich Founder : SLVs r / m

Rekombinationsraten in verschiedenen Species

Staphylococcus aureus

r/m

0,1

Neisseria meningitidis 10

Streptococcus pneumoniae 5

Mycobacterium tuberculosis 0,0

trotz Rekombination können vorübergehend 'Klone' existieren

klonale Komplexe und Virulenz

= virulente Klone

an Fortpflanzung gebunden optional

zwei haploide Zellen verschmelzen zu einer diploiden

kleiner Teil (100-1000 Basen) des Donor-Genoms wird in Rezipienten-Genom aufgenommen

nur innerhalb einer Art auch zwischen entferntenVerwandten

Rekombination: Unterschiede zwischen

'höheren' Eukaryonten Prokaryonten+

Nature Genetics Reviews 2: 634 (2001)