Zoonotik Hastalıkların Tanı Aracı Olarak Metagenomik

Metagenomik, farklı mikrobiyal topluluklardan genom dizileri elde etmek için bir alternatiftir. Bu yaklaşım, teşhis önerileri ile kullanılmıştır. Metagenomik temelli yaklaşımlar, biyo çeşitliliği çok çeşitli farklı çevresel nişlerde değerlendirme, analiz etme ve kullanma çabalarında geçtiğimiz birkaç on yılda geliştirilmiştir. Metagenomik yaklaşımlar, teşhis önerileri ile bile klinik çalışmalarda önem kazanmıştır. Geleneksel teşhis, mikroorganizmaların izolasyonu ve aksenik kültürlerin elde edilmesi yoluyla bağımsız kolonilerde ilgilenilen patojen türlerini, suşları ve serotipleri tanımlar. Bu nedenle, patojen mikropların kültürden bağımsız yöntemlerle tanısal araştırması, laboratuar koşullarında yetiştirilemeyen mikrobiyomları ve viromları incelemek için metagenomiklerin kullanılmasıyla paha biçilmez hale gelmiştir.
Metagenomikte yapısal ve fonksiyonel metagenomikler olmak üzere iki ana alan vardır. Bunlardan ilki, hayvanlarda ve insanlarda mikrobiyomları ve viromları analiz etmek, tanımlamak ilgilidir. Yapısal metagenomik, dokuları veya organizmaları kolonize eden başlıca cinsleri ve türleri tanımlayan mikrobiyal popülasyonların ve toplulukların kompozisyonunu inceler. Ayrıca mikroorganizmaların ekolojik nişleri hakkında ilgili bilgiler sağlar. Bununla birlikte patojenler, konakçılar ve doğal mikrobiyomlar veya viromlar arasında kurulan ilişkiler hakkında hipotezler sunar. Öte yandan, bazı proteinler belirli dokularda belirli koşullarda tespit edilebileceğinden, fonksiyonel metagenomik teşhis alanında çekici olmaktadır. Yapısal metagenomik yaklaşım bilgisine en iyi katkı, gerçekten yeni türleri ve cinsleri tanımlamak olmuştur. Bunlardan bazılarının yakın akrabaları yoktur ve hatta derin dallara sahip soylar oluştururlar.
Yüksek kaliteli DNA’nın ekstraksiyonu, metagenomik analizdeki ilk kritik adımdır. İnsanlardan veya hayvan örneklerinden mikrobiyomlar ve viromlar incelendiğinde sıklıkla büyük miktarda insan veya hayvan DNA’sı izole edilir. Bu yaklaşım başlangıçta çevresel örneklerde bulunan mikrobiyal genomları analiz etmek için geliştirilmiştir. Ancak son on yılda uygulaması yeni hayvan ve insan patojenlerini tanımlamak için genişletilmiştir. Ayrıca, metagenomikler, farklı doku ve organizmalardan mikrobiyomları ve viromları karakterize etmek için kullanılmıştır. Klinik mikrobiyolojiyle ilgili olup halk sağlığı üzerinde büyük bir etkiye sahiptir. Diğer küresel çalışmalar, diğerleri arasında metatranscriptomikler, metaproteomikler ve lipidomikler gibi hayvan patojenlerini incelemek için de önemlidir. Yüksek verimli sıralama teknolojileri, genler, transkriptler ve proteinler dâhil olmak üzere devasa bir dizi veritabanı elde edilmesine izin verir. Ayrıca patojenler ve konakçılar arasındaki ilişkiyi anlamak için metabolik ağlar kurulmasına izin vermektedir.
Mikroorganizmalar, hayvanlar ve insanlar da dâhil olmak üzere çok çeşitli konakçılarda kolonileşirler. Çok özel ekolojik nişlere sahiptirler, hatta dokuları ve bütün organizmaları kolonize ve hasta ederler. Prokaryotik organizmalar en yüksek metabolik çeşitliliği gösterir ve hayvan patojenleri olarak kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Virüsler doğada en çok bulunanlardır ve önemli zoonotik ajanlar olarak kabul edilirler. Metagenomik ve yüksek verimli sıralama teknolojileri, hayvanlarda zoonotik hastalıklar ve mikrobiyota ile ilgili çalışmaların artmasına izin vermektedir. Bu teknolojiler, milyonlarca kısa dizi okuma (yaklaşık 150 pb) üretir ve klonlama prosedürleri gerekmediğinden analizi kolaylaştırır. Metagenomik, farklı hayvanlardan alınan dokulardaki ve örneklerdeki bakteri, virüs, mantar türlerinin çeşitliliğini ve dinamiğini tanımlamak için güçlü ve kullanışlı bir araçtır. Viral genomların bulgularına ek olarak metagenomikler, köpek ağız boşluğu sağlıklı köpekler ve çeşitli organizmaların gastrointestinal yolu gibi farklı örneklerde mikrobiyomların karakterizasyonuna katkıda bulunmuştur. Bu çalışmalar, zoonotik potansiyele sahip taksonomik birimler bulmuştur. Öte yandan, önceki çalışmalar farklı organizmalardaki mikrobiyomlar arasında yakın bir filogenetik ilişki ortaya koymuştur.
Ortaya çıkan bulaşıcı viral hastalıklar, insan ve hayvan sağlığı için bir tehdit olmaya devam etmektedir. Bu enfeksiyonlardaki artış, salgınlara ve pandemilere neden olan insan faaliyetleri ve iklim değişiklikleriyle ilişkili görünmektedir. Bu salgınlarla ilgili bazı virüsler, influenza A virüsleri, ebola, orta doğu solunum sendromu (MERS) koronavirüsü ve schmallenberg virüsü olarak bunyaviridae ailesine ait yeni virüslerdir. Ebola virüsünün, meyve yarasası (Pteripodidae) tarafından zoonotik bulaşma yoluyla insan popülasyonuna sokulması mümkündür. Schmallenberg virüsünün Avrupa Birliği’ndeki geviş getiren hayvanlarda salgınlara neden olduğu bilinmektedir. Virüs, Orta Doğu’dan Kore Cumhuriyeti’ne yayılmıştır ve Temmuz 2015’te 186 doğrulanmış insan vakasına ve 36 ölüme neden olmuştur. Ayrıca, zoonotik virüsler, bakteriler ve parazitler, gıda olarak kullanılan çiftlik hayvanı üretim zincirinden veya vahşi hayvanlardan insanlara bulaşabilir. Bu durum insanlar için ciddi bir enfeksiyon riskini temsil etmektedir. Enfeksiyon bulaşması ve popülasyondaki çoğalması, vahşi yaşamdaki etken maddeler harekete geçirildiğinde ve sığır gibi yeni konakçılara verildiğinde meydana gelebilir. Ve bu da insanlara patojen geçişini artıran salgınlara neden olur.

Bakteriyel Metagenomikler

Bakteriler, sıklıkla zoonoza neden olan önemli bir mikrobiyal gruptur. Çoğu bakteri, geniş bir hayvan grubunu etkileyen gastrointestinal hastalıklarda rol oynayan zoonotik ajanlardır. Mikropların konakçı bağırsağı ve özel yem tarafından seçilme sürecinin bir kanıtı olarak hayvanların gastrointestinal sistemi içinde önemli bir mikrobiyom bulunur. Geleneksel kültürle gastrointestinal sistem mikrobiyomu hakkında tam bilgi sahibi olmak mümkün değildir. Ancak metagenomikler gastrointestinal sistem mikroorganizmalarını ve potansiyellerini yansıtan büyük miktarda biyolojik veriyi destekler. Örneğin, Campylobacter jejuni, yaklaşık 3 haftalıkken tavukların çekasını hastalığa neden olmadan kolonileştirir ve bu, tavuk yaşamı boyunca mevcut kalır. Hem serbest patojen hem de C. jejuni ile enfekte olmuş bireyler kullanılarak tavuk çekal mikrobiyomunun metagenomik analizi yapılmıştır. Bu analizde aktinobakteri, bacteroides, chlorobi, deferribacteres, firmikcutes, fusobakteri, proteobakteri ve verrucomicrobia’nın geniş bir dağılımını ortaya çıkarmışlardır.
Metagenomik, sınırlı sayıda memeli türünden elde edilen örneklerden mikrobiyomların tanımlanmasına izin vermiştir. Yabani ve evcil hayvanlardan mikrobiyom çalışması, insana bulaşabilen ve çeşitli hastalıklara neden olabilen yerleşik ve patojen mikroorganizmalar hakkında önemli bilgiler getirir. Örneğin, yarasalarla ilişkili mikrobiyotayı incelemeye yönelik bir ilgi artmaktadır. Çünkü yarasalar önemli bir rezervuar ve zoonotik patojenlerin vektörüdür. Yarasalar, memelilerin ikinci çeşitlilik türü olan dünyada yaygın olarak dağılmıştır. Diğer ekosistemlerin yanı sıra ormanlarda, bahçelerde, meyve bahçelerinde ve tarım alanlarında yaşarlar. Bu nedenle, zoonotik kontrol olarak yarasadaki mikrobiyomu, özellikle patojenik bakteri ve virüsleri bilmek çok önemlidir.
Çok az çalışma salmonella spp ve clostridium spp yarasa örneklerinden izole edilmiştir. Metagenomikler, kültür temelli yöntemler çok sınırlı olduğu için yarasalarda yaşayan patojenik mikrobiyotayı kapsamlı bir şekilde tanımlamak için yeni olanaklar getirmektedir. Hatta ve ekibi, 16S rRNA’nın V3-V4 bölgesinin yüksek verimli dizilişini kullanarak yarasalarda rektal mikrobiyotayı incelemişlerdir. Ve bu incelemede 103 tür bakteri varlığını bulmuşlardır. Kampilobakter, bitlerden alınan rektal örneklerde C. jejuni ve C. coli olarak tanımlanan yaygın bir cins olarak tespit edilmiştir. C. jejuni, insanlarda ishalli hastalıklar için ciddi bir ajan olarak tanımlanır ve yarasalar bu tür için önemli bir rezervuardır. Bu çalışma, baskın filumun firmicutes olduğunu ve yazarların 66 aile belirlediğini ortaya koymuşlardır. Clostridiaceae, campylobacteraceae ve enterobacteriaceae baskındır. Ayrıca çoğunlukta clostridium ve kampilobakter olmak üzere 103 cins sınıflandırılmış. Diğer çalışmalar leuconostoc, betaproteobacteria ve enterobacter’e dominant cins olarak tanımlanmıştır. Bruselloz, insanlarda yaygın olarak bulunan ve dünya çapında yılda 500.000 insan enfeksiyonuna neden olan diğer bir zoonozdur.
Brucella melitensis, enfekte süt, et veya hayvan teması tüketimi yoluyla insanları etkiler ve retiküloendotelyal dokuya veya osteoartiküler etkilere yol açar. Shotgun metagenomiği, tarihsel insan materyalinde brusellozu tespit etmek için yararlı bir seçenektir. B. melitensis genomları ile ilgili 10.000 sekans elde edilmiş ve ortaçağ brucellasının yaklaşık 0,7 kat kaplamasını sağlamıştır. Diziler, antik DNA’daki hasarın bir işareti olan bol miktarda CT ve GA baz dönüşümleri göstermiştir. Filogenetik bir analiz, B. melitensis Geridu-1’in dört B. melitensis suşu ile yakından bağlantılı olduğuna dair kanıtlar sağlamaktadır. Delesyonlar ve ekleme dizilerinin yerleri gibi ek testler, Geridu-1 suşunun B. melitensis içinde atanmasını doğrulamaktadır.
Köpeklerde ve kedilerde ağız florasını tanımlamak için birçok çalışma yapılmıştır. Çünkü bu hayvanlar çok sık olarak evcil hayvan olarak bulunur. Mikroorganizmalar, özellikle ağız boşluğundaki bakteriler önemli fizyolojik roller oynarlar. Fırsatçı patojenlere karşı koruma sağlarlar ve konakçı bağışıklık sistemi için önemli bir engeldir. Ancak ağız florası diğerlerinin yanı sıra diş çürüğü, periodontitis ve sistemik enfeksiyonlara da neden olabilir. Oh ve ekibi, köpeklerin en yaygın evcil hayvanlar olduğunu göz önünde bulundurarak, köpek ağız mikrobiyomunun bileşimini tanımlayan bir çalışma yayınlamışlardır. Köpeğin mikrobiyom insan patojen bakterisinde bulunmuş ve aynı zamanda, sahipleriyle ilişkilerinin büyük ölçüde belirsiz olduğu sonucuna varmışlardır. Bu çalışmada, köpeklerden ve sahiplerinden alınan 10 örnekte 246 operasyonel taksonomik ünite tespit edilmiştir. Burada firmicutes, proteobakteri, bakcteroidetes, fusobakteri ve actinobakcteri insan ağız boşluğunda baskın filumlardır. Öte yandan, örneklenen köpeklerin oral örneklerinde proteobakteria, actinobakteria, bacteroidetes, firmicutes ve fusobakteria baskındır.
Zoonotik bakterilerin oral-oral transferinin dinamiğini açıklığa kavuşturmak ve anlamak için ilgili çalışmalar geliştirilmiştir. Oh ve ekibi, köpeklerin ve sahiplerinin oral mikrobiyomlarının farklı olduğu sonucuna varmışlardır. Sözlü aktarımla ilgili olarak yazarlar, köpeklerden insana Neisseria shayeganii, porphyromonas cani gingivalis, tannerella forsythia ve streptococcus minör mümkün olabildiği sonucuna varmışlardır. Bu nedenle, köpek ağız mikrobiyomu zoonotik olabilir ve köpeklerden insana ağızdan ağza geçiş, ağız hastalıklarının olası bir nedenidir ve halk sağlığı için bir risktir. Periodontal hastalıkların köpeklerde yüksek bir prevalansı vardır. Ayrıca Pasteurella multocida ve tannerella forsythia’nın hayvandan insana bulaşabileceği gösterilmiştir.

Kaynakça:
gcgh.grandchallenges.org/grant/metagenomics-and-etiology-zoonotic-disease-deciphering-bat-human-viral-transmission
europepmc.org/article/pmc/pmc7102772

Yazar: Özlem Güvenç Ağaoğlu