DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pntd.0012540
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41894418
تاريخ النشر: 2026-03-27
المؤلف: Indika Senavirathna وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث ونتائج داء الليبتوسبيروز
نظرة عامة
تبحث الدراسة في الخصائص الجينومية لسبعة عزلات غير نوعية من *Leptospira borgpetersenii* (السلالة ST144) التي تم الحصول عليها من مرضى الليبتوسبيروز في سريلانكا. على عكس السلالات التي تم تحليلها سابقًا، تظهر هذه العزلات تدهورًا جينوميًا أقل، كما يتضح من عدد الجينات الكاذبة المنخفض (N = 141) وعناصر تسلسل الإدخال (IS) (N = 46) مقارنةً بالسلالات الأخرى المنشورة. ومن الجدير بالذكر أن جميع العزلات تشفر أربعة بروتينات VM، بما في ذلك واحد من نظائر *L. interrogans* Copenhageni LIC12339 وثلاثة نظائر من LIC12844، مما يشير إلى سمات مرضية فريدة لهذه السلالة الجديدة.
تشير النتائج إلى أن ST144 هي السلالة السائدة المسؤولة عن العدوى البشرية في المنطقة الجافة من سريلانكا على مدى ثلاث سنوات. تسلط الدراسة الضوء على المناطق الجينومية المحفوظة وإعادة الترتيب، جنبًا إلى جنب مع تكرار جين مشفر لبروتين VM، مما قد يعزز من قدرة البكتيريا على التكيف ويساهم في مرضيتها. تقدم هذه الدراسة رؤى قيمة حول الآليات الجزيئية التي تكمن وراء الليبتوسبيروز وتؤكد على أهمية الدراسات الجينومية في فهم تطور وفتك *L. borgpetersenii*.
مقدمة
الليبتوسبيروز، وهو مرض بكتيري زونوزي مهم ولكنه غير معترف به بشكل كافٍ، يسببه جنس البكتيريا الحلزونية *Leptospira*، يؤثر على حوالي 1 مليون شخص سنويًا، مما يؤدي إلى حوالي 60,000 حالة وفاة و2.9 مليون سنة من الحياة المعدلة حسب الإعاقة (DALYs). من المتوقع أن يرتفع معدل حدوث المرض بسبب التغيرات البيئية والأحداث المناخية المتطرفة. لقد عززت التقدمات الأخيرة في تسلسل الجينوم الكامل (WGS) من فهم آليات العدوى والمرضية لـ *Leptospira*، مما يسهل تطوير أدوات تشخيصية محسنة واستراتيجيات علاجية ولقاحات. تشمل البيانات الجينومية الحالية ما لا يقل عن 966 تسلسلًا لـ *Leptospira*، معظمها من *L. interrogans*، مع استمرار البحث في الكشف عن رؤى حاسمة حول التنوع الجيني والقدرة المرضية لمختلف السلالات.
تركز هذه الدراسة على WGS، وتجميع de novo، والتعليق الوظيفي لسبعة عزلات مرضية من *L. borgpetersenii* تم الحصول عليها من حالات بشرية في سريلانكا. تهدف إلى التحقيق في فرضية تقليل الجينوم وتحليل المحتوى الجينومي لعائلة الجينات PF07598، التي تشفر بروتينات تعدل الفتك والتي قد تكون مرتبطة بمرضية الليبتوسبيروز. تسهم هذه الدراسة في الفهم الأوسع لجينوم *Leptospira* وآثاره على الصحة العامة وإدارة الأمراض.
طرق البحث
في هذا القسم، يصف المؤلفون المنهجيات المستخدمة لتحديد النظائر لبروتين PF07598 (VM) في سلالات مختلفة من *Leptospira borgpetersenii* التي تصيب الحيوانات. ركزت الدراسة على عدة سلالات، بما في ذلك مجموعة السيروجروب Sejroe سلالة Hardjo (HB203، TC112، TC129، TC147، TC273)، مجموعة السيروجروب Ballum سلالة Arborea (LR131)، وسلالة Tarassovi (MN900). استخدمت الطريقة الأولى نموذج ماركوف المخفي (HMM) لعائلة مجال البروتين المحفوظ DUF1561، المستمد من NCBI، لمسح تسلسلات البروتين المعلنة من جينومات هذه السلالات. تم استخدام أداة hmmscan مع معلمات محددة، مما كشف عن ثلاثة بروتينات في أول خمس سلالات وأربعة في LR131، بينما تم تحديد اثنين في MN900.
لضمان تحديد شامل، تم تنفيذ طريقتين إضافيتين لم تعتمد على تعليقات NCBI. تضمنت الطريقة الثانية البحث عن الترجمات من جميع إطارات القراءة المفتوحة (ORFs) التي تزيد عن 50 نقطة أساس عبر ستة إطارات قراءة مقابل HMM DUF1561. استخدمت الطريقة الثالثة tblastn لمقارنة تسلسلات البروتين السريلانكية مع تسلسلات النوكليوتيدات لجينومات السلالات الأخرى، مع اعتبار الضربات التي تحتوي على نقاط أكبر من 50 إيجابية محتملة. أكدت هذه التحليلات وجود ثلاث مناطق VM في جينومات HB203 وTC112 وTC129 وTC147 وTC273، وأربعة في LR131، واثنين في MN900، مما يؤكد وجود النظائر عبر هذه السلالات.
النتائج
تكشف نتائج الدراسة حول سبعة عزلات من *Leptospira borgpetersenii* عن محتوى GC يتراوح بين 39.36% إلى 39.54% وتقدير 3,368 إلى 3,521 منطقة ترميز (CDS) عبر العزلات. ومن الجدير بالذكر أن العزلات FMAS_AP8 وFMAS_AP9 أظهرت أعلى عدد من CDS (3,521)، بينما كانت FMAS_AP4 الأقل (3,368). صنفت التحليلات العزلات إلى مجموعتين جينوميتين بناءً على تسلسلات الترميز الخاصة بها: المجموعة 1 (FMAS_AP2، FMAS_AP3، FMAS_AP4) بلغ متوسطها حوالي 3,370 CDS، بينما المجموعة 2 (FMAS_PN1، FMAS_PN4، FMAS_AP8، FMAS_AP9) بلغ متوسطها حوالي 3,520 CDS، مما يشير إلى زيادة بنسبة 4.5%. كما حددت الدراسة 37 جين tRNA في جميع العزلات باستثناء FMAS_AP4، التي كانت تحتوي على 36.
كشفت تحليل خادم RAST عن 226 نظامًا فرعيًا عبر السلالات، حيث كانت FMAS_AP2 تحتوي على أعلى عدد من الأنظمة الفرعية المتوقعة (170) وFMAS_AP4 الأقل (168). حدد تحليل عوامل الفتك 16 عاملًا مشتركًا بين جميع العزلات، بما في ذلك Loa22 وLigB وLigC وLipL32، بينما تم الكشف عن خمسة عناصر رئيسية من تسلسل الإدخال (IS) عبر العزلات. كما سلطت الدراسة الضوء على وجود أربعة بروتينات معدلة للفتك (VM) في العزلات السريلانكية، والتي تمت مقارنتها مع النظائر في سلالات أخرى، مما كشف عن اختلافات في عدد بروتينات VM عبر سلالات *Leptospira* المختلفة. بشكل عام، تؤكد النتائج على التنوع الجينومي وعوامل الفتك المحتملة الموجودة في هذه العزلات من *L. borgpetersenii*.
المناقشة
في هذه الدراسة، كشفت التحليلات الجينومية الكاملة لسبعة عزلات جديدة من *Leptospira borgpetersenii* من مرضى الحمى في سريلانكا عن عدة نتائج مهمة. أولاً، وُجد أن العزلات متطابقة جينوميًا، مما يشير إلى أصل كلوني. ومن الجدير بالذكر أن درجة تقليل الجينوم في هذه العزلات كانت أقل بكثير مما تم الإبلاغ عنه سابقًا للسلالات المرجعية، مما يشير إلى احتمال وجود تباين في الضغوط التطورية التي تواجهها السلالات التي تصيب البشر مقارنة بتلك التي تأتي من مضيفي الحيوانات. حدد التحليل نوع تسلسل سائد (ST144) بين العزلات، مع أدلة تشير إلى أن الماشية السريلانكية قد تكون خزانًا للعدوى البشرية. علاوة على ذلك، لوحظ تكرار فريد ثلاثي لجين بروتين معدّل للفتك (VM)، مما يتناقض مع النسخ الأقل الموجودة في سلالات أخرى، مما قد يعزز من مرضية هذه العزلات.
كما سلطت الدراسة الضوء على وجود أنظمة CRISPR-Cas وعدد منخفض نسبيًا من عناصر تسلسل الإدخال (IS) والجينات الكاذبة في العزلات المأخوذة من البشر، مما يشير إلى تدهور جينومي أقل مقارنة بالسلالات المأخوذة من الحيوانات. قد يعكس هذا اختلافات في ديناميات الانتقال، حيث من المحتمل أن تكون العدوى البشرية أكثر تأثرًا بالبيئة. تؤكد النتائج على الحاجة إلى مزيد من البحث لاستكشاف الآثار الوظيفية لهذه الميزات الجينومية، خاصة فيما يتعلق ببروتينات VM ودورها المحتمل في الفتك وشدة المرض. بشكل عام، تسهم هذه الأعمال في فهم وبائيات *L. borgpetersenii* في سريلانكا وتؤكد على أهمية الدراسات الجينومية في توجيه استراتيجيات إدارة الليبتوسبيروز.
DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pntd.0012540
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41894418
Publication Date: 2026-03-27
Author(s): Indika Senavirathna et al.
Primary Topic: Leptospirosis research and findings
Overview
The research investigates the genomic characteristics of seven non-typeable isolates of *Leptospira borgpetersenii* (strain ST144) obtained from human leptospirosis patients in Sri Lanka. Unlike previously analyzed strains, these isolates exhibit less genomic decay, evidenced by a reduced number of pseudogenes (N = 141) and insertion sequence (IS) elements (N = 46) compared to other published strains. Notably, all isolates encode four VM proteins, including one ortholog of *L. interrogans* Copenhageni LIC12339 and three orthologs of LIC12844, suggesting unique pathogenic traits for this novel serovar.
The findings indicate that ST144 is the predominant strain responsible for human infections in the dry zone of Sri Lanka over a three-year period. The study highlights conserved genomic regions and rearrangements, alongside the duplication of a VM protein-encoding gene, which may enhance the bacterium’s adaptability and contribute to its pathogenicity. This research provides valuable insights into the molecular mechanisms underlying leptospirosis and underscores the importance of genomic studies in understanding the evolution and virulence of *L. borgpetersenii*.
Introduction
Leptospirosis, a significant yet underrecognized bacterial zoonosis caused by the spirochete genus Leptospira, affects approximately 1 million individuals annually, resulting in around 60,000 deaths and 2.9 million Disability Adjusted Life Years (DALYs). The disease’s incidence is projected to rise due to environmental changes and extreme climate events. Recent advancements in whole genome sequencing (WGS) have enhanced the understanding of Leptospira’s infection mechanisms and pathogenesis, facilitating the development of improved diagnostic tools, therapeutic strategies, and vaccines. Current genomic data includes at least 966 Leptospira sequences, predominantly from *L. interrogans*, with ongoing research revealing critical insights into the genetic diversity and pathogenic potential of various strains.
This study focuses on the WGS, de novo assembly, and functional annotation of seven pathogenic *L. borgpetersenii* isolates obtained from human cases in Sri Lanka. It aims to investigate the genome reduction hypothesis and analyze the genomic content of the PF07598 gene family, which encodes virulence-modifying proteins potentially implicated in leptospirosis pathogenesis. This research contributes to the broader understanding of Leptospira genomics and its implications for public health and disease management.
Methods
In this section, the authors describe the methodologies employed to identify homologs of the PF07598 (VM) protein in various animal-infecting strains of *Leptospira borgpetersenii*. The study focused on several strains, including serogroup Sejroe serovar Hardjo (HB203, TC112, TC129, TC147, TC273), serogroup Ballum serovar Arborea (LR131), and serovar Tarassovi (MN900). The first approach utilized a Hidden Markov Model (HMM) for the Conserved Protein Domain Family DUF1561, sourced from NCBI, to scan annotated protein sequences from the genomes of these strains. The hmmscan tool was employed with specific parameters, revealing three proteins in the first five strains and four in LR131, while two were identified in MN900.
To ensure comprehensive identification, two additional methods were implemented that did not rely on NCBI annotations. The second method involved searching translations from all open reading frames (ORFs) over 50 bp across six reading frames against the DUF1561 HMM. The third method utilized tblastn to compare the Sri Lanka protein sequences against the nucleotide sequences of the other strains’ genomes, considering hits with a bitscore greater than 50 as putative positives. This analysis corroborated the presence of three VM regions in the HB203, TC112, TC129, TC147, and TC273 genomes, four in LR131, and two in MN900, thereby confirming the presence of homologs across these strains.
Results
The results of the study on seven isolates of *Leptospira borgpetersenii* reveal a GC content ranging from 39.36% to 39.54% and an estimated 3,368 to 3,521 coding regions (CDS) across the isolates. Notably, isolates FMAS_AP8 and FMAS_AP9 exhibited the highest number of CDS (3,521), while FMAS_AP4 had the lowest (3,368). The analysis categorized the isolates into two genomic groups based on their coding sequences: Group 1 (FMAS_AP2, FMAS_AP3, FMAS_AP4) averaged approximately 3,370 CDS, while Group 2 (FMAS_PN1, FMAS_PN4, FMAS_AP8, FMAS_AP9) averaged around 3,520 CDS, indicating a 4.5% increase. The study also identified 37 tRNA genes in all isolates except FMAS_AP4, which had 36.
RAST server analysis revealed 226 subsystems across the strains, with FMAS_AP2 having the highest number of predicted subsystems (170) and FMAS_AP4 the lowest (168). Virulence factor analysis identified 16 factors common to all isolates, including Loa22, LigB, LigC, and LipL32, while five main insertion sequence (IS) elements were detected across the isolates. The study also highlighted the presence of four virulence-modifying (VM) proteins in the Sri Lankan isolates, which were compared to homologs in other strains, revealing variations in the number of VM proteins across different *Leptospira* strains. Overall, the findings underscore the genomic diversity and potential virulence factors present in these *L. borgpetersenii* isolates.
Discussion
In this study, the whole-genome analysis of seven new isolates of *Leptospira borgpetersenii* from febrile patients in Sri Lanka revealed several significant findings. Firstly, the isolates were found to be genomically identical, suggesting a clonal origin. Notably, the degree of genome reduction in these isolates was substantially less than previously reported for reference strains, indicating a potential divergence in evolutionary pressures faced by human-infecting strains compared to those from animal hosts. The analysis identified a predominant sequence type (ST144) among the isolates, with evidence suggesting that Sri Lankan bovines may serve as a reservoir for human infections. Furthermore, a unique three-fold duplication of a virulence-modifying (VM) protein gene was observed, contrasting with the fewer copies found in other strains, which may enhance the pathogenicity of these isolates.
The study also highlighted the presence of CRISPR-Cas systems and a relatively low number of insertion sequence (IS) elements and pseudogenes in the human-derived isolates, suggesting less genomic decay compared to animal-derived strains. This may reflect differences in transmission dynamics, with human infections likely being more environmentally mediated. The findings underscore the need for further research to explore the functional implications of these genomic features, particularly regarding the VM proteins and their potential role in virulence and disease severity. Overall, this work contributes to the understanding of *L. borgpetersenii* epidemiology in Sri Lanka and emphasizes the importance of genomic studies in informing leptospirosis management strategies.