Comparative genomic analysis of enterotoxigenic Escherichia coli strains isolated from diarrheal patients in Korea

Abstract

장독소형대장균 (Enterotoxigenic Escherichia coli, ETEC)은 주요 설사 및 식중독을 유발하는 박테리아 감염균으로 오염된 음식과 물을 통해 감염을 시킨다. ETEC은 장관독소 (Enterotoxin)인 열에 민감한 독소 (LT) 혹은 열에 안정한 독소 (ST)를 생산하여 인간을 포함하는 포유류에 복통을 수반한 장염을 일으킨다. ETEC는 숙주의 장 표면의 상피 세포에 정착하기 위해 하나 혹은 그 이상의 식민 인자 (colonization factor, CF)로 불리는 세포 부착 인자를 보유하고있다.

이전 연구에서 국내 설사 환자 258 명을 대상으로 CF에 대한 분석을 실시하고 MLST (multilocus sequence typing)를 시행했다. ST171 (24 %)은 한국에서 가장 널리 사용되는 ETEC 유형으로 확인되었으며, ST955, ST964, ST656등이 주요한 MLST유형으로 밝혀졌다. 그러나 한국의 주요 MLST 유형들의 ETEC의 지놈 특성은 아직 조사되지 않았다.

본 연구에서는 2003년에서 2001년까지 한국에서 가장 많이 발견된 5 가지 MLST 유형의 ETEC 분리 균의 지놈 및 독성인자의 특성을 밝히기 위해 전체 지놈 서열 분석을 수행했다. 본 논문은 ETEC O159 NCCP15731과 NCCP15733 (1 장), ETEC O6 NCCP15732 (2 장), ETEC O169 NCCP15735 (3 장) 및 ETEC O25 NCCP15741 (4 장)로 구성되어 있다. 또한 비슷한 기간 동안 세계적으로 보고 된 ETEC 와 비교 유전체 분석을 수행했다.

요약하자면 본 연구에서 한국의 ETEC 에 대하여 몇가지 새로운 지식이 발견되었다. 국내 ETEC는 다른 나라에서의 ETEC와 비교한 결과, 특이적 유전자를 가지고 있으며, 이들의 장내 독소 (enterotoxin) 유형에 의한 식민지 인자의 조합은 세계적으로 분포하는 ETEC의 독소조합들과 일치한다. 이 논문은 ETEC의 병원성과 한국의 특정 병원체의 생물학적 기능을 이해하기위한 기초 연구로 활용될 것으로 사료된다.

주요어 : 병원균, 전체 지놈 서열 분석, 비교 지놈 분석, 대장균, 장독소형대장균, 독성 인자

학번 : 2016 - 22634

Enterotoxigenic Escherichia coli (ETEC) is a common cause of bacterial infection leading to diarrhea. ETEC is defined by the ability to produce enterotoxin, a heat-labile toxin (LT) and/or heat-stable toxin (ST). ETEC harbors one or more cell adhesion factors called colonization factors(CFs) to colonize on epithelial cells of intestinal surfaces of hosts. In a previous study, 258 ETEC isolates from patients with diarrhea in Korea were analyzed about CFs and multi-locus sequence typing (MLST). ST171 (24%) was identified as the most prevalent ETEC type in Korea, followed by ST955, ST964 and ST656. However, genomic and pathogenic characteristics of major MLST type of ETEC in Korea had not yet been investigated.

In this study, whole-genome sequencing was performed to reveal the genomic characteristics of five predominant MLST types of ETEC isolates in Korea during 2003-2011: E. coli O159 NCCP15731 and NCCP15733 (Chapter 1), E. coli O6 NCCP15732 (chapter 2), E. coli O169 NCCP15735 (chapter 3) and E. coli O25 NCCP15741 (chapter 4). Moreover, to identify their pathogenic characteristics, comparative genomic analysis was performed among same serotypes including reference ETEC strains reported over a similar time period.

In summary, new knowledges of ETEC strains in Korea were found. Domestic ETEC had unique genes and their combinations of colonization factors with enterotoxin type were consistent with that of globally distributes ETEC isolates. This thesis presents a basic study to understand the biological functions of ETEC pathogenicity and Korean specific pathogens.

Key words: pathogen, Whole-genome sequencing, comparative genomic analysis, Escherichia coli, ETEC, virulence factor, MLST

Student number: 2016-22634