Hva kan vi bruke WGS til?

Transkript

1 Hva kan vi bruke WGS til? (innen klinisk bakteriologi / forskning) Ola Brynildsrud Bioinformatiker/forsker Folkehelseinstituttet En forelesning på Bioingeniørdagen, 11. april 2018 «In five years time, ECDC should have contributed to establish standards and manage systems enabling the EU wide use of WGS as the method of choice for typing microbial pathogens, replacing other methods. This will improve the accuracy and effectiveness of disease surveillance, outbreak investigation and evaluation of prevention policies by enhanced assessment of disease and drug resistance transmission dynamics» Marc Struelens, Chief microbiologist, ECDC

2 WGS evolusjon First generation Second generation Third generation FORTID NÅTID FREMTID/NÅTID Sanger sekvensering Gel Dideoxy nukleotider for kjedeterminering Separerer fragmenter etter størrelse Les sekvens nukleotide for nukleotide Kan lese opptil 1000 nt PRO: Nøyaktig Etablert CON: Dyrt (per base) Ineffektivt 2

3 «Next generation» Roche 454 Illumina GA ABI SOLiD 2004: Produserer massive datamengder Billig (igjen, per base) Tidsbruk: Timer > Dager Korte reads 454: Illumina: SOLiD: Faktisk sekvens R R R R R R R #1 #2 #3 Contigs 3

4 Kellogg (2015) «Third generation» Long read sequencing Seemann (2015) 4

5 Lab basert typing/us vs WGS VNTR / 16s rrna MLST / MLVA / PFGE WGS (Nesten) hele genomet SNP/cgMLST basert typing Resistens / virulensgener Fordeler WGS Effektivitet Arbeidsmengde Kostnader Parallelliseringskapasitet Oppløsning Oppløsning på data er langt høyere enn tradisjonelle labmetoder Fleksibilitet Resultater er brukbare for eventuelle senere undersøkelser 5

6 Utfordringer WGS Repeterte sekvenser / lav kompleksitets DNA Ingen kompabilitet med VNTR/MLVA Støy (sekvenseringsfeil) Få standardiserte protokoller Analyse Kommunikasjon av resultater Bioinformatikk Typisk workflow Sekvenseringsordre (DNA isolering) Sekvensering Rutine analyser (ID, simpel typing (MLST++), In silico resistensberegning Måneder??? Et par dager Ikke standard analyser Preparering av WGS bibliotek 6

7 Kan WGS erstatte tradisjonelle labmetoder? WGS Identifisering Typing Resistens Virulens? Trad. labmetoder Identifisering Typing Resistens Virulens Species identifisering 7

8 Typing / epidemiologi Sequencing whole bacterial genomes with single nucleotide resolution demonstrates that PFGE is prone to false positive and false negative results and suggests the need for a new gold standard approach for molecular epidemiological strain typing. Salipante et al., 2015 Oppløsning typingsmetoder MLST WGS ST 1 ST 2 Tre ST 1 ST 2 8

9 Epidemiologi Detaljert rekonstruksjon av epidemiologi Brynildsrud et al (2018) 9

10 Hovedproblem: Kommunikasjon av resultater? Tradisjonelle typingsmetoder gir lett tydbart resultat E.g. MLST: ST 11 Hvordan kommunisere typingsresultat på titusenvis av forskjellige markører? Gjøre rådata tilgjengelig? Reduksjon til minimum diskriminerende data? Postkode aktig tilnærming for å beskrive typingsresultat?

11 AMR Kan få ut hver enkelt mutasjon med WGS Sensitivitet: 99.1% Spesifisitet: 99.6% Visstnok Iqbal et al, 2017 AMR prediksjon svakheter Får ikke ut MIC verdier Kunnskapshull om hva som forårsaker resistens Avhengig av godt kurerte mutasjonsdatabaser Genomisk ustabilitet (mobile elementer mistet under passasje) Uklart hva som skjer ved blandingsinfeksjoner (e.g. heteroresistens) Kan være gen som ikke uttrykkes i organismen Degenererte TSS, delesjoner, inaktiverte fager osv. 11

12 Virulensfaktorer En del virulensfaktorer trivielt å identifisere fra WGS data F. eks. Shigatoksiner hos E. coli Resultat er svært avhengig av kunnskap om bakterie TB Virulens bestemt av lineage S. aureus Mange virulensfaktorer kjent Chlamydia For lite kunnskap til å bestemme virulens fra WGS Kan WGS erstatte tradisjonelle labmetoder? WGS Identifisering Typing Resistens Virulens? Trad. labmetoder Identifisering Typing Resistens Virulens 12

13 WGS i forskning Nye bruksområder Genome wide association studies Susceptible Resistant 13

14 Nye bruksområder Metagenomikk 14

15 Brynildsrud et al. (unpublished) Brynildsrud et al. (unpublished) 15

16 Takk for oppmerksomheten! 16