[논문 리뷰] Rapid host switching in generalist Campylobacter strains erodes the signal for tracing human infections

Bethany L. Dearlove, Alison J. Cody외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 07.

Salmonella and Campylobacter epidemiology참고 문헌 11인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 인간 소화기질환과 관련된 일반적인 Campylobacter jejuni 및 coli 균주인 클론 복합체 ST-21, ST-45 및 ST-828에서 닭, 소, 돼지 간 빠른 숙주 전환 현상이 발생하여 숙주 연관 유전자 신호가 사라지는 것으로 밝혀졌다. 전장 게놈 시퀀싱 결과, 인간 감염의 89%가 닭에서 기인한 것으로 나타났지만, 숙주 간 높은 전파율로 인해 기원 추적에 어려움이 있으며, 유행병 추적을 위한 게놈 감시의 신뢰성에 도전한다.

ABSTRACT

Campylobacter jejuni and Campylobacter coli are the biggest causes of bacterial gastroenteritis in the developed world, with human infections typically arising from zoonotic transmission associated with infected meat, especially poultry. Because this organism is not thought to survive well outside of the gut, host associated populations are genetically isolated to varying degrees. Therefore the likely origin of most Campylobacter strains can be determined by host-associated variation in the genome. This is instructive for characterizing the source of human infection at the population level. However, some common strains appear to have broad host ranges, hindering source attribution. Whole genome sequencing has the potential to reveal fine-scale genetic structure associated with host specificity within each of these strains. We found that rates of zoonotic transmission among animal host species in ST-21, ST-45 and ST-828 clonal complexes were so high that the signal of host association is all but obliterated. We attributed 89% of clinical cases to a chicken source, 10% to cattle and 1% to pig. Our results reveal that common strains of C. jejuni and C. coli infectious to humans are adapted to a generalist lifestyle, permitting rapid transmission between different hosts. Furthermore, they show that the weak signal of host association within these complexes presents a challenge for pinpointing the source of clinical infections, underlining the view that whole genome sequencing, powerful though it is, cannot substitute for intensive sampling of suspected transmission reservoirs.

연구 동기 및 목표

• 인간 소화기질환과 관련된 일반적인 Campylobacter jejuni 및 coli 균주에서 숙주 전환이 얼마나 광범위하게 발생하는지 조사하기 위해.
• 이러한 균주에서 숙주에 기반한 유전자 서열 특징이 인간 감염 기원 추적에 얼마나 신뢰성 있게 적용될 수 있는지 평가하기 위해.
• 숙주 전환이 빈번할 경우 전장 게놈 시퀀싱이 기원 추적에 미치는 한계를 평가하기 위해.

제안 방법

• 인간 및 다양한 동물 숙주(닭, 소, 돼지)에서 분리한 Campylobacter 균주에 대한 전장 게놈 시퀀싱.
• ST-21, ST-45 및 ST-828 클론 복합체의 계통 발생 분석을 통해 다양한 숙주 간 유전적 유사도 평가.
• 동물 숙주 간 지식 전이율을 추정하기 위한 인구 유전 모델링.
• 각 클론 복합체에서 숙주 연관 유전자 변동성을 비교하여 숙주 신호의 강도 평가.
• 유전적 유사도 및 전파 역학을 기반으로 인간 임상 사례를 동물 숙주로 통계적 기원 할당.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일반적인 Campylobacter 균주가 닭, 소, 돼지 간에 얼마나 광범위하게 숙주를 전환하는가?
• RQ2 빠른 숙주 전환이 임상적 분리주에서 숙주 특이적 유전자 서열 특징의 탐지 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 넓은 숙주 범위를 가진 균주에서 전장 게놈 시퀀싱이 인간 Campylobacter 감염의 기원을 신뢰성 있게 추적할 수 있는가?
• RQ4 높은 숙주 전환율이 존재할 경우, 각 동물 숙주에서 기인한 인간 감염 비율은 어느 정도인가?

주요 결과

• 유전적 유사도 및 전파 패tern을 기반으로, 인간 Campylobacter 감염의 89%는 닭에서 기인한 것으로 추정되었고, 10%는 소에서, 1%는 돼지에서 기인한 것으로 나타났다.
• ST-21, ST-45 및 ST-828 클론 복합체에서 동물 숙주 간 빠른 지식 전이로 인해 숙주 연관 유전자 신호가 거의 사라졌다.
• 일반적인 균주에서 높은 숙주 전환율은 전장 게놈 시퀀싱만으로 숙주 기원 추적의 신뢰성을 떨어뜨린다.
• 자주 발생하는 병원체의 종 간 전이로 인해 단일 숙주 종에서의 유전적 데이터만으로는 감염 기원을 정확히 추적할 수 없다.
• 본 연구는 모든 의심되는 숙주를 광범위하게 샘플링하는 것이 기원 추적 정확도 향상에 필수적임을 입증하였다.