Estudio de la estructura poblacional de los géneros Escherichia y Shigella

Abstract

Escherichia and Shigella have been deemed as two distinct bacterial genus. However, with the advances in microbiology it has been seen that they are strongly related. A study of the phylogenetic and pangenomic relationships of 14,078 sequences of Escherichia and 1,781 of Shigella has been carried out. Genomic and amino acid sequences from both genus were downloaded of the RefSeq database. Redundant genomic sequences were eliminated and the distance matrix was calculated with MASH. Shigella and Escherichia strains were classified according to the Clermont laboratory algorithm. The corresponding clusters were obtained by genus and by phylogenetic group with UMAP (in R) and with Gephi. Mmseqs2 was used for clustering protein sequences. The pangenome, coregenome and accessory genome were calculated and the corresponding graphs obtained in R. It could be observed very related clusters, suggesting the genomic proximity of both genus. Shigella strains classified as B1 phylogroup (more than 90 % of the total) were located in clusters very close to Escherichia phylogroup B1. The pangenome of both genus together and of each genus separately follows an open distribution. The size of the coregenome decreases as the number of genomes increases. By lowering the threshold to 95% of shared genes, the size of the coregenome remains virtually constant in about 3,000 genes.

Escherichia y Shigella se han diferenciado como dos géneros distintos. Sin embargo, con los avances en microbiología se ha visto que están fuertemente relacionadas. En este trabajo se ha realizado un estudio de las relaciones filogenéticas y pangenómicas de 14.078 secuencias de Escherichia y 1.781 de Shigella. Se utilizaron secuencias genómicas y de aminoácidos de ambos géneros de la base de datos RefSeq. Se eliminaron las secuencias genómicas redundantes y se generó la matriz de distancias con MASH. Las cepas de Shigella y de Escherichia se clasificaron por filogrupos según el algoritmo del laboratorio de Clermont. Se crearon clústeres por género y por grupo filogenético con UMAP (en R) y con el software Gephi. Con Mmseqs2 se buscaron clústeres de las secuencias de aminoácidos. Se realizó el cálculo del pangenoma, coregenoma y genoma accesorio y se obtuvieron las gráficas correspondientes en R. Se observaron agrupaciones en UMAP muy relacionados entre sí, lo que indica la proximidad genómica de ambos géneros. Las cepas de Shigella clasificadas como filogrupo B1 (más del 90 % del total) se sitúan en agrupaciones muy cercanas al filogrupo B1 de Escherichia. El pangenoma de ambos géneros juntos y de cada uno por separado sigue una distribución abierta. El tamaño del coregenoma va disminuyendo según aumenta el número de genomas. Bajando el umbral a 85% o 95% de genes compartidos, el tamaño del coregenoma se mantiene prácticamente constante.

Escherichia i Shigella s'han diferenciat com dos gèneres diferents. No obstant això, amb els avenços en microbiologia s'ha vist que estan fortament relacionades. En aquest treball s'ha realitzat un estudi de les relacions filogenètiques i pangenómicas de 14.078 seqüències d'Escherichia i 1.781 de Shigella. Es van utilitzar seqüències genòmiques i d'aminoàcids de tots dos gèneres de la base de dades RefSeq. Es van eliminar les seqüències genòmiques redundants i es va generar la matriu de distàncies amb MASH. Els ceps de Shigella i d'Escherichia es van classificar per filogrupos segons l'algoritme del laboratori de Clermont. Es van crear clústers per gènere i per grup filogenètic amb UMAP (en R) i amb el programari Gephi. Amb Mmseqs2 es van buscar clústers de les seqüències d'aminoàcids. Es va realitzar el càlcul del pangenoma, coregenoma i genoma accessori i es van obtenir les gràfiques corresponents a R. Es van observar agrupacions en UMAP molt relacionats entre si, el que indica la proximitat genòmica de tots dos gèneres. Els ceps de Shigella classificades com filogrupo B1 (més del 90% del total) se situen en agrupacions molt properes al filogrupo B1 d'Escherichia. El pangenoma de tots dos gèneres junts i de cada un per separat segueix una distribució oberta. La mida del coregenoma va disminuint segons augmenta el nombre de genomes. Baixant el llindar al 85% o 95% de gens compartits, la mida del coregenoma es manté pràcticament constant.