Genetische Diversität von Echinococcus granulosus sensu stricto

Abstract

The dog tapeworm Echinococcus granulosus sensu stricto, distributed worldwide, is the most important agent of human Cystic Echinococcosis, a zoonotic disease which is considered as one of the priority ‘neglected zoonotic diseases’ by the World Health Organisation. The parasite is known from a large number of host species and is conventionally subdivided into several genotypes. The epidemiological consequences of the variation, however, are still unknown. In the last years several studies on the intraspecific variation of this parasite were published. Most of these studies were based on small numbers of isolates from geographically restricted regions, so that the relevance of that diversity concerning pathogenicity, host specificity, transmission cycles and biogeography is still little understood. To achieve a comprehensive estimate of its genetic diversity, 1085 isolates of E. granulosus s.s. from humans and animal hosts originating from widely different regions of the world were analyzed for the sequence polymorphism of a 1609 bp fragment of the mitochondrial cox1 gene. For analysis haplotype networks, diversity and neutrality indices of subpopulations of different geographic origin were compared. To improve the analytical efficiency of the sequence-data, a LabVIEW application was written. It could be shown that most diverse sub-population is found in the Middle Eastern region and that the genetic diversity is lower in the other analyzed regions, which confirms a previous tentative hypothesis on the origin of the domestic cycle of E. granulosus s.s. in that region. Records of identical haplotypes in different regions, inclusion of published data, calculation of parameters of population genetics and haplotype network analysis led to hypotheses explaining the distribution history of E. granulosus s.s.. This in line with fossil and molecular data on domestic sheep as the principal final host. A set of new and easily calculable genetic diversity indices were developed and their added value was explained. Additionally, a statistical resampling experiment was programmed which showed that at least 40 well distributed samples are necessary to provide a reliable estimate of the genetic diversity of the parasite in a region. Using an extension for that software, it was shown that the newly developed diversity indices do not strongly depend on the number of analyzed samples, and provide appropriate tools to assess the genetic diversity of parasite populations.

Der weltweit verbreitete Hundebandwurm Echinococcus granulosus sensu stricto ist der wichtigste Erreger der Cystischen Echinococcose des Menschen, einer zoonotischen Infektionskrankheit, die von der Weltgesundheitsorganisation WHO als eine der wichtigsten „neglected zoonotic diseases“ angesehen wird. Der Parasit ist aus einer großen Zahl von Wirtstierarten bekannt und wird herkömmlich in verschiedene intraspezifische Genotypen gegliedert, wobei die epidemiologische Konsequenz dieser Variation unbekannt ist. In den letzten Jahren wurden einige Studien publiziert, die sich mit der intraspezifischen Diversität dieses Parasiten beschäftigten. Diese Studien wurden allerdings mit meist wenigen Isolaten in geografisch limitierten Bereichen durchgeführt, weshalb die Relevanz dieser Diversität für Pathogenität, Wirtsspezifität, Übertragungszyklen und Biogeografie nach wie vor unverstanden sind. Um eine umfassende Darstellung der intraspezifischen Diversität vornehmen zu können, wurden insgesamt 1085 E. granulosus s.s.-Isolate aus Mensch und Tierwirten aus verschiedenen Regionen der Welt auf den Sequenzpolymorphismus eines 1609 bp Fragments des mitochondrialen cox1-Gens untersucht. Die Auswertung erfolgte durch den Vergleich von Haplotypennetzwerken und Diversitäts- und Neutralitätsindices von Subpopulationen verschiedener geografischer Herkunft. Zur leichteren Analyse der erhaltenen Sequenzdaten wurde zudem eine LabVIEW-Applikation geschrieben. Insgesamt wurden 388 Varianten (Haplotypen) des untersuchten Genabschnitts nachgewiesen. Es konnte gezeigt werden, dass die höchste genetische Diversität des Parasiten im Nahen Osten zu finden ist und eine geringere in den anderen untersuchten Regionen, was die bisher eher tentative Hypothese über den Ursprung des Haustierzyklus von E. granulosus s.s. in dieser Region erhärtet. Durch Funde von identischen Haplotypen in verschiedenen Regionen, Einbeziehung von bereits publizierten Daten, Berechnung von populationsgenetischen Indices und Haplotypennetzwerkanalysen konnte schließlich eine Hypothese zur Ausbreitungs-geschichte von E. granulosus sensu stricto aufgestellt werden. Diese deckt sich gut mit veröffentlichten fossilen und molekularen Daten des Hauptzwischenwirts, des Hausschafes, und den bekannten epidemiologischen Daten über den Parasiten. Hierzu wurden u.a. neue und leicht berechenbare Indices für die genetische Diversität einer untersuchten Population entwickelt, und dargelegt, warum die bisher verwendeten Indices für diesen Fall nicht ausreichen. Zusätzlich wurde in einem neu programmierten statistischen Resampling-Experiment gezeigt, dass ein Datensatz mindestens 40 gut verteilte Proben enthalten sollte, um eine hinreichend gute Annäherung an die realen Werte zur genetischen Diversität des Parasiten zu erhalten. Außerdem wurde in einer Erweiterung dieses Programms gezeigt, dass die neu entwickelten Indices wenig von der untersuchten Probenmenge abhängen und daher stabile Parameter zur genetischen Diversität einer Population des Parasiten darstellen.