Análisis de los genes que codifican RNAs de transferencia (tDNAs) como sitios de integración de islas genómicas en Klebsiella pneumoniae

Abstract

En las últimas dos décadas, la especie bacteriana Klebsiella pneumoniae se ha convertido en uno de los principales focos de atención de las autoridades mundiales de salud, debido principalmente a la rápida aparición de cepas hipervirulentas y multiresistentes. La aparición de estas cepas estaría relacionada con el gran dinamismo del genoma de K. pneumoniae, promovido por una alta frecuencia de adquisición y pérdida de elementos genéticos móviles, entre los cuales las Islas Genómicas (GIs) jugarían un rol fundamental. Las GIs son segmentos de DNA que presentan un contenido GC distinto al del resto del cromosoma, y que pueden escindirse o integrarse en distintas posiciones de éste, normalmente en genes que codifican RNAs de transferencia (tDNAs). No obstante la importancia propuesta de las GIs en la evolución de K. pneumoniae, hasta ahora el número de GIs conocidas en esta especie es bajo, y poco se conoce respecto al uso de los tDNAs como sitios de integración de estos elementos en ésta y otras especies bacterianas. En este trabajo se caracterizó el set completo de tDNAs presentes en el cromosoma de 50 cepas de K. pneumoniae, identificando las GIs insertadas en dichos loci. Así, se identificaron y anotaron 97 clases de GIs, las que codifican sobre un 50% de proteínas con función desconocida. Además, se observó que solo un grupo reducido de tDNAs son ocupados como sitios de integración de GIs en esta especie, proponiendo y sometiendo a prueba posibles mecanismos o patrones que podrían explicar en parte este sesgo. Los resultados muestran que la dinámica de integración de GIs en K. pneumoniae es un área de investigación poco explorada, y que la evaluación del rol de las GIs en la hipervirulencia y resistencia a antibióticos de K. pneumoniae requerirá caracterizar una gran cantidad de proteínas codificadas en las mismas, cuya función se desconoce.

In the last two decades, the bacterial species Klebsiella pneumoniae has attracted the attention of global health authorities, mainly due to the dissemination of hypervirulent and multi-resistant strains, which are responsible for more severe infections and are more difficult to treat with the available antibiotics. The rapid development of these strains would be explained by the high dynamism of the K. pneumoniae genome, promoted by a high frequency of gain and loss of mobile genetic elements. Among them, genomic islands (GIs) were proposed to play a major role. GIs are DNA segments harboring a GC content that differs from the average for the host chromosome, and that can excise from and integrate into different locations, mainly into genes encoding transfer RNAs (tDNAs). In spite of the proposed role of GIs in K. pneumoniae evolution, a small number of these elements have been described in this species. Moreover, little is known regarding the usage of tDNAs as integration sites for these elements in bacteria. In this work we characterized the whole set of tDNAs typically present in the K. pneumoniae chromosome, searching for GIs integrated at each of them among 50 K. pneumoniae strains. This way, we identified a total of 97 classes of GIs, where more than 50% of the encoded genes have no predicted function. Additionally, we observed that only a small subset of tDNAs are used as integration sites for GIs in this species, and tested possible hypotheses explaining, at least partially, this bias in the selection of the integration site. Our results indicate that the dynamics of GIs integration in bacteria is an underexplored field, and that evaluating the impact of GIs over K. pneumoniae virulence and drug resistance will require efforts directed to address the functions of a high number of proteins encoded in their GIs.