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http://hdl.handle.net/11422/28084
| Type: | Tese |
| Title: | Heterogeneidade de sistemas CRISPR em Enterococcus faecalis: perspectivas sobre a dinâmica eco-evolutiva e epidemiológica de um microrganismo generalista em ambientes hospitalares e não-hospitalares |
| Author(s)/Inventor(s): | Leite, Vitor Luis Macena |
| Advisor: | Teixeira, Lúcia Martins |
| Co-advisor: | Faria, Adriana Rocha |
| Abstract: | Enterococcus faecalis é um dos principais agentes etiológicos de infecções relacionadas à assistência à saúde, frequentemente exibindo resistência a múltiplos antimicrobianos. Sua ampla distribuição em ambientes e hospedeiros, aliada à elevada plasticidade genômica, facilita a disseminação de genes de resistência e virulência, contribuindo para a crise global da resistência antimicrobiana. Nesse cenário, os sistemas CRISPR-Cas endógenos emergem como elementos-chave, ao modular a aquisição horizontal de determinantes adaptativos. Este estudo investiga a heterogeneidade de CRISPR-Cas em E. faecalis, com o objetivo de identificar padrões genômicos subjacentes à adaptação a diferentes nichos e à emergência de linhagens clinicamente relevantes. Para atingir esses objetivos, combinamos abordagens de biologia molecular — incluindo PCR convencional e WGS — com análises computacionais de genômica comparativa e filogenia. Nossa investigação abrange 146 isolados de uma coleção local (provenientes de pacientes hospitalizados, águas costeiras e aves selvagens) e genomas obtidos do GenBank, totalizando uma diversidade de 226 sequence-types (STs). Os resultados demonstraram que a ausência de CRISPR-Cas predomina em isolados clínicos, enquanto sua presença é significativamente maior em isolados de origem não-hospitalar (p < 0,0001). Observou-se também que os isolados clínicos apresentam maior abundância de genes de resistência e virulência (p = 6,32e-10). Por exemplo, os genes aac(6')-Iaph(2")-Ia, vanA e cylA foram mais frequentes na ausência do sistema, enquanto ant(6')-Ia, ermA, tetM e esp correlacionaram-se com sua presença. A análise filogenética permitiu distinguir dois clados principais: um clado composto por STs predominantemente hospitalares (ex.: ST6, 103, 525, 769, 778), caracterizado pela ausência de CRISPR-Cas e alta frequência de cepas resistentes à vancomicina; e outro clado mais diverso, com distribuição heterogênea de CRISPR-Cas, que abrange linhagens ubíquas, como o ST21, e evidencia casos singulares, como o ST116, onde o gene vanA coexiste com o sistema CRISPR3. No ST116, verificamos alterações de aminoácidos nos domínios endonuclease da proteína Cas9, além do conteúdo diferencial do arranjo CRISPR3 entre seus representantes, nos quais a ausência de espaçadores específicos esteve associada à presença de elementos genéticos móveis (EGMs), como o Tn1546. Uma análise dos representantes do ST21 revelou que a variação intra-ST de CRISPR1, associada a um hotspot de recombinação que abrange a ilha de patogenicidade da espécie, impulsiona um processo de diferenciação ecológica, resultando em diferenças na composição do pangenoma entre subclados. Sugerimos que as alterações estruturais nessa região derivam da interação complexa entre EGMs e o hospedeiro, mediada por mecanismos de defesa e anti-defesa. Por fim, observamos um grupo incomum de isolados de E. faecalis desprovidos de CRISPR2, formando um clado distinto que atende aos critérios genômicos para ser classificado como uma nova subespécie. Nossos achados indicam que a heterogeneidade dos sistemas CRISPR em E. faecalis permite discriminar linhagens em diferentes estágios de diferenciação, indistinguíveis por métodos convencionais. A partir da ecologia reversa, discutimos como pressões seletivas podem moldar o genoma da espécie de maneira específica a cada contexto genético, preservando sua diversidade e versatilidade ecológica. Esses insights ressaltam a necessidade de vigilância contínua da dinâmica eco-evolutiva de E. faecalis, fornecendo subsídios teóricos e práticos para estratégias de controle da resistência antimicrobiana. |
| Abstract: | Enterococcus faecalis is one of the main etiological agents of healthcare-associated infections, frequently exhibiting resistance to multiple antimicrobials. Its widespread distribution across diverse environments and hosts — coupled with high genomic plasticity — facilitates the dissemination of resistance and virulence genes, thereby contributing to the global crisis of antimicrobial resistance. In this context, endogenous CRISPR-Cas systems emerge as key elements by modulating the horizontal acquisition of adaptive determinants. This study investigates the heterogeneity of CRISPR-Cas systems in E. faecalis with the aim of identifying genomic patterns underlying adaptation to distinct niches and the emergence of clinically relevant lineages. To achieve these objectives, we combined molecular biology techniques —including conventional PCR and whole-genome sequencing — with computational analyses in comparative genomics and phylogenetics. Our investigation comprised 146 isolates from a local collection (obtained from hospitalized patients, coastal waters, and wild birds) along with genomes retrieved from GenBank, representing a total diversity of 226 sequence types (STs). Our results demonstrated that the absence of CRISPR-Cas systems predominates in clinical isolates, whereas their presence is significantly higher among non-hospital-derived isolates (p < 0.0001). Clinical isolates also exhibited a greater abundance of resistance and virulence genes (p = 6.32e-10). For example, genes such as aac(6')-Iaph(2")-Ia, vanA, and cylA were more frequent in isolates lacking the system, while ant(6')-Ia, ermA, tetM, and esp were associated with its presence. Phylogenetic analysis revealed two major clades: one comprising predominantly hospital-associated STs (e.g., ST6, 103, 525, 769, 778), characterized by the absence of CRISPR-Cas systems and a high frequency of vancomycin-resistant strains; and a more diverse clade with heterogeneous CRISPR-Cas distribution, which includes ubiquitous lineages such as ST21 and highlights singular cases like ST116, where the vanA gene coexists with the CRISPR3 system. In ST116, we observed amino acid substitutions in the endonuclease domains of Cas9, alongside differential CRISPR3 array content among isolates; notably, the absence of specific spacers was associated with the presence of mobile genetic elements (MGEs), such as Tn1546. Analysis of ST21 representatives further revealed that intra-ST variation in CRISPR1 — linked to a recombination hotspot spanning the species’ pathogenicity island — drives ecological differentiation, resulting in pangenome composition differences among subclades. Our findings suggest that structural alterations in this region arise from the complex interplay between MGEs and the host, mediated by defense and counter-defense mechanisms. Finally, we identified an unusual group of E. faecalis isolates lacking CRISPR2, which form a distinct clade meeting the genomic criteria for classification as a novel subspecies. Overall, our results indicate that CRISPR-Cas heterogeneity in E. faecalis enables the discrimination of lineages at various stages of differentiation, which are indistinguishable by conventional methods. Through a reverse ecology approach, we discuss how selective pressures shape the species’ genome in a context-specific manner, preserving its diversity and ecological versatility. These insights underscore the need for continuous monitoring of the eco-evolutionary dynamics of E. faecalis by supporting both theoretical understanding and practical strategies for controlling antimicrobial resistance. |
| Keywords: | Resistência microbiana a medicamentos Sistemas CRISPR-Cas Drug resistance CRISPR-Cas systems Enterococcus faecalis |
| Subject CNPq: | CNPQ::CIENCIAS BIOLOGICAS::MICROBIOLOGIA |
| Program: | Programa de Pós-Graduação em Ciências (Microbiologia) |
| Production unit: | Instituto de Microbiologia Paulo de Goés |
| Publisher: | Universidade Federal do Rio de Janeiro |
| Issue Date: | 12-Jun-2025 |
| Publisher country: | Brasil |
| Language: | por |
| Right access: | Acesso Aberto |
| Citation: | Leite, V. L. M. (2025). Heterogeneidade de sistemas CRISPR em Enterococcus faecalis: perspectivas sobre a dinâmica eco-evolutiva e epidemiológica de um microrganismo generalista em ambientes hospitalares e não-hospitalares [Tese de Doutorado, Universidade Federal do Rio de Janeiro]. Repositório Institucional Pantheon. |
| Appears in Collections: | Microbiologia |
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