Search

São Paulo state has been the epicenter of the Coronavirus Disease 2019 (COVID-19) in Brazil, ranking first by state with over six million reported cases. In February 2021, the P.4 lineage was reported in 21 cities across the state by public health authorities due to the L452R mutation. Here, by analyzing 17,304 genome sequences of SARS-CoV-2 sampled between February and August of 2021 in 476 distinct cities in São Paulo, we assess the transmission dynamics of the P.4 lineage and other SARS-CoV-2 variants that were, at the time of the study, co-circulating in the state. Additionally, clinical parameters from the city of Araras, São Paulo (N = 251) were considered to estimate the potential risk and mortality rate associated with the P.4 lineage since its higher prevalence was observed in that city. Our data suggest a low frequency (0.55%) of the P.4 lineage across the state, with the gamma variant being the dominant form in all regions (90%) at that time. Furthermore, no evidence of increased transmissibility and disease severity related to the P.4 lineage was observed. The displacement through the time of different lineages in São Paulo highlights how challenging genomic surveillance appears to track the emergence of new SARS-CoV-2 lineages, which could better guide the implementation of control measures.

The high numbers of COVID-19 cases and deaths in Brazil have made Latin America an epicentre of the pandemic. SARS-CoV-2 established sustained transmission in Brazil early in the pandemic, but important gaps remain in our understanding of virus transmission dynamics at a national scale. We use 17,135 near-complete genomes sampled from 27 Brazilian states and bordering country Paraguay. From March to November 2020, we detected co-circulation of multiple viral lineages that were linked to multiple importations (predominantly from Europe). After November 2020, we detected large, local transmission clusters within the country. In the absence of effective restriction measures, the epidemic progressed, and in January 2021 there was emergence and onward spread, both within and abroad, of variants of concern and variants under monitoring, including Gamma (P.1) and Zeta (P.2). We also characterized a genomic overview of the epidemic in Paraguay and detected evidence of importation of SARS-CoV-2 ancestor lineages and variants of concern from Brazil. Our findings show that genomic surveillance in Brazil enabled assessment of the real-time spread of emerging SARS-CoV-2 variants.

Esta tese de doutorado versa sobre relações filogenéticas, evolução e biogeografia das espécies do gênero Ramphastos, representado pelos tucanos. This PhD thesis is about phylogenetics, evolution and biogeography of the species of the genus Ramphastos (toucans).

O conhecimento dos tripanossomatídeos vem principalmente dos heteroxenos que foram muito mais estudados por terem impactos negativos na sociedade, deixando o maior grupo de tripanossomatídeos (monoxenos) quase esquecido por muito tempo. No entanto, os monoxenos se tornaram relevantes recentemente por serem bons modelos para entender a origem do parasitismo e a evolução dos heteroxenos, devido a serem basais a todos os heteroxenos importantes e compartilharem características genéticas comuns, além de co-infectar os hospedeiros desses heteroxenos. Diante dessa necessidade, este estudo tem como objetivo caracterizar o genoma do monoxeno Blechomonas sp. TCC303E (Classe Kinetoplastea; subfamília Blechomonadinae) através de técnicas bioinformáticas para analisar aspectos genômicos e evolutivos desse organismo, expandindo assim a disponibilidade de dados genéticos deste gênero, que até agora tinha disponível apenas a sequência genômica da espécie-tipo, Blechomonas ayalai. Blechomomas são parasitas extremamente polimórficos e exclusivos das pulgas (Siphonaptera), as quais podem transmitir agentes etiológicos de doenças veterinárias e médicas. Nossos resultados mostram uma montagem com uma cobertura média de 38,6 vezes, de boa qualidade e composta de 728 scaffolds, com N50 de ~61 kbp e uma média de GC de 50,3%. Um dos scaffolds contém DNA mitocondrial, com uma média de GC de 19,7%. Foram preditos 8.044 CDS, das quais foram anotadas funcionalmente 7.002, além de genes de RNAs: 71 tRNAs, 4 rRNAs, 62 RNAs não codificantes. A análise de sintenia mostrou que Blechomonas mantém uma arquitetura genômica semelhante à dos demais tripanossomatídeos, formada por grandes blocos sintênicos altamente conservados e consistentes com suas distâncias filogenéticas. Identificamos 10.753 grupos ortólogos (GOs) entre os 12 organismos usados neste estudo, com 2803 GOs de cópia única e 6992 proteínas específicas de espécies agrupadas em 1497 GOs. A análise filogenômica empregando os 2803 GOs de cópia única, baseada em modelos de coalescência de múltiplas espécies, reafirma uma origem precoce do gênero Blechomonas, como um clado irmão dos tripanossomatídeos, exceto por Trypanosomatinae (Trypanosoma spp.) e Paratrypanosomatinae (Paratrypanosoma spp.). As distribuições das categorias funcionais e de domínio de Blechomonas sp. TCC303E mostraram tendências similares aos outros tripanossomatídeos, com reduções nas redundâncias funcionais e expansões dos caracteres ancestrais, especialmente aquelas famílias multigênicas que possibilitam as mudanças morfológicas, aproveitamento de nutrientes e interação com os hospedeiros. Em conclusão, em Blechomonas sp. TCC303E, como nos demais tripanossomatídeos, as distribuições assimétricas dos repertórios genéticos, especialmente aquelas das famílias multigênicas de superfície, peptidases e transposons seriam as adaptações que provavelmente possibilitaram a sobrevivência no seu hospedeiro. Knowledge about trypanosomatids derives mainly from the heteroxenous species, which have been studied much more due to their negative impacts on society, leaving the largest trypanosomatid group (the monoxenous ones) nearly forgotten for a long time. However, the monoxenous species have recently become relevant due to being good models for understanding the origin of parasitism and the origin of the heteroxenous species. That is a consequence of the monoxenous being basal to the most important heteroxenous species, sharing many genetic features, as well as co-infecting the same hosts. With that in mind, this study aims at characterizing the genome of the monoxenous species Blechomonas sp. TCC303E (Class Kinetoplastea; subfamily Blechomonadinae) by bioinformatic techniques, analyzing genomic and evolutionary aspects of this organism, thus expanding the availability of genetic data about this genus, which until now had only one genomic sequence available, that of the type-species, Blechomonas ayalai. Blechomomas spp. are extremely polymorphic parasites that are restricted to fleas (Siphonaptera), which can transmit the etiologic agents of several medical and veterinary diseases. Our results include a good-quality assembly with average coverage of 38.6 fold and composed of 728 scaffolds, with an N50 of ~61 kbp and average GC composition of 50.3%. One of the scaffolds contains the mitochondrial DNA, with an average GC of 19.7%. Gene prediction yielded 8,044 CDS, of which 7,002 received functional annotation, as well as RNA genes: 71 tRNAs, 4 rRNAs, 62 other non-coding RNAs. Synteny analysis showed that Blechomonas conserves a genomic architecture that is similar to that of the other trypanosomatids, characterized by large and highly conserved syntenic blocks, with conservation inversely proportional to phylogenetic distances. We identified 10,753 orthologous groups (OGs) among the 12 organisms analyzed in this study; 2,803 OGs were single-copy and 6,992 species-specific proteins were grouped in 1,497 OGs. Phylogenomic analysis using the 2,803 single-copy OGs, based on multiple species coalescence models, reaffirms an early origin for the genus Blechomonas, as a sister clade of all trypanosomatids excluding Trypanosomatinae (Trypanosoma spp.) and Paratrypanosomatinae (Paratrypanosoma spp.). Functional category and domain distribution in Blechomonas sp. TCC303E showed similar trends to other trypanosomatids, with reduction in functional redundancies and expansion of ancestral characters, especially the multigene families that enable morphological changes, acquisition and processing of nutrients, and interaction with the hosts. In conclusion, in Blechomonas sp. TCC303E, as in the the other trypanosomatids, the asymmetric distributions of genetic repertoires, especially the multigene families for surface proteins, peptidases and transposons, would be the adaptations that are likely to have enabled survival in the host.

A tuberculose (TB), causada por bactérias do Complexo Mycobacterium tuberculosis (MTBC), é a maior causa de morte humana por um único patógeno no mundo. Um agravante subestimado desta enfermidade é a TB zoonótica causada por membros do MTBC de importância veterinária, como o M. bovis e M. caprae. Descrito primeiramente em 1999, M. caprae é encontrado principalmente em países europeus afetando diferentes animais, incluindo bovinos, caprinos, cervídeos, coelhos, elefantes e etc, sendo responsável por um terço dos casos de TB zoonótica em regiões endêmicas. Ao contrário de M. tuberculosis e M. bovis, pouco se sabe sobre a biologia de M. caprae. Em nosso laboratório, observamos um fenótipo de crescimento limitado durante o cultivo desta espécie in vitro quando comparado a M. tuberculosis e M. bovis, sugerindo que M. caprae apresente alterações metabólicas importantes. Por possuírem uma evolução clonal e genomas altamente similares, com >99.95% de identidade em regiões homólogas, membros do MTBC podem ser analisados por genômica comparativa utilizando M. tuberculosis como referência. Assim, utilizando um banco de dados de 72 genomas de M. caprae, avaliamos a presença de polimorfismos de único nucleotídeo (SNPs), inserções e deleções (Indels) comuns aos genomas desta espécie em relação a M. tuberculosis H37Rv e o impacto destas mutações nas proteínas e no metabolismo de M. caprae. Por fim, propusemos hipóteses sobre a formulação de um meio de cultura específico para M. caprae. Foram detectadas 1.577 variações (SNPs e indels) em pelo menos 95% dos 72 genomas de M. caprae quando comparados a M. tuberculosis H37Rv, traduzindo em um total de 731 proteínas com SNPs não sinônimos ou frameshifts em regiões codificadoras com potencial de afetar a função proteica. Com base no software PROVEAN e assumindo que proteínas com frameshifts perdem sua atividade, 203 (27.77%) dessas proteínas mostraram mutações deletérias para sua função. Essas proteínas potencialmente deletérias conferem lesões metabólicas importantes no metabolismo central de carbono associadas a metabolização do piruvato e ciclos de Krebs e metilmalonil, influenciando diretamente na produção de succinato e moléculas redutoras. Importantes alterações foram também observadas nos metabolismos de colesterol e nitrato, enquanto outras enzimas deletérias eram metabolicamente redundantes. Foi possível também observar mutações deletérias em fatores de virulência e em proteínas relacionadas ao metabolismo de dormência bacteriana. Portanto, hipotetizamos que as mutações descritas neste trabalho afetam diretamente a replicação in vitro e in vivo, e sugerimos uma nova formulação para meio de cultivo baseado em estratégias para aumentar a produção de succinato, e consequentemente fumarato e malato, e combater o estresse oxidativo e o desbalanço de poder redutor. Esse é o primeiro estudo a avaliar o metabolismo de M. caprae e esperamos que esses achados contribuam para a compreensão do metabolismo adaptativo e para melhorar o crescimento dessa espécie in vitro, contribuindo para pesquisas e diagnóstico. Tuberculosis (TB), which is caused by bacteria of the Mycobacterium tuberculosis Complex (MTBC), is the main cause of human deaths globally, considering a single pathogen. An underestimated aggravation factor regarding TB is the zoonotic TB cases, caused mt members of the MTBC of veterinary relevance, such as Mycobacterium caprae. First described in 1999, M. caprae occurs mainly in European countries and infect different animal species, including cattle, goats, deer, rabbits, elephants, and so on. M. caprae alone is responsible for one third of endemic zoonotic cases of TB. Unlike M. tuberculosis, the biology of M. caprae is not well known or described. In our laboratory it was observed a limited growth phenotype during its in vitro cultivation, in comparison with M. tuberculosis and M. bovis. This finding suggests that M. caprae presents important metabolic alterations. Since MTBC have clonally evolved from a common ancestor and have highly similar genomes, with more than 99,95% of homolog regions identity, member of MTBC can be analyzed by comparative genomic, using M. tuberculosis as reference. Therefore, using a 72 M. caprae database, we evaluated the presence of common single nucleotide polymorphisms (SNPs), insertions and deletions, in comparison with M. tuberculosis H37Rv, and the impact of these mutations on proteins and on the M. caprae metabolism. Finally, we have proposed hypotheses about the formulation of a specific culture medium for M. caprae growth. There were detected 1,577 variations (SNPs and indels) in at least 95% of the 72 M. caprae genomes, compared to M. tuberculosis H37Rv. Likewise 731 proteins with non-synonymous SPNs or frameshifts in coding regions with potential to affect protein function. Based on the PROVEAN software and assuming that the proteins with frameshifts have lost their activity, 203 (27.77%) of these proteins are shown to present deleterious mutation for their functions. These potentially deleterious proteins cause important metabolic lesions in central carbon metabolism and the metabolization of pyruvate, the Krebs cycle, and the methylmalonyl cycle. These alterations directly influence the production of succinate and reducing molecules. Important changes were also observed on cholesterol and nitrate metabolism, while other deleterious enzymes were metabolically redundant. It was also observed some deleterious mutations in virulence factors and in protein related to dormancy metabolism. Thus, here we hypothesize that the mutations here described directly affect in vivo and in vitro replication, and suggest a new formulation for culture medium, based on strategies to enhance succinate production, and consequently fumarate and malate, avoid oxidative stress and reducing power. This is the first study to evaluate M. caprae metabolism and we hope to enhance the comprehension of its adaptive metabolism and its in vitro growth, for research and diagnose purposes.

O Complexo Mycobacterium tuberculosis (MTBC) causa tuberculose em humanos e animais e é composto de 12 espécies bacterianas com diferentes tropismos por hospedeiros e perfis de virulência. O MTBC se originou na África, e evoluiu clonalmente por meio de mutações pontuais e deleções genéticas de até 12Kb. Apesar das variações fenotípicas, sequências homólogas de genomas do MTBC são 99,95% idênticas e transferências horizontais de genes são consideradas ausentes. Estudos compreensivos de genômica comparativa incluindo todas as espécies de MTBC a fim de identificar os determinantes genéticos dessas diferenças fenotípicas não estão disponíveis. Paralelamente, a recente descoberta de uma estirpe relacionada a Mycobacterium pinnipedii infectando múmias peruanas pré-colombianas, isto é, antes da introdução europeia da tuberculose nas Américas, levantou dúvidas quanto ao papel do M. pinnipedii na evolução do MTBC e sobre a co-evolução desses patógenos com populações humanas. Desta forma, esta dissertação tem como objetivos: (i) sequenciar e anotar os genomas completos de estirpes de M. pinnipedii isoladas de um leão marinho no Brasil e compará-los com outras estirpes da mesma espécie depositadas em bancos de dados públicos; (ii) produzir uma avaliação de genômica comparativa de todos as espécies descritas do MTBC a fim de identificar genes relacionados à virulência e à adaptabilidade ao hospedeiro. No primeiro estudo, foi realizado o sequenciamento dos genomas completos de dois isolados de M. pinnipedii obtidos da carcaça de um leão marinho ( Otaria flavescens) encontrada no Rio Grande do Sul. Análises comparativas das mutações encontradas nesses genomas indica que esse animal estava infectado por duas estirpes diferentes desta bactéria. Este achado constitui o primeiro relato de infecção mista por M. pinipedii nesta espécie hospedeira e sugere que o patógeno é altamente endêmico na população de origem deste animal. Em contraste com estirpes de M. tuberculosis, a genômica comparativa entre estirpes modernas e antigas de M. pinnipedii depositadas em bancos de dados públicos indica proteomas altamente conservados e a ocorrência de um decaimento gênico através de deleções e pseudogenização, em um processo ativo de redução do genoma que vem ocorrendo há, pelo menos, 1.000 anos. Por fim, duas linhagens filogenéticas, modernas de M. pinnipedii foram detectadas globalmente, circunscritas por geografia e, consequentemente, por espécies hospedeiras. No segundo estudo, o objetivo foi investigar a presença e conservação de epítopos de células T e fatores de virulência no genoma core, acessório e espécie específico de 205 estirpes do MTBC. A estrutura do pan-genoma do MTBC mostra que a maioria das proteínas (832.234/866.916, 96,00%) está no genoma core, que é composto por proteínas importantes para a sobrevivência bacteriana. A análise da arquitetura do genoma acessório de MTBC com a distribuição dos epítopos mostrou, pela primeira vez, um mecanismo de variação antigênica de epítopos de células T baseado na perda de genes. Adicionalmente, foi possível observar variações significativas na quantidade de genes relacionados aos fatores de virulência, principalmente em estirpes de M. pinnipedii e M. africanum , sugerindo que a perda gênica relacionada à virulência possui importante papel nos fenótipos bacterianos. Em conclusão, os resultados apresentados contribuem para o entendimento da interação patógeno-hospedeiro de M. pinnipedii e outros membros do MTBC, sugerindo marcadores genéticos importantes dessa interação, e elucidando efeitos de pressões seletivas na determinação dos fenótipos de adaptabilidade hospedeira e virulência do grupo clonal MTBC. The Mycobacterium tuberculosis Complex (MTBC) causes tuberculosis in humans and animals and is composed of 12 bacterial species with different host tropisms and virulence profiles. MTBC originated in Africa and evolved clonally through point mutations and genetic deletions of up to 12Kb. Despite phenotypic variations, homologous sequences of MTBC genomes are 99.95% identical and horizontal gene transfers are considered absent. Comprehensive comparative genomics studies including all MTBC species to identify the genetic determinants of these phenotypic differences are not available. At the same time, the recent discovery of a strain related to Mycobacterium pinnipedii infecting pre-Columbian Peruvian mummies, i.e. prior to the European introduction of tuberculosis in the Americas, raised doubts about the role of M. pinnipedii in the evolution of MTBC and the co-evolution of these pathogens with human populations. Thus, the aims of this study were to: (i) sequence and annotate the complete genomes of M. pinnipedii strains isolated from a sea lion in Brazil and compare them with other strains of the same species deposited in public databases; (ii) produce a comparative genomic evaluation of all described MTBC species to identify genes related to virulence and host adaptability. In the first study we sequenced the complete genomes of two M. pinnipedii isolates obtained from the carcass of a sea lion ( Otaria flavescens ) found in Rio Grande do Sul. Comparative analysis of mutations found in these genomes indicates that this animal was infected with two different strains of this bacterium. This finding is the first report of mixed M. pinipedii infection in this host species and suggests that the pathogen is highly endemic in the source population of this animal. In contrast to M. tuberculosis strains, the comparative genomics of ancient and modern M. pinnipedii strains deposited in public databases indicate highly conserved proteomes and the occurrence of gene decay through deletions and pseudogenization in an active process of genome reduction occurring for at least 1,000 years. Finally, two modern phylogenetic strains of M. pinnipedii were detected globally, circumscribed by geography and, consequently, by host species. In the second study, the aim was to investigate the presence and conservation of T cell epitopes and virulence factors in the core, accessory and strain-specific genomes of 205 MTBC strains. The MTBC pan-genome structure shows that most proteins (832,234/866,916, 96.00%) are in the core genome, which is composed of proteins important for bacterial survival. Analysis of the MTBC accessory genome architecture with epitope distribution showed, for the first time, a mechanism of antigenic T cell epitope variation based on gene loss. Additionally, it was possible to observe significant variations in the number of genes related to virulence factors, mainly in M. pinnipedii and Mycobacterium africanum strains, suggesting that virulence- related gene loss plays an important role in determining bacterial phenotypes. In conclusion, the results presented contribute to the understanding of the pathogen-host interaction of M. pinnipedii and other MTBC members, suggesting important genetic markers of this interaction, and elucidating the effects of selective pressures in the determination of host adaptability and virulence phenotypes of the clonal group MTBC.