Omics analysis of chaetothyrialian black yeasts focusing on virulence and bioremediation genes

Abstract

Resumo: As primeiras aparições do termo "levedura negra" ocorreram entre as décadas de 1890 e 1920, usado provisoriamente para descrever fungos polimórficos que não formam esporos ou possuem poder fermentativo, mas foram incluídos entre os fungos secretores de pigmento que ocorrem no leite, ar, sangue de insetos. De 1895 ate fevereiro de 2020, envolvendo 92 países, 2.065 instituições e 9.622 autores, a revisão bibliométrica (Capitulo 1) revela que a partir da década de 1970 as publicações aumentaram exponencialmente. Os conceitos agrupados demonstram uma alta relação com o aprimoramento das técnicas moleculares e ciências ômicas por meio da bioinformática. As leveduras negras são definidas como fungos melanizados, encontrados em diferentes nichos e habitats, com ecologia variada e muitas vezes encontradas em ambientes altamente tóxicos e assim, um grupo representativo pertence a ordem Chaetothyriales. Esta ordem e muito diversa, incluindo muitos agentes oportunistas de doenças em humanos e vertebrados de sangue frio. Por outro lado, algumas espécies tem sido descritas com capacidade de degradar compostos aromáticos e xenobióticos voláteis em aplicações de biorremediação como Cladophialophora exuberans (Capitulo 2). No total, fornecemos 12 sequenciamentos de genomas e montagens de dois gêneros bem conhecidos, Cladophialophora (1), Exophiala (11). A comparação dos dados do genoma foi realizada entre E. dermatitidis e E. spinifera, produtoras de capsulas, revelando que existiam perfis de virulência nessas duas leveduras negras, incluindo genes que estão possivelmente ligados a invasão cerebral, compartilhados com a espécie neurotrópica Rhinocladiella mackenziei. A ausência de perfis associados a virulência apoia a hipótese de que as leveduras negras são oportunistas, e não patógenos primários (Capitulo 3). Também foram avaliados os fatores de virulência, aptidão e as principais diferenças genéticas e de expressão genica na arvore de Exophiala spp. por meio da tecnologia de RNAseq. Um total de 48 genes únicos diferencialmente expressos foram e exclusivamente encontrados para a linhagem clinica, incluindo genes de vários genes processos metabólicos e regulação transcricional, e os genes regulados positivamente estão principalmente envolvidos no transporte transmembrana, processos biossintéticos e metabólico (Capitulo 4). Este estudo forneceu novos insights a respeito da virulência intrínseca das espécies dentro da ordem Chaetothyriales e indicando variabilidade intraespecífica e genes chave associados as interações patógeno hospedeiro. A identificação dos mecanismos de patogenicidade e das estratégias adaptativas aos tecidos de hospedeiros especialmente em imunocompetentes, podem auxiliar na elucidação do potencial destes agentes para as aplicações em processos de biorremediação.

Abstract: The first appearances of the term "black yeast" occurred in the between the 1890s and 1920s used provisionally to describe polymorphous fungi which do not form spores and do not possess fermentative power but have been included among the pigment-secreting fungi occurring in milk, air, the blood of insects. Until February of 2020, involving 92 countries, 2065 institutions and 9622 authors. The bibliometric review (Chapter 1) reveals that after 1970s publications increased exponentially. The clustered concepts demonstrate a high relationship with the improvement of molecular techniques and omics sciences through bioinformatics. Nowadays, the black yeasts are defined as melanized fungi, found in different habitats and having different ecologies, often in polluted environments and a representative group belongs to the Chaetothyriales order. This order is much diverse, including many opportunistic agents of diseases in humans and cold-blooded vertebrates. On the other hand, some species has been described with capability to degrate aromatic compounds and xenobiotic volatiles in bioremediation applications as Cladophialophora exuberans (Chapter 2). In total, it was provided 12 genomes sequencing and assemblies of some well-known genera as following Cladophialophora (1) and Exophiala (11). Comparison of genome data were performed between the capsule-producing E. dermatitidis and E. spinifera revealing that virulence profiles existed in these two black yeasts, including genes that are possibly linked with brain invasion, shared with the neurotropic species Rhinocladiella mackenziei. The absence of consistent virulence-associated profiles supports the hypothesis that black yeasts are opportunists rather than primary pathogens (Chapter 3). It was also evaluated the virulence factors, fitness, and the major genetic and gene expression differences along the tree Exophiala spp. through of RNAseq technology. There were 48 unique genes differentially expressed exclusively to the clinical strain, including genes from various metabolic processes and transcriptional regulation, and the up-regulated genes are mainly involved in transmembrane transport, biosynthetic and metabolic processes (Chapter 4). This study provided new insights into the intrinsic virulence of species within the Chaetothyriales order indicating intraspecific variability and key genes associated with interactions between host and pathogen. The identification of pathogenic mechanisms and adaptive strategies to host tissues, especially in immunocompetent ones, can help in elucidating the potential of these agents and so, discriminate strains for bioremediation applications.