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

1. Mutation + Rekombination 2. Selektion 3. genetische Drift

1. Mutation + Rekombination 2. Selektion 3. genetische Drift

Variabilität einer Gen-Sequenz 60 ST10 GAT ACA AAA GTA GTA CAA GAA CCT AAG ATA TCA AAG AAG TCT AAT AGT AAA GAC TTT TCT ST11 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 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.. ... 120 ST10 TCA TCA CAA GAG TTA TTC GGT TTT GAC GAA GCT ATG CTA ATT ACA GCA AAA GAA GAT GAG ST3 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ST9 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ST8 ... ... ... ... ... ... ... ... ..T ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ST1 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ST12 ... ... ... ... ... ..T ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ST6 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ST16 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ST7 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ST2 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ST14 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ST13 ... ... ... ... ... ..T ... ... ..T ... ..G ... ..G ... ... ... ... ... ... ... 180 ST10 GAA TAC TCT TTT GGT TTA CCG TTA AAA GAA AAA TAT GTT TTT GAT AGT TTT GTT GTT GGA ST8 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ST12 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ST13 ... ... ... ... ..C ... ..A ... ... ... ... ... ... ... ..C ..C ... ..A ... ... 240 ST10 GAT GCT AAC AAA ATT GCT AGA GCA GCA GCT ATG CAG GTA TCG ATA AAT CCA GGT AAA TTA ST12 ... ... ... ... ... ... ... ... ..G ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ST6 ... ... ... ... ... ... ... ... ..G ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ST16 ... ... ... ... ... ... ... ... ..G ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ST7 ... ... ... ... ... ... ... ... ..G ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ST2 ... ... ... ... ... ... ... ... ..G ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ST14 ... ... ... ... ... ... ... ... ..G ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ST13 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..A ... ... ... ... ..T ... ... ..G 300 ST10 CAT AAC CCT TTA TTC ATT TAT GGT GGT AGT GGT TTA GGT AAA ACT CAC TTA ATG CAA GCA ST9 T.. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ST13 ... ... ... ... ... ..C ... ... ... ... ... ... ..A ... ... ... ... ... ... . 360 ST10 ATA GGT AAT CAT GCA AGA GAA GTT AAT CCT AAT GCC AAA ATT ATT TAT ACA AAT TCA GAA ST13 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..T ... ... ..C ... ... ... ... ... 420 ST10 CAA TTT ATT AAA GAT TAT GTA AAT TCT ATT CGT TTA CAA GAT CAA GAT GAG TTT CAA AGA ST13 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... C.. ... ... ... ... ..A ... ... ... 470 ST10 GTT TAT AGA TCT GCG GAT ATA CTT TTG ATT GAT GAT ATT CAA TTT ATT GCT ST11 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ..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 ...

klonale Vermehrung ?

Gene mit Mosaikstruktur

Populationsgenetik von Bakterien die wichtigsten Methoden: Multilocus-Enzym-Elektrophorese (MLEE) 70er bis 90er Jahre Multilocus-Sequenz-Typisierung (MLST) seit 1998 genomweite SNPs seit 2003

spezifische Enzymfärbung Multilocus-Enzym-Elektrophorese (MLEE) Bakterienkultur Enzym-Extraktion Gelelektrophorese spezifische Enzymfärbung

Multilocus-Enzym-Elektrophorese (MLEE) Mannitol 1-Phosphat Dehydrogenase Glucose 6-Phosphat Dehydrogenase Malat Dehydrogenase

ohne Kopplung der Allele MLEE -- Assoziation der Allele Allelprofile Distanzmatrix Allel-Häufigkeiten ohne Kopplung der Allele erwartete Varianz: Vexp beobachtete Varianz: Vobs

(entsteht durch freie Rekombination; z. B. Neisseria gonorrhoeae) MLEE -- Assoziation der Allele Assoziations-Index: IA = Vobs/Vexp -1 Kopplungsgleichgewicht: Vobs = Vexp IA = 0 (entsteht durch freie Rekombination; z. B. Neisseria gonorrhoeae) Kopplungsungleichgewicht: Vobs >> Vexp IA >> 0

Kopplungsungleichgewicht IA >> 0 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 innerhalb klonaler Komplexe gilt näherungsweise: Punktmutation neues Allel mit einem neuen Nucleotid Rekombination neues Allel mit mehreren Unterschieden, kann in verschiedenen STs auftreten Vergleich Founder : SLVs r / m

Neisseria meningitidis 10 Rekombinationsraten in verschiedenen Species r/m Neisseria meningitidis 10 Streptococcus pneumoniae 5 Staphylococcus aureus 0,1 Mycobacterium tuberculosis 0,0

trotz Rekombination können vorübergehend 'Klone' existieren

klonale Komplexe und Virulenz = virulente Klone

Rekombination: Unterschiede zwischen 'höheren' Eukaryonten + Prokaryonten 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 entfernten Verwandten

Nature Genetics Reviews 2: 634 (2001)