Comenius University in Bratislava Genetic Variability Of
Total Page:16
File Type:pdf, Size:1020Kb
Comenius University in Bratislava Faculty of Natural Sciences Genetic variability of tick-borne pathogens and their interactions Dissertation thesis Bratislava 2017 Mgr. Ivana Baráková Comenius University in Bratislava Faculty of Natural Sciences Department of Molecular Biology Genetic variability of tick-borne pathogens and their interactions Dissertation thesis Study program: Molecular biology Field of study: 1502, 4.2.3. Molecular biology Institute: Institute of Zoology SAS Supervisor: MVDr. Markéta Derdáková, PhD. Training center: Institute of Zoology, Slovak Academy of Sciences, Bratislava, Slovakia Bratislava 2017 Mgr. Ivana Baráková Univerzita Komenského v Bratislave 47783277 Prírodovedecká fakulta ZADANIE ZÁVEREČNEJ PRÁCE Meno a priezvisko študenta: Mgr. Ivana Baráková molekulárna biológia (Jednoodborové štúdium, Študijný program: doktorandské III. st., externá forma) Študijný odbor: molekulárna biológia Typ záverečnej práce: dizertačná Jazyk záverečnej práce: anglický Sekundárny jazyk: slovenský Názov: Genetic variability of tick-borne pathogens and their interactions Genetická variabilita kliešťami prenášaných patogénov a ich interakcie Cieľ: Cieľom projektu je štúdium výskytu, genetickej variability a vzájomných interakcií vynárajúcich sa kliešťami prenášaných bakteriálnych patogénov (Anaplasma, Rickettsia, Babesia a Borrelia) v modelových lokalitách Talianska. Pre štúdium prevalencie patogénov budú použité metódy založené na PCR a RTPCR. Genetická variabilita pozitívnych vzoriek bude sledovaná metódou MLST (Multilocus sequence typing). Pre objasnenie cirkulácie jednotlivých genotypov v prírodných ohniskách bude sledovaná ich prítomnosť v kliešťoch z vegetácie, ale aj v rezervoárových hostiteľoch a kliešťoch cicajúcich na týchto hostiteľoch. Školiteľ: MVDr. Markéta Derdáková, PhD. Katedra: PriF.KMB - Katedra molekulárnej biológie PriF vedúci prof. RNDr. Ján Turňa, CSc. katedry: Dátum zadania: 15.09.2012 Dátum schválenia: 11.04.2012 prof. RNDr. Ján Turňa, CSc. garant študijného programu študent školiteľ 1 Comenius University in Bratislava 47783277 Faculty of Natural Sciences THESIS ASSIGNMENT Name and Surname: Mgr. Ivana Baráková Study programme: Molecular Biology (Single degree study, Ph.D. III. deg., external form) Field of Study: Molecular Biology Type of Thesis: Dissertation thesis Language of Thesis: English Secondary language: Slovak Title: Genetic variability of tick-borne pathogens and their interactions Aim: The aim of the thesis is to study the occurrence, genetic variability and mutual interactions of emerging tick-borne pathogens (Anaplasma, Rickettsia, Babesia and Borrelia) in model sites in Italy. Methods such as PCR and RTPCR will be used for pathogens detection and MLST (Multilocus sequence typing) will be used for genotyping of positive samples. To clarify the circulation of individual genotypes in natural foci, the prevalence of these pathogens will be monitored in ticks from vegetation, ticks detached from hosts and in reservoir hosts. Tutor: MVDr. Markéta Derdáková, PhD. Department: PriF.KMB - Katedra molekulárnej biológie PriF vedúci prof. RNDr. Ján Turňa, CSc. katedry: Assigned: 15.09.2012 Approved: 11.04.2012 prof. RNDr. Ján Turňa, CSc. Guarantor of Study Programme Student Tutor 2 Acknowledgements Firstly I would like to thank both my supervisors, MVDr. Markéta Derdáková PhD and Dr. Annapaola Rizzoli; they are inspiring women in science and in life. I had the opportunity to learn so much from them in the past few years and for that, I’m very grateful. They gave me outstanding support, valuable research guidance and put trust in me, they were the two pillars supporting me through my PhD, that I know I could count on. They both inspired me with their enthusiasm, love, and passion towards the scientific research. MVDr. Markéta Derdáková despite various commitments as a Department leader helped me with opening the black box of Anaplasma phagocytophilum. Dr. Annapaola Rizzoli despite various commitments as the director of Fondazione Edmund Mach always found time for me to help me with the epidemiology of various tick-borne pathogens in Trentino. Finally, I would like to thank the Edmund Mach Foundation and the European Commission for the financial support of my PhD grant funded under EDENext (EU grant FP7-261504) and for partial financing support the Slovak Research and Development Agency (grant number APVV–14–0274) and SAIA, n.o the National Scholarship program of Slovak Republic, for supporting me in my last year of my PhD study. This study needed complex interactions of people with various expertises to get to the presented results; therefore I would like to include all the thanks that are necessary. I would like to thank Dr. Heidi C. Hauffe, the head of our department for always willing to help with anything, personal or work related, to Roberto Rosà, PhD with his help on statistical analysis and modeling, Fausta Rosso for helping with detection of pathogens from questing ticks and detection of A. phagocytophilum in rodent tissue, Dr. Gabriela Margos for helping with the MLST protocols, Giovanna Carpi for guidance on A. phagocytophilum issue and providing us ticks from north part of USA, thanks to Margherita Collini, Valentina Tagliapietra, Daniele Arnoldi, Adam Konečný, Emma Gillingham and everyone helping with the ticks, blood and tissue collection and trapping of vertebrate hosts, ornithologist Dott. Franco Rizzolli for helping with ticks collection from birds, Dr Claudio Ramponi for providing us ticks from patients and veterinarians Dr. Danielli, Dr. Zampiccoli, Dr. Zammplini for providing us the ticks from dogs. Thanks to Associazione Cacciatori del Trentino and its guardians and hunters for the collaboration. Thanks to our technicians Matteo Girardi and Chiara Rossi that were always happy to help when needed. Thanks to Liina Voutilainen and docent Tarja Sironen for 3 providing us ticks from Finland and Lorenza Beati for proving us ticks from South part of USA. Thanks to my PhD colleagues in Slovakia Michal Chvostáč and Tatiana Vacuľová for their collaboration and for sharing our ups and downs during our study. Finally thanks to my family, for their support and encouragement. Thanks to my mama bear for taking care of the administration of my PhD while I was abroad and always having my back and my dad for answering all of my annoying questions and inspiring me from my childhood with his passion towards science. Last but not least, I would like to thank my husband for always encouraging and believing in me in everything I do in life, for his unconditional love and support, for leaving everything behind and moving with me to Italy, without him this would not be possible. 4 Abstrakt Epidemiologicky najvýznamnejším kliešťom v Európe je Ixodes ricinus. Tento druh kliešťa prenáša široké spektrum pôvodcov zoonóz, vrátane kliešťovej encefalitídy, baktérií, Anaplasma phagocytophilum, Rickettsia spp., spirochét z komplexu Borrelia burgdorferi sensu lato a protozoá Babesia spp. Na vypracovanie predbežných odhadov rizík novo vyskytujúcich sa zoonóz vo Valle dei Laghi v Taliansku sme sledovali výskyt patogénov v kliešťoch v juvenilných a adultných štádiách. Najvyššia prevalencia 11.4% bolo detegovaná pre A. phagocytophilum a Rickettsia spp. v kliešťoch odobratých z voľne žijúcich kopytníkov. Pre Babesia spp. a B. burgdorferi s.l. bola najvyššia prevalencia detegovaná u kliešťov odobratých z vtákov, 7.7% a 34.6% respektívne. Ďalšími analýzami sme presne určili genetickú variabilitu detegovaných patogénov. V nami sledovanej lokalite, Valle dei Laghi sme detegovali široké spektrum kliešťami prenášaných patogénov, a to: A. phagocytophilum, R. helvetica, B. afzelii, B. garinii, B. lusitaniae a B. valaisiana ako aj patogény, ktoré neboli predtým v provincii Trentino detegované; R. monacensis, R. raoultii, B. venatorum, B. microti, B. capreoli and B. turdi. V prírodných ohniskách predstavujú voľne žijúce cicavce významný článok v cirkulácii kliešťami prenášaných patogénov. Mnohé z nich sú nielen dôležitými hostiteľmi kliešťov, ale aj rezervoármi samotných patogénnych agens. Na presné určenie rezervoárovej kompetencie hostiteľov by mali byť vykonané xenodiagnostické analýzy, tie však sú ekonomicky a eticky náročné. Vzhľadom na to, prenos niektorých kliešťami prenášaných patogénov nie je doteraz celkom objasnený. Prítomnosť vyššie spomenutých patogénov sme zaznamenali v cicajúcich kliešťoch v larválnom štádiu, aby sme poskytli relevantnú informáciu o potenciálnej kapacite rezervoárových hostiteľov v danej oblasti. Potvrdili sme význam voľne žijúcich kopytníkov ako rezervoárových hostiteľov pre A. phagocytophilum, vtákov ako rezervoárových hostiteľov pre B. garinii, B. valaisiana, B. turdi a B. lusitaniae a hlodavce pre B. afzelii. Na upresnenie významu vnútrodruhovej genetickej variability v ekológii A. phagocytophilum sme vyšetrili kliešte z vegetácie, cicajúce kliešte odobraté z rôznych hostiteľov, ako aj krv a tkanivo z hlodavcov z Talianska, dodatočne sme vyšetrili kliešte z vegetácie ako aj cicajúce kliešte z hlodavcov z USA (severnej a južnej časti) a Fínska. Na základe fylogenetických analýz dvoch genetických markerov sme potvrdili existenciu dvoch enzootických cyklov, genotypov A. phagocytophilum v Európe. Okrem fylogenetickej analýzy A. phagocytophilum sme sa zamerali aj na druhy B. burgdorferi s.l. 5 cirkulujúce v danej oblasti. Jednotlivé genotypy boli identifikované pomocou molekulárnych markerov intergénového medzerníka a štyroch konzervatívnych génov používaných pri MLST analýzach. Pomocou