Genomic analysis of Mycobacterium fortuitum by pulsed-field gel electrophoresis

Pulsed-field Gel Electrophoresis를 이용한 Mycobacterium fortuitum의 유전형 분석

Epidemiological studies are important in both the prevention and treatment of mycobacterial infections. This study was initiated to establish the pulsed-field gel electrophoresis (PFGE) method, which are not yet extensively studied. The most apprpriate restriction endonucleases included DraI, AsnI, and XbaI. The optimal PFGE condition was different according to the enzymes used. Two stage PFGE was performed, in case of DraI first stage was performed with 10 seconds of initial pulse and 15 seconds of final pulse, while the second stage was performed with 60 seconds of initial pulse and 70 seconds of final pulse. The electrophoresis time for DraI-PFGE was 14 hours for each stage. Electrophoresis was performed for 22 hours, in case of XbaI, with 3 seconds of initial pulse and 12 seconds of final pulse. Electrophoresis was performed for 22 hours, in case of AsnI, with 5 seconds of initial pulse and 25 seconds of final pulse. In all cases the voltage of the electrophoresis was maintained constantly at 200 voltage. Standard mycobacterial strains, which included Mycobacterium bovis BCG, M. tuberculosis, and M. fortuitum, could not be differentiated by PFGE analysis. PFGE analysis was performed to differentiate 9 clinically isolated M. fortuitum strains using AsnI. All M. fortuitum strains showed different genotypes except 2 strains. Cluster analysis divided M. fortuitum strains into 2 large groups. PFGE analysis was performed to further differentiate M. fortuitum isolates using XbaI. The undifferentiated 2 M. fortuitum strains showed different PFGE patterns with Xba I. Cluster analysis of the XbaI-PFGE patterns showed more complex grouping than AsnI-PFGE patterns, which showed that XbaI-PFGE analysis was better than AsnI-PFGE in M. fortuitum genotyping. The top dissimilarity values of AsnI-PFGE and XbaI-PFGE were 0.74 and 0.75, respectively. This value was higher than that of arbitrarily primed polymerase chain reaction (AP-PCR) analysis and lower than that of restriction fragment length polymorphism (RFLP) analysis. This suggested that PFGE can be used as a supportive or alternative genotyping method to RFLP analysis.

항산균 감염증의 예방 및 치료를 위하여는 역학적인 연구가 중요하다. 본 연구에서는 감염증의 분자역학적 연구를 위한 기법중 아직 항산균을 대상으로 pulsed-field gel electrophoresis (PFGE) 분석법을 확립하고자 하였다. PFGE분석에 적절한 제한효소는 DraI, AsnI 및 XbaI 등이었고 각 제한효소마다 최적의 PFGE조건은 서로 달랐다. DraI의 경우는 두단계로 나누어 전기영동을 시행하였다. 제1단계의 initial pulse는 10초 final pulse는 15초였으며 제2단계는 initial pulse는 60초 final pulse는 70초이었다. 전기영동시간은 각 단계마다 각각 14시간씩이었다. XbaI의 경우는 제2단계 없이 initial pulse가 3초 final pulse가 12초였고 전기영동시간은 22시간이었다. AsnI의 경우는 제2단계 없이 initial pulse가 5초 final pulse가 25초였고 전기영동시간은 22시간이었다. 모든 경우에 있어서 전압은 200V로 하였다. 표준균주로는 M. bovis BCG, M. tuberculosis 및 M. fortuitum등을 사용하였는데 PFGE분석상 동일균종내에서 표준균주들 간의 차이는 발견할 수 없었다. 임상에서 분리된 9주의 M. fortuitum 균주를 대상으로 AsnI 제한효소로 PFGE분석을 시행한 결과 2주만을 제외하고는 서로 간의 유전형 분류가 가능하였다. 균주간의 유전적 거리를 결정하기 위하여 cluster analysis를 시행한 결과 M. fortuitum 균주들은 크게 두 집단으로 나뉘었다. 제한효소 AsnI으로 동일 균종의 분류가 안되는 M. fortuitum 균주들은 XbaI 제한효소을 사용한 PFGE분석으로 유전형의 구분이 가능하였다. Cluster analysis를 시행한 결과 크게 두 집단으로 나뉘었던 M. fortuitum 균주들은 보다 복잡한 집단으로 분류되어 XbaI을 사용한 PFGE분석법이 M. fortuitum 균주분류를 위하여는 보다 적절함을 알 수 있었다. Cluster analysis에서 얻은 최대 % dissimilarity 값은 0.74(AsnI) 및 0.75(XbaI)로서 이 값은 arbitrarily primed polymerase chain reaction(AP-PCR)법보다는 높고 restriction fragment length polymorphism(RFLP) 법보다는 낮아 PFGE법이 RFLP를 보완하거나 대치할 수 있는 세균 유전형 분석법임을 알 수 있었다.