Contribution of genomics and transcriptomics to the understanding of the biological role of DNases in Streptococcus agalactiae

Abstract

Streptococcus agalactiae is the leading cause of neonatal pneumonia, sepsis, and meningitis. Strains III/ST17 emerged as a hypervirulent clone mostly associated with meningitis during late-onset disease. Production of extracellular DNases and biofilm formation have been proposed to explain the leading role of this clone in neonatal meningitis. The aim of this thesis was to shed some light on the genetic background of DNase production in S. agalactiae strains isolated in humans presenting diverse cell tropism (invasive vs carriage). Genomic approaches were used to decipher the molecular basis of the differential production of DNases, through the analysis of the “core-genome” and the “pan-genome” of ST17 and ST19 strains. All ST17 strains, except one, displayed DNase activity which was observed in only one ST19 strain. ST17 DNase(-) revealed an exclusive amino acid change in NucA, a TnGBS2.3 homolog and an intact phage without homology in S. agalactiae. ST19 DNase(+) revealed an exclusive amino acid change alteration in nuclease GBS0609. A transcriptomic approach allowed the analysis of the level of expression, by functional category, of genes of S. agalactiae reference strain NEM316 at the exponential growth phase; exposure to human DNA did not affect the transcriptome. The optimal conditions for S. agalactiae biofilm assembly were determined for ST17 and ST19 strains, contributing to the standardization of experimental procedures, thus allowing the comparison of results between different laboratories. In addition, the enzymatic digestion of mature biofilms for the three strongest biofilm producers, evidenced that proteins were the predominant component of the extracellular polymeric matrix. Overall, the findings presented in this Ph.D. thesis may contribute for the knowledge on the production of extracellular DNases, and provide new insights into biofilm formation, genomics and transcriptomics for ST17 and ST19 S. agalactiae lineages.

Streptococcus agalactiae é a principal causa de pneumonia neonatal, sépsis e meningite. O clone hipervirulento III/ST17, tem sido associado à meningite neonatal de início tardio, tendo a atividade de DNases extracelulares e a formação de biofilmes sido apontados como fatores de virulência nessas estirpes. O objetivo da presente dissertação de doutoramento foi contribuir para a descodificação da base genómica de produção de DNases em estirpes de S. agalactiae, isoladas em humanos, com diferentes tropismos celulares (invasivo vs colonização). A produção diferencial de DNases de um conjunto de estirpes pertencentes às linhagens ST17 e ST19 foi investigada através da análise do “core-genome” e do “pan-genome”. As estirpes ST17, exceto uma, apresentaram atividade nucleásica contrariamente às estirpes ST19, em que apenas uma revelou um fenótipo DNase(+). A estirpe ST17 DNase(-) exibiu uma alteração aminoacídica exclusiva na proteína NucA e a presença de um homólogo do tranposão TnGBS2.3, para além de um fago intacto sem homologia em S. agalactiae. A estirpe ST19 DNase(+) revelou um aminoácido alterado na nuclease GBS0609. A análise transcriptómica permitiu avaliar os níveis de expressão génica, por categoria funcional, da estirpe de referência S. agalactiae NEM316, durante a fase exponencial de crescimento; a exposição ao DNA humano não induziu alterações no transcriptoma. Foram determinadas as condições ótimas para a formação de biofilmes em estirpes de S. agalactiae de ST17 e ST19, contribuindo para a padronização dos procedimentos experimentais do estudo de produção de biofilmes nesta espécie bacteriana. A digestão enzimática de biofilmes maduros, para as três estirpes mais produtoras de biofilmes, evidenciou que o componente predominante da matriz extracelular são as proteínas. Globalmente, a presente dissertação de doutoramento contribui para o conhecimento sobre a produção das DNases extracelulares e a capacidade de formação de biofilmes das linhagens ST17 e ST19 de S. agalactiae, providenciando novos dados genómicos e transcriptómicos.