Establishment of a PCR based method for detection of Neisseria meningitidis DNA: DUS as a marker for meningococcal carriage

Abstract

Neisseria meningitidis is the main causative agent of meningitis and septicaemia. This feared pathogen has been the focus of intense studies since the end of the 19th century. Although meningococcal disease is a life-threatening illness, N. meningitidis is a strict human commensal that commonly colonizes the throat’s epithelial lining without causing any detectable symptoms. This phenomenon, commonly referred to as carriage, represents a successful commensal relationship between the host and the bacterium, with the host experiencing no detectable pathology. During periods of endemic disease, about 10% of the general population harbour N. meningitidis in the nasopharynx. In all sexual organisms, adaptations exist that secure the safe re-assortment of homologous alleles and prevent the intrusion of hazardous alien DNA. In the human pathogen N. meningitidis, transformation by exogenous DNA is regulated by the presence of a specific DNA Uptake Sequence (DUS), which is present in thousands of copies in the respective genomes. DUS affects transformation by limiting DNA uptake and recombination in favour of homologous DNA. Based on our comprehensive characterization of DUS in N. meningitidis, this work has been developed with the aim of establish a rapid and cost-effective procedure to detect N. meningitids DNA, using the DUS as the target. Several protocols of polymerase chain reaction (PCR) have been performed in order to achieve this goal. After a few attempts we found the ideal conditions to use DUS as a marker of the presence of N. meningitidis genome. This tool was designed with the future aim of further characterization of the carriage rates of N. meningitidis and other Neisseria sp. in Norwegian military recruits.

Neisseria meningitidis é o principal agente causador de meningite e septicémia. Este temido agente patogénico tem sido alvo de um intenso estudo desde o fim do século XIX. Apesar da meningite ser uma doença que põe em risco a vida, N. meningitidis é uma bactéria que pertence à flora comensal humana e que normalmente coloniza o epitélio nasofaríngeo, sem causar qualquer tipo de sintomas. Este fenômeno, normalmente referido como transporte, representa uma relação comensal de sucesso entre o hospedeiro e a bactéria, sendo que o hospedeiro não apresenta qualquer tipo de patologia. Durante períodos de doença endémica, estima-se que cerca de 10% da população esteja colonizada com N. meningitidis. Em todos os organismos sexuais existem adaptações que promovem o rearranjo de alelos homólogos de forma segura, evitando a intrusão de ADN alienígeno e potencialmente perigoso. Em particular na bactéria N. meningitidis, a transformação por ADN exógeno é regulada pela presença de uma sequência específica (DNA Uptake sequence - DUS), que está presente em milhares de cópias nos respectivos genomas. Esta sequência afeta a transformação, limitando o uptake e recombinação de ADN. Tendo em conta o nosso conhecimento acerca da sequência DUS em N. meningitidis, este trabalho foi desenvolvido com o objetivo de estabelecer um protocolo rápido, eficaz e de baixo custo, que permitisse detetar ADN de N. meningitidis, usando a sequência DUS como alvo. Diversos protocolos utilizando a técnica de reação em cadeia da polimerase (PCR) foram testados de forma a atingir esse objetivo. Após várias tentativas, conseguimos encontrar as condições reacionais ideais para a utilização da sequência DUS como um marcador da presença de genoma de N. meningitidis. Esta ferramenta foi desenvolvida com o objetivo de no futuro ser possível a caracterização das taxas de transporte de N. meningitidis e de outras bactérias do género Neisseria em militares Noruegueses.