Universität zu Köln

Thirupathy, Sabari Sankar (2008). The evolution of silent beta-glucoside systems in Escherichia coli. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The genomes of bacterial species are very dynamic. For example in Escherichia coli, individual isolates may share as little as 60 to 70% of their genome with other isolates. The remainder of the genome consists of a flexible pool of genes, which are present only in some isolates. This genome diversity is manifested through gain of genes by horizontal transfer as well as by loss or mutations of genes. In this study the evolution of two silent β-glucoside loci belonging to the flexible gene pool of E. coli was traced. The bgl operon is present in ~80% of all E. coli isolates, while in the rest it is replaced by a locus (named Z5211-5214) of unknown function. The bgc locus is present in roughly 50% of E. coli isolates. To trace the evolution of these loci, the phylogeny of a representative collection of 175 E. coli isolates was established by multilocus sequence typing (MLST). In parallel, the bgl and bgc loci were typed by PCR and sequencing. This revealed four groups of the bgl / Z locus, including 3 bgl variants. Mapping of these groups demonstrated a striking correlation to the species phylogeny and population structure: among the four phylogenetic groups of E. coli, bgl is present in the A, B1, and B2 groups, while the Z locus is present in D strains, which suggests a coupled evolution of the bgl / Z locus with the host. Further, three ancestral E. coli isolates and strains of the closely related species Escherichia albertii as well as the closely related genus Salmonella enterica, lack the bgl / Z locus, indicating horizontal transfer of the bgl and Z loci into the root of the modern E. coli. However, BLAST surveys revealed the presence of bgl homologs in Erwinia, Klebsiella and Photorhabdus species. The phylogeny of E. coli bgl and these homologs is concordant with the 16S rRNA phylogeny contradicting horizontal transfer. In conclusion, these results implicate vertical inheritance of bgl and its loss in some enterobacterial lineages. In E. coli isolates belonging to the phylogenetic group D, the bgl operon presumably was replaced by the Z locus, which may have been horizontally acquired. Further, correlating the data of a functional analysis of bgl with the species phylogeny demonstrated that bgl is functional although silent in the majority of strains in groups A and B1, while, interestingly, in more than 50% of B2 strains, bgl was not silent but weakly expressed. These data together with the results of nonsynonymous-to-synonymous substitution ratio test (the KA/KS test), suggest that bgl may confer an unknown ecological advantage. The second silent β-glucoside system bgc analyzed here, is predominant in the phylogenetic groups B1 and B2, it is present in D group isolates and rarely found in A strains. The widespread occurrence could be due to either gain or loss of bgc in evolution. Cumulatively, the study suggests that in addition to gene gain, also gene loss may significantly contribute to the flexibility of the genome, and that a careful analysis is required for individual loci belonging to the flexible gene pool.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Der Aufbau bakterieller Genome ist sehr dynamisch. Beispielsweise ist bei Escherichia coli nur etwa 60 bis 70% des Genoms allen individuellen Isolaten gemeinsam. Der Rest des Genoms besteht aus einem flexiblen Pool von Genen, die nur in einigen Isolaten vorkommen. Diese Genom-Diversität basiert auf Genaufnahme durch horizontalen Transfer sowie auf Genverlust und der Mutation von Genen. In dieser Arbeit wurde die Evolution zweier kryptischer β-Glukosid Loci, die Teil des flexiblen Genpools sind, analysiert. Das bgl-Operon ist in etwa 80% aller E. coli Isolate vorhanden, während der Rest der Isolate stattdessen einen Locus (Z5211-5214) mit Genen unbekannter Funktion trägt. Der bgc Locus ist in etwa 50% aller E. coli Isolate vorhanden. Zur Analyse der Evolution dieser Loci, wurde die Phylogenie einer repräsentativen Kollektion von 175 E. coli Isolaten mittels der Methode des "multilocus sequence typing (MLST)" etabliert. Parallel dazu wurden die bgl und bgc Loci in diesen Stämmen per PCR und Sequenzierung typisiert. Dies zeigte, dass beim bgl / Z Locus vier Gruppen unterschieden werden können, wobei drei davon bgl Varianten sind. Die Korrelation dieser bgl / Z Gruppen mit der Spezies-Phylogenie zeigte eine erstaunliche Deckung: unter den 4 phylogenetischen Gruppen von E. coli, ist bgl in den Gruppen A, B1, and B2 vorhanden, während der Z Locus (fast) ausschließlich in D Stämmen vorkommt. Diese strikte Korrelation belegt, dass die Evolution des bgl / Z Locus an die Evolution der Spezies E. coli gekoppelt sein muss. Weiterhin zeigte diese phylogenetische Analyse, dass die bgl und Z Loci nicht in drei E. coli Isolaten vorhanden sind, die vermutlich Reste einer früheren E.coli Population darstellen. Auch fehlt der bgl / Z locus in der nah verwandten Art Escherichia albertii und in der Gattung Salmonella. Dies deutet auf einen horizontalen Transfer der bgl und Z Loci in Vorläufer der modernen E.coli Population hin. Im Widerspruch dazu zeigte eine BLAST-Suche, dass bgl Homologe in Erwinia, Klebsiella und Photorhabdus sp. vorhanden sind, wobei deren Phylogenie mit der 16S rRNA Phylogenie der Spezies übereinstimmt. Dies ist ein guter Beleg für eine vertikale Vererbung des bgl Locus, wobei bgl vermutlich in einigen enterobakteriellen Linien verloren ging. In den E. coli Isolaten der phylogenetischen Gruppe D, wurde das bgl-Operon vermutlich mit Entstehung dieser Subgruppe durch den Z-Locus ersetzt, möglicherweise durch horizontalen gentransfer. Weiterhin zeigte die Korrelation einer funktionalen Analyse des bgl-Operon mit der E.coli Phylogenie, dass das bgl-Operon in den meisten Stämmen der Gruppen A und B1 intakt aber stillgelegt ist. Interessanterweise, wird das bgl-Operon in ~50% der Stämme der Gruppe B2 schwach exprimiert. Diese Daten kombiniert mit dem Ergebnis eines "nonsynonymous-to-synonymous substitution ratio test" (KA/KS Test) spricht dafür, dass das bgl-Operon einen unbekannten ökoligischen Selektionsvorteil bewirkt. Das zweite stumme β-Glukosid-System, bgc, kommt hauptsächlich in Isolaten der phylogenetischen Gruppen B1 and B2 vor. Es ist in Isolaten der Gruppe D zum Teil vorhanden und nur in einigen A-Isolaten nachweisbar. Dieses Verteilungsmuster des bgc-Locus kann sowohl durch Genaufnahme als auch durch Genverlust erklärt werden. Zusammengefasst zeigt die vorliegende Arbeit, dass die Flexibilität des Genoms zusätzlich zur Aufnahme von Genen auch wesentlich durch Genverlust bestimmt wird, und dass eine sorgfältige Analyse einzelner Loci notwendig ist, um zwischen diesen beiden Mechanismen unterscheiden zu können. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Thirupathy, Sabari Sankar ael11@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-23100
Date:	2008
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Institute for Genetics
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Beta-glucoside systems, evolution, E.coli English
Date of oral exam:	10 February 2008
Referee:	Name Academic Title Schnetz, Karin Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2310