Desarrollo de herramientas bioinformáticas para la priorización de blancos moleculares y análisis genómico de resistencia a antibióticos en Mycobacterium tuberculosis

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La tuberculosis (TB) es una enfermedad crónica causada por la bacteria intracelular facultativa Mycobacterium tuberculosis (Mtb), un patógeno altamente exitoso. A pesar de contar con más de 100 años de investigación, la TB actualmente es la enfermedad infecciosa más mortífera por detrás del COVID-19...

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Detalles Bibliográficos
Autor principal:	Sosa, Ezequiel Jorge
Otros Autores:	Fernández Do Porto, Darío Augusto
Formato:	Tesis doctoral publishedVersion
Lenguaje:	Español
Publicado:	Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales 2022
Materias:	MULTIRRESISTENCIA GENOMICA TUBERCULOSIS DROGAS BLANCOS MULTIRESISTANCE GENOMICS DRUGS TARGETS
Acceso en línea:	https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7207_Sosa http://repositoriouba.sisbi.uba.ar/gsdl/cgi-bin/library.cgi?a=d&c=aextesis&d=tesis_n7207_Sosa_oai
Aporte de:	Repositorio Digital de la Universidad de Buenos Aires (UBA) de Universidad de Buenos Aires

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description	La tuberculosis (TB) es una enfermedad crónica causada por la bacteria intracelular facultativa Mycobacterium tuberculosis (Mtb), un patógeno altamente exitoso. A pesar de contar con más de 100 años de investigación, la TB actualmente es la enfermedad infecciosa más mortífera por detrás del COVID-19. Se calcula que un cuarto de la población mundial se encuentra infectada latentemente con este patógeno. Los últimos reportes de la organización Mundial de la Salud (OMS) estimaron que alrededor 1.6 millones de personas murieron durante 2021 a causa de esta enfermedad. En particular, las cepas multirresistentes (MDR, resistentes a isoniacida y rifampicina) y extremadamente resistentes (Mtb XDR, resistente a isoniacida, rifampicina, una fluoroquinolona y un aminoglucósido inyectable de segunda línea), representan un problema serio para los sistemas de salud. Argentina, en relación a otros países, tiene una carga media de esta enfermedad. Alrededor de 10500 nuevos casos de TB son notificados anualmente, con cerca de 1000 decesos anuales. Aunque las mismas suelen tratarse y resolverse con una terapia estándar con al menos 3 antibióticos diferentes durante 6-9 meses, no es el caso con las infecciones con Mtb XDR, que requiere un tratamiento más costoso y extendido en el tiempo y muchas veces es de pronóstico reservado. En este trabajo se desarrolló un flujo de trabajo bioinformático (pipeline) con el objetivo de analizar las bases moleculares de resistencia a antibióticos de M. tuberculosis y se aplicó al estudio de los aislamientos XDR circulantes en Argentina entre los años 2008-2016, cuyos genomas fueron obtenidos por técnicas de secuenciación masiva. Las variantes genotípicas obtenidas para cada aislamiento fueron contrastadas contra bases de datos de variantes asociadas a resistencia y se realizó una análisis filogenético sobre las mismas. Con los datos procesados, no se observaron orígenes comunes para las mutaciones de resistencia más frecuentes, pero sí dentro de determinados grupos monofiléticos para algunas drogas. Dentro de las variantes màs frecuentes para las drogas de primera línea se pueden mencionar katG Ser315Thr y fabG1 C-15T para INH, rpoB Ser450Trp y Asp435Val para RIF, embB Gly406Asp y Met306Ile para EMB y variantes en el gen de pncA para PZA. En el marco de la emergencia provocada por las cepas resistentes, multirresistentes y extremadamente resistentes, se requiere con urgencia el desarrollo de nuevos antimicrobianos. A pesar de esta situación crítica, el diseño y la producción de nuevas drogas ha resultado ineficaz por diferentes razones que incluyen el elevado costo asociado al desarrollo de las mismas y una tasa de éxito relativamente baja. El desarrollo de drogas es un proceso complejo que requiere entre 10 y 20 años para atravesar las distintas etapas de investigación y una inversión aproximada de 1500 millones de dólares. En esta situación resulta esencial la adecuada selección inicial del blanco molecular a ser inhibido por el antibiótico en desarrollo. En este sentido, los métodos de secuenciación masiva han sido una enorme fuente de datos, creando nuevas oportunidades para el diseño y desarrollo de drogas para combatir a los agentes infecciosos, incluyendo a los resistentes y multirresistentes. En la presente tesis se ha desarrollado Target-Pathogen, una aplicación web diseñada y desarrollada específicamente como un recurso online que permite la integración y valoración de diferentes características de todas las proteínas de un genoma (función, rol metabólico, homología con proteínas humanas, drogabilidad estructural, esencialidad, expresión) para facilitar la identificación y priorización de proteínas como blancos adecuados. En la base de datos se incluyen los genomas de 25 de los microorganismos más relevantes para la salud humana en continua expansión y actualización. Utilizando Target-Pathogen se seleccionaron y priorizaron una serie de blancos moleculares prometedores para el desarrollo de drogas para Mycobacterium tuberculosis en la fase latente, entre los que se destaca ino1, una proteìna que participa de vìa de la síntesis de micotiol.
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Argentina, en relación a otros países, tiene una carga media de esta enfermedad. Alrededor de 10500 nuevos casos de TB son notificados anualmente, con cerca de 1000 decesos anuales. Aunque las mismas suelen tratarse y resolverse con una terapia estándar con al menos 3 antibióticos diferentes durante 6-9 meses, no es el caso con las infecciones con Mtb XDR, que requiere un tratamiento más costoso y extendido en el tiempo y muchas veces es de pronóstico reservado. En este trabajo se desarrolló un flujo de trabajo bioinformático (pipeline) con el objetivo de analizar las bases moleculares de resistencia a antibióticos de M. tuberculosis y se aplicó al estudio de los aislamientos XDR circulantes en Argentina entre los años 2008-2016, cuyos genomas fueron obtenidos por técnicas de secuenciación masiva. Las variantes genotípicas obtenidas para cada aislamiento fueron contrastadas contra bases de datos de variantes asociadas a resistencia y se realizó una análisis filogenético sobre las mismas. Con los datos procesados, no se observaron orígenes comunes para las mutaciones de resistencia más frecuentes, pero sí dentro de determinados grupos monofiléticos para algunas drogas. Dentro de las variantes màs frecuentes para las drogas de primera línea se pueden mencionar katG Ser315Thr y fabG1 C-15T para INH, rpoB Ser450Trp y Asp435Val para RIF, embB Gly406Asp y Met306Ile para EMB y variantes en el gen de pncA para PZA. En el marco de la emergencia provocada por las cepas resistentes, multirresistentes y extremadamente resistentes, se requiere con urgencia el desarrollo de nuevos antimicrobianos. A pesar de esta situación crítica, el diseño y la producción de nuevas drogas ha resultado ineficaz por diferentes razones que incluyen el elevado costo asociado al desarrollo de las mismas y una tasa de éxito relativamente baja. El desarrollo de drogas es un proceso complejo que requiere entre 10 y 20 años para atravesar las distintas etapas de investigación y una inversión aproximada de 1500 millones de dólares. En esta situación resulta esencial la adecuada selección inicial del blanco molecular a ser inhibido por el antibiótico en desarrollo. En este sentido, los métodos de secuenciación masiva han sido una enorme fuente de datos, creando nuevas oportunidades para el diseño y desarrollo de drogas para combatir a los agentes infecciosos, incluyendo a los resistentes y multirresistentes. En la presente tesis se ha desarrollado Target-Pathogen, una aplicación web diseñada y desarrollada específicamente como un recurso online que permite la integración y valoración de diferentes características de todas las proteínas de un genoma (función, rol metabólico, homología con proteínas humanas, drogabilidad estructural, esencialidad, expresión) para facilitar la identificación y priorización de proteínas como blancos adecuados. En la base de datos se incluyen los genomas de 25 de los microorganismos más relevantes para la salud humana en continua expansión y actualización. Utilizando Target-Pathogen se seleccionaron y priorizaron una serie de blancos moleculares prometedores para el desarrollo de drogas para Mycobacterium tuberculosis en la fase latente, entre los que se destaca ino1, una proteìna que participa de vìa de la síntesis de micotiol. Tuberculosis (TB) is a chronic disease caused by the intracellular bacterium Mycobacterium tuberculosis (Mtb), a highly successful pathogen. Despite having more than 100 years of research, Mtb is the second leading infectious killer after COVID-19. It is estimated that a quarter of the world population is latently infected with this pathogen. The latest reports from the World Health Organization (WHO) estimated that around 1.6 million people died during 2021 from this disease. In particular, multiresistant strains (MDR, resistant to isoniazid and rifampin) and extremely resistant (Mtb XDR, resistant to isoniazid, rifampin, a fluoroquinolone, and a second-line injectable aminoglycoside), represent a serious problem for health systems. Argentina, in relation to other countries, has a medium burden of this disease. About 10,500 new TB cases are reported annually, with about 1,000 deaths annually. Although they are usually treated and resolved with standard therapy with at least 3 different antibiotics for 6-9 months, this is not the case with Mtb XDR infections, which require more expensive and extended treatment over time and is often guarded prognosis. In this work, a bioinformatic pipeline was developed with the aim of analyzing the molecular bases of resistance to antibiotics in M. tuberculosis and it was applied to the study of XDR strains circulating in Argentina between the years 2008-2016, whose genomes were obtained by techniques of massive sequencing. The genotypic variants obtained for each isolate were compared against databases of variants associated with resistance and on phylogenetic analyses, both locally and globally. With the processed data, no common origins were observed for the most frequent resistance mutations. Among the most frequent variants for first-line drugs, we can mention KatG Ser315Thr and fabG1 C-15T for INH, rpoB Ser450Trp and Asp435Val for RIF, embB Gly406Asp and Met306Ile for EMB, and variants in the pncA gene for PZA. In the context of the emergency caused by resistant, multiresistant and extremely resistant strains, the development of new antimicrobials is urgently required. Despite this critical situation, the design and production of new drugs has been ineffective for different reasons, including the high cost associated with their development and a relatively low success rate. Drug development is a complex process that requires between 10 and 20 years to go through the different stages of research and an investment of approximately 1.5 billion dollars. In this workflow, the adequate initial selection of the molecular target to be inhibited by the antibiotic in development is essential. In this sense, massive sequencing methods have been an enormous source of data, creating new opportunities for the design and development of drugs to combat infectious agents, including resistant and multi-resistant ones. In this thesis we have developed Target-Pathogen, a web platform specifically designed and developed as an online resource that allows the integration and evaluation of different characteristics of all the proteins of a genome (function, metabolic role, homology with human proteins, structural druggability, essentiality, expression) to facilitate the identification and prioritization of proteins as suitable targets. The database includes the genomes of 23 of the most relevant microorganisms for human health in continuous expansion and updating. Using Target-Pathogen, promising molecular targets for the development of drugs for Mycobacterium tuberculosis in the latent phase were selected and prioritized, among which ino1 stands out, a protein that participates in the synthesis of mycothiol. Fil: Sosa, Ezequiel Jorge. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina. application/pdf https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7207_Sosa spa Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales info:eu-repo/semantics/openAccess https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.5/ar MULTIRRESISTENCIA GENOMICA TUBERCULOSIS DROGAS BLANCOS MULTIRESISTANCE GENOMICS TUBERCULOSIS DRUGS TARGETS Desarrollo de herramientas bioinformáticas para la priorización de blancos moleculares y análisis genómico de resistencia a antibióticos en Mycobacterium tuberculosis Resistance diagnostic and drug development methods from Mycobacterium tuberculosis genomics data info:eu-repo/semantics/doctoralThesis info:ar-repo/semantics/tesis doctoral info:eu-repo/semantics/publishedVersion http://repositoriouba.sisbi.uba.ar/gsdl/cgi-bin/library.cgi?a=d&c=aextesis&d=tesis_n7207_Sosa_oai

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