Archaeal-type lysyl-tRNA synthetase in the Lyme disease spirochete Borrelia burgdorferi

Lysyl-tRNAs are essential for protein biosynthesis by ribosomal mRNA translation in all organisms. They are synthesized by lysyl-tRNA synthetases (EC 6.1.1.6), a group of enzymes composed of two unrelated families. In bacteria and eukarya, all known lysyl-tRNA synthetases are subclass IIc-type aminoacyl-tRNA synthetases, whereas some archaea have been shown to contain an unrelated class I-type lysyl-tRNA synthetase. Examination of the preliminary genomic sequence of the bacterial pathogen Borrelia burgdorferi, the causative agent of Lyme disease, indicated the presence of an open reading frame with over 55% similarity at the amino acid level to archaeal class I-type lysyl-tRNA synthetases. In contrast, no coding region with significant similarity to any class II-type lysyl-tRNA synthetase could be detected. Heterologous expression of this open reading frame in Escherichia coli led to the production of a protein with canonical lysyl-tRNA synthetase activity in vitro. Analysis of B. burgdorferi mRNA showed that the lysyl-tRNA synthetase-encoding gene is highly expressed, confirming that B. burgdorferi contains a functional class I-type lysyl-tRNA synthetase. The detection of an archaeal-type lysyl-tRNA synthetase in B. burgdorferi and other pathogenic spirochetes, but not to date elsewhere in bacteria or eukarya, indicates that the gene that encodes this enzyme has a common origin with its orthologue from the archaeal kingdom. This difference between the lysyl-tRNA synthetases of spirochetes and their hosts may be readily exploitable for the development of anti-spirochete therapeutics.

Therapeutic passive vaccination against chronic Lyme disease in mice

Passive and active immunization against outer surface protein A (OspA) has been successful in protecting laboratory animals against subsequent infection with Borrelia burgdorferi. Antibodies (Abs) to OspA convey full protection, but only when they are present at the time of infection. Abs inactivate spirochetes within the tick and block their transmission to mammals, but do not affect established infection because of the loss of OspA in the vertebrate host. Our initial finding that the presence of high serum titers of anti-OspC Abs (5 to 10 μg/ml) correlates with spontaneous resolution of disease and infection in experimentally challenged immunocompetent mice suggested that therapeutic vaccination with OspC may be feasible. We now show that polyclonal and monospecific mouse immune sera to recombinant OspC, but not to OspA, of B. burgdorferi resolve chronic arthritis and carditis and clear disseminated spirochetes in experimentally infected C.B.-17 severe combined immunodeficient mice in a dose-dependent manner. This was verified by macroscopical and microscopical examination of affected tissues and recultivation of spirochetes from ear biopsies. Complete resolution of disease and infection was achieved, independent of whether OspC-specific immune sera (10 μg OspC-specific Abs) were repeatedly given (4× in 3- to 4-day intervals) before the onset (day 10 postinfection) or at the time of fully established arthritis and carditis (days 19 or 60 postinfection). The results indicate that in mice spirochetes constitutively express OspC and are readily susceptible to protective OspC-specific Abs throughout the infection. Thus, an OspC-based vaccine appears to be a candidate for therapy of Lyme disease.

Geographic Expansion of Lyme Disease in the Southeastern United States, 2000-2014.

Background.  The majority of Lyme disease cases in the United States are acquired on the east coast between northern Virginia and New England. In recent years the geographic extent of Lyme disease has been expanding, raising the prospect of Lyme disease becoming endemic in the southeast. Methods.  We collected confirmed and probable cases of Lyme disease from 2000 through 2014 from the Virginia Department of Health and North Carolina Department of Public Health and entered them in a geographic information system. We performed spatial and spatiotemporal cluster analyses to characterize Lyme disease expansion. Results.  There was a marked increase in Lyme disease cases in Virginia, particularly from 2007 onwards. Northern Virginia experienced intensification and geographic expansion of Lyme disease cases. The most notable area of expansion was to the southwest along the Appalachian Mountains with development of a new disease cluster in the southern Virginia mountain region. Conclusions.  The geographic distribution of Lyme disease cases significantly expanded in Virginia between 2000 and 2014, particularly southward in the Virginia mountain ranges. If these trends continue, North Carolina can expect autochthonous Lyme disease transmission in its mountain region in the coming years.

Assessing the mitochondrial DNA diversity of the Chagas disease vector Triatoma sordida (Hemiptera: Reduviidae)

Triatoma sordida is a species that transmits Trypanosoma cruzi to humans. In Brazil, T. sordida currently deserves special attention because of its wide distribution, tendency to invade domestic environments and vectorial competence. For the planning and execution of control protocols to be effective against Triatominae, they must consider its population structure. In this context, this study aimed to characterise the genetic variability of T. sordida populations collected in areas with persistent infestations from Minas Gerais, Brazil. Levels of genetic variation and population structure were determined in peridomestic T. sordida by sequencing a polymorphic region of the mitochondrial cytochrome b gene. Low nucleotide and haplotype diversity were observed for all 14 sampled areas; π values ranged from 0.002-0.006. Most obtained haplotypes occurred at low frequencies, and some were exclusive to only one of the studied populations. Interpopulation genetic diversity analysis revealed strong genetic structuring. Furthermore, the genetic variability of Brazilian populations is small compared to that of Argentinean and Bolivian specimens. The possible factors related to the reduced genetic variability and strong genetic structuring obtained for studied populations are discussed in this paper.

The Immunomodulatory Action of Sialostatin L on Dendritic Cells Reveals Its Potential to Interfere with Autoimmunity

Sialostatin L (SialoL) is a secreted cysteine protease inhibitor identified in the salivary glands of the Lyme disease vector Ixodes scapularis. In this study, we reveal the mechanisms of SialoL immunomodulatory actions on the vertebrate host. LPS-induced maturation of dendritic cells from C57BL/6 mice was significantly reduced in the presence of SialoL. Although OVA degradation was not affected by the presence of SialoL in dendritic cell cultures, cathepsin S activity was partially inhibited, leading to an accumulation of a 10-kDa invariant chain intermediate in these cells. As a consequence, in vitro Ag-specific CD4(+) T cell proliferation was inhibited in a time-dependent manner by SialoL, and further studies engaging cathepsin S(-/-) or cathepsin L(-/-) dendritic cells confirmed that the immunomodulatory actions of SialoL are mediated by inhibition of cathepsin S. Moreover, mice treated with SialoL displayed decreased early T cell expansion and recall response upon antigenic stimulation. Finally, SialoL administration during the immunization phase of experimental autoimmune encephalomyelitis in mice significantly prevented disease symptoms, which was associated with impaired IFN-gamma and IL-17 production and specific T cell proliferation. These results illuminate the dual mechanism by which a human disease vector protein modulates vertebrate host immunity and reveals its potential in prevention of an autoimmune disease. The Journal of Immunology, 2009, 182: 7422-7429.

Phylogéographie comparée de la souris à pattes blanches et de la souris sylvestre, deux vecteurs de la maladie de Lyme au Québec

Mon étude vise à évaluer la propagation d’une zoonose en émergence au Québec, la maladie de Lyme, en conséquence du réchauffement climatique. Le pathogène responsable de cette infection, Borrelia burgdorferi, est transmis par l’intermédiaire d’une tique parasite, Ixodes scapularis, de plus en plus commune au Québec en raison de l’augmentation de la température moyenne du climat depuis les dernières décennies. Puisque la tique a une capacité de déplacement très restreinte, on s'attend à ce que sa dispersion soit liée à celle de son hôte primaire, soit la souris à pattes blanches (Peromyscus leucopus). Je décrirai donc d’abord les espèces impliquées, leur écologie et leur rôle dans ce système à trois niveaux (hôte/pathogène/vecteur). Puis, à l’aide de séquences d’ADN mitochondrial, je comparerai la phylogéographie des deux principales espèces de souris au Québec, la souris à pattes blanches et la souris sylvestre (P. maniculatus). Des analyses d’arbres et de réseaux d’haplotypes ont révélé des différences significatives dans la structure génétique et ainsi montré que les populations de P. leucopus seraient en expansion dans le sud du Québec. Cette étude nous a finalement permis d’émettre des hypothèses sur le patron d’établissement de la maladie de Lyme au Québec.

Éco-épidémiologie de la maladie de Lyme dans le Sud-Ouest du Québec : étude des facteurs environnementaux associés à son établissement.

Depuis les années 90, les études réalisées au Canada ont permis d’identifier de nouvelles zones endémiques de l’agent de la maladie de Lyme, Borrelia burgdorferi, ou de sa tique vectrice, Ixodes scapularis. Ces régions représentent des zones privilégiées pour étudier le cycle de transmission dans son contexte environnemental. L’objectif principal de ce projet est d’étudier les relations spirochètes – tiques - hôtes et les facteurs environnementaux impliqués dans le cycle de transmission à partir des données du vecteur et de l’agent pathogène recueilli dans le Sud-Ouest du Québec de 2007 à 2008. Tout d’abord sera décrite la saisonnalité des tiques et des associations entre le vecteur et les hôtes rongeurs capturés. En effet, l’identification de la saisonnalité spécifique à chaque stade de la tique I. scapularis permet d’établir quels seront les mois propices pour effectuer les futures collectes de tiques. La saisonnalité synchrone des tiques immatures en quête peut également être un indicateur de la nature ou des souches de B. burgdorferi retrouvées. L’association des tiques immatures à différentes espèces ou à différentes classes d’hôtes (c.-à-d. âge, sexe, statut reproductif) a également été explorée. Nos résultats montrent que les souris du genre Peromyscus, principalement les mâles adultes, contribuent significativement à la survie et au développement du complexe I. scapularis - B. burgdorferi. Les tamias et les écureuils contribuent aussi à la survie et au développement des populations de la tique I. scapularis. Ensuite les associations entre le vecteur et les hôtes cervidés ont été examinées en tenant compte des facteurs environnementaux associés à leur niveau d’infestation. Ceci a permis d’évaluer l’utilisation des cerfs à titre de sentinelles pour le vecteur et les agents pathogènes. D’après nos résultats, bien qu’ils soient des sentinelles efficaces pour détecter Anaplasma phagocytophilum, les cerfs semblent des sentinelles inefficaces pour détecter les zones d’établissement du complexe I. scapularis-B. burgdorferi. Enfin, une analyse de l’impact de la diversité des hôtes et de l’habitat sur l’abondance de la tique I. scapularis et la prévalence de B. burgdorferi a été effectuée et ce, en tenant compte d’autres facteurs environnementaux. Ces analyses ont permis de déterminer les facteurs critiques pour l’établissement du complexe I. scapularis – B. burgdorferi et d’explorer la contribution relative de diverses espèces d’hôtes. D’après nos études, la diversité de la communauté d’hôte et la diversité de l’habitat influencent le complexe I. scapularis - B. burgdorferi. De plus, le climat (la température et les précipitations) joue un rôle significatif dans l’établissement, la survie et le développement des populations d’I. scapularis. Ce projet de recherche a permis d’explorer et d’identifier divers facteurs environnementaux biotiques et abiotiques influençant l’établissement du complexe I. scapularis - B. burgdorferi dans le Sud-Ouest du Québec. Ceux-ci pourraient être utilisés à titre d’indicateurs environnementaux du risque de la maladie de Lyme au Québec et possiblement ailleurs au Canada.

Prévention de la maladie de Lyme : facteurs sociaux et priorisation des interventions

La maladie de Lyme est la maladie vectorielle la plus fréquente dans les pays tempérés et est en émergence dans plusieurs régions du monde. Plusieurs stratégies de prévention existent et comprennent des interventions qui visent les individus, comme le port de vêtements protecteurs, et d’autres qui sont implantées au niveau collectif, dont des interventions de contrôle des tiques dans l’environnement. L’efficacité de ces stratégies peut être influencée par divers facteurs, dont des facteurs sociaux tels que les connaissances, les perceptions et les comportements de la population ciblée. Elles peuvent également avoir des impacts parallèles non désirés, par exemple sur l’environnement et l’économie, et ces derniers peuvent s’opposer aux bénéfices des interventions jusqu’à remettre en cause la pertinence de leur mise en œuvre. Aussi, ces facteurs sociaux et les impacts des interventions sont susceptibles de varier selon la population ciblée et en fonction du contexte épidémiologique et social. L’objectif de cette thèse était donc d’étudier les principaux facteurs sociaux et enjeux d’importance à considérer pour évaluer l’efficacité et prioriser des interventions de prévention pour la maladie de Lyme dans deux populations exposées à des contextes différents, notamment en ce qui concerne leur situation épidémiologique, soient au Québec, où l’incidence de la maladie de Lyme est faible mais en émergence, et en Suisse, où elle est élevée et endémique depuis plus de trois décennies. L’approche choisie et le devis général de l’étude sont basés sur deux modèles théoriques principaux, soient le modèle des croyances relatives à la santé et celui de l’aide à la décision multicritère. Dans un premier temps, les facteurs associés à la perception du risque pour la maladie de Lyme, c’est-à-dire l’évaluation cognitive d’une personne face au risque auquel elle fait face, ont été étudiés. Les résultats suggèrent que les facteurs significatifs sont différents dans les deux régions à l’étude. Ensuite, l’impact des connaissances, de l’exposition, et des perceptions sur l’adoption de comportements préventifs individuels et sur l’acceptabilité des interventions de contrôle des tiques (acaricides, modifications de l’habitat, contrôle des cervidés) a été comparé. Les résultats suggèrent que l’impact des facteurs varierait en fonction du type du comportement et des interventions, mais que la perception de l’efficacité est un facteur commun fortement associé à ces deux aspects, et pourrait être un facteur-clé à cibler lors de campagnes de communication. Les résultats montrent également que les enjeux relatifs aux interventions de contrôle des tiques tels que perçus par la population générale seraient communs dans les deux contextes de l’étude, et partagés par les intervenants impliqués dans la prévention de la maladie de Lyme. Finalement, un modèle d’analyse multicritère a été développé à l’aide d’une approche participative pour le contexte du Québec puis adapté pour le contexte suisse et a permis d’évaluer et de prioriser les interventions préventives selon les différentes perspectives des intervenants. Les rangements produits par les modèles au Québec et en Suisse ont priorisé les interventions qui ciblent principalement les populations humaines, devant les interventions de contrôle des tiques. L’application de l’aide à la décision multicritère dans le contexte de la prévention de la maladie de Lyme a permis de développer un modèle décisionnel polyvalent et adaptable à différents contextes, dont la situation épidémiologique. Ces travaux démontrent que cette approche peut intégrer de façon rigoureuse et transparente les multiples perspectives des intervenants et les enjeux de la prévention relatifs à la santé publique, à la santé animale et environnementale, aux impacts sociaux, ainsi qu’aux considérations économiques, opérationnelles et stratégiques. L’utilisation de ces modèles en santé publique favoriserait l’adoption d’une approche « Une seule santé » pour la prévention de la maladie de Lyme et des zoonoses en général. Mots-clés : maladie de Lyme, prévention, facteurs sociaux, perception du risque, comportements préventifs, acceptabilité, priorisation des interventions, contrôle des tiques, aide à la décision multicritère, analyse multicritère, Québec, Suisse, « Une seule santé »

De novo transcriptome assembly for a non-model species, the blood-sucking bug Triatoma brasiliensis, a vector of Chagas disease

High throughput sequencing (HTS) provides new research opportunities for work on non-model organisms, such as differential expression studies between populations exposed to different environmental conditions. However, such transcriptomic studies first require the production of a reference assembly. The choice of sampling procedure, sequencing strategy and assembly workflow is crucial. To develop a reliable reference transcriptome for Triatoma brasiliensis, the major Chagas disease vector in Northeastern Brazil, different de novo assembly protocols were generated using various datasets and software. Both 454 and Illumina sequencing technologies were applied on RNA extracted from antennae and mouthparts from single or pooled individuals. The 454 library yielded 278 Mb. Fifteen Illumina libraries were constructed and yielded nearly 360 million RNA-seq single reads and 46 million RNA-seq paired-end reads for nearly 45 Gb. For the 454 reads, we used three assemblers, Newbler, CAP3 and/or MIRA and for the Illumina reads, the Trinity assembler. Ten assembly workflows were compared using these programs separately or in combination. To compare the assemblies obtained, quantitative and qualitative criteria were used, including contig length, N50, contig number and the percentage of chimeric contigs. Completeness of the assemblies was estimated using the CEGMA pipeline. The best assembly (57,657 contigs, completeness of 80 %, < 1 % chimeric contigs) was a hybrid assembly leading to recommend the use of (1) a single individual with large representation of biological tissues, (2) merging both long reads and short paired-end Illumina reads, (3) several assemblers in order to combine the specific advantages of each.

A simple model for the establishment of tick-borne pathogens of Ixodes scapularis : a global sensitivity analysis of R0

The basic reproduction number of a pathogen, R 0, determines whether a pathogen will spread (R0>1R 0>1), when introduced into a fully susceptible population or fade out (R0<1R 0<1), because infected hosts do not, on average, replace themselves. In this paper we develop a simple mechanistic model for the basic reproduction number for a group of tick-borne pathogens that wholly, or almost wholly, depend on horizontal transmission to and from vertebrate hosts. This group includes the causative agent of Lyme disease, Borrelia burgdorferi, and the causative agent of human babesiosis, Babesia microti, for which transmission between co-feeding ticks and vertical transmission from adult female ticks are both negligible. The model has only 19 parameters, all of which have a clear biological interpretation and can be estimated from laboratory or field data. The model takes into account the transmission efficiency from the vertebrate host as a function of the days since infection, in part because of the potential for this dynamic to interact with tick phenology, which is also included in the model. This sets the model apart from previous, similar models for R0 for tick-borne pathogens. We then define parameter ranges for the 19 parameters using estimates from the literature, as well as laboratory and field data, and perform a global sensitivity analysis of the model. This enables us to rank the importance of the parameters in terms of their contribution to the observed variation in R0. We conclude that the transmission efficiency from the vertebrate host to Ixodes scapularis ticks, the survival rate of Ixodes scapularis from fed larva to feeding nymph, and the fraction of nymphs finding a competent host, are the most influential factors for R0. This contrasts with other vector borne pathogens where it is usually the abundance of the vector or host, or the vector-to-host ratio, that determine conditions for emergence. These results are a step towards a better understanding of the geographical expansion of currently emerging horizontally transmitted tick-borne pathogens such as Babesia microti, as well as providing a firmer scientific basis for targeted use of acaricide or the application of wildlife vaccines that are currently in development.

Unhealthy landscapes: policy recommendations on land use change and infectious disease emergence

Anthropogenic land use changes drive a range of infectious disease outbreaks and emergence events and modify the transmission of endemic infections. These drivers include agricultural encroachment, deforestation, road construction, dam building, irrigation, wetland modification, mining, the concentration or expansion of urban environments, coastal zone degradation, and other activities. These changes in turn cause a cascade of factors that exacerbate infectious disease emergence, such as forest fragmentation, disease introduction, pollution, poverty, and human migration. The Working Group on Land Use Change and Disease Emergence grew out of a special colloquium that convened international experts in infectious diseases, ecology, and environmental health to assess the current state of knowledge and to develop recommendations for addressing these environmental health challenges. The group established a systems model approach and priority lists of infectious diseases affected by ecologic degradation. Policy-relevant levels of the model include specific health risk factors, landscape or habitat change, and institutional (economic and behavioral) levels. The group recommended creating Centers of Excellence in Ecology and Health Research and Training, based at regional universities and/or research institutes with close links to the surrounding communities. The centers' objectives would be 3-fold: a) to provide information to local communities about the links between environmental change and public health ; b) to facilitate fully interdisciplinary research from a variety of natural, social, and health sciences and train professionals who can conduct interdisciplinary research ; and c) to engage in science-based communication and assessment for policy making toward sustainable health and ecosystems.

Borreliose de Lyme

As borrelioses constituem um grupo de doenças infecciosas causadas por espiroquetas do gênero Borrelia. A borreliose de Lyme, também denominada doença de Lyme, é uma doença infecciosa, não contagiosa, causada por espiroquetas pertencentes ao complexo Borrelia burgdorferi Sensu Lato e transmitida, mais frequentemente, por picada de carrapatos do gênero Ixodes. A doença apresenta quadro clínico variado, podendo desencadear manifestações cutâneas, articulares, neurológicas e cardíacas.

Karyotype and spermatogenesis in Triatoma lenti (Hemiptera: Triatominae), a potential Chagas vector

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

A novel association between Rhodnius neglectus and the Livistona australis palm tree in an urban center foreshadowing the risk of Chagas disease transmission by vectorial invasions in Monte Alto City, Sao Paulo, Brazil

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Doença de Lyme na região de cabeça e pescoço: implicações para a odontologia

Lyme disease (LD) is a systemic inflammatory changes resulting from the direct action of the spirochete Borrelia burgdorferi on the host or indirect damage produced by immune response to this microorganism. This pathogen is transmitted by inoculation in the bloodstream by the tick genus Ixodes and is most commonly found in North America, Europe and Asia. In these regions, the dental community is aware about its commonest clinical symptoms, collaborating with the establishment of a diagnosis. However, in Brazil, the frequent facial or peripheral neurological manifestations, among them the Bell's palsy, ocular disorders, disorders in the temporomandibular joint, as well as paresthesia of upper and lower alveolar nerves are observed. In our country, the diagnosis of Lyme disease is primarily based on clinical symptomatology, but most of cases remain without diagnosis and treatment. Then, the detection of the early manifestations of Lyme disease by health professionals is essential for the proper antibiotic treatment, preventing the progression of the disease, and allowing the establishment of favorable prognostic.