Investigating Transmission Patterns of Mycobacterium abscessus Complex (MABC) Clinical Isolates using Whole Genome Sequencing = 전장유전체 및 다중 변이 호출 기반 Mycobacterium abscessus 임상균주의 전파 양상 규명 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Investigating Transmission Patterns of Mycobacterium abscessus Clinical Isolates from a Korean Cohort Using Whole Genome Sequencing and Multi-Caller Variant Calling Methods

Jae Jin Lee
Division of Genome and Health Big Data
Graduate School of Public Health
Seoul National University

Background: The Mycobacterium abscessus complex (MABC) has become an emerging pathogen responsible for chronic, multidrug-resistant nontuberculous mycobacterial (NTM) pulmonary infections. Among its subspecies, M. a. subsp. abscessus and M. a. subsp. massiliense are the most clinically relevant, yet their population structures and transmission remain poorly understood—particularly within Asian healthcare settings such as South Korea.

Methods: Whole-genome sequencing (WGS) was performed on 302 Korean clinical isolates (199 M. a. subsp. abscessus, 103 M. a. subsp. abscessus subsp. massiliense), supplemented with 173 publicly available genomes from previous global studies. High-confidence single-nucleotide variants (SNVs) were identified using a multi-caller consensus approach integrating GATK HaplotypeCaller, FreeBayes, and Bcftools. Phylogenetic relationships were reconstructed with RAxML, and pairwise SNV distances were calculated to define genomic clusters (≤50 SNVs) suggestive of potential epidemiological linkage. Additionally, a bacterial genome-wide association study (bGWAS) was performed using pyseer with a linear mixed model (LMM) framework incorporating genetic similarity matrices and multidimensional scaling (MDS) covariates to identify variants associated with clustering.

Results: Phylogenomic analysis revealed 38 clusters among 275 M. a. subsp. abscessus isolates, 28 of which comprised exclusively Korean clinical strains. In contrast, M. a. subsp. massiliense (n = 200) displayed 23 clusters, but only two isolate pairs showed ≤50 SNVs, consistent with its high genomic diversity and predominantly environmental acquisition. The bGWAS of M. a. subsp. abscessus identified several loci significantly associated with clustering after Bonferroni correction, though these findings remain exploratory due to limited sample size and lack of longitudinal data.

Conclusions: Bacterial GWAS of both M. a. subsp. abscessus and M. a. subsp. massiliense revealed no direct genomic evidence of transmission. Although the Manhattan plots showed statistically significant SNPs, these findings highlight the importance of cautious interpretation of association signals and underscore the need for integrated genomic and thorough epidemiological data to elucidate transmission in the M. a. subsp. abscessus complex.

국문 초록 (Abstract)

국문 초록

Whole-Genome Analysis of Transmission in the Mycobacterium abscessus Complex from a Korean Clinical Cohort

Jae Jin Lee
Division of Genome and Health Big Data
Department of Public Health Sciences
Graduate School of Public Health
Seoul National University


배경
Mycobacterium abscessus complex (MABC)는 다제내성과 만성 감염 특성으로 인해 전 세계적으로 비결핵항산균(nontuberculous mycobacteria, NTM) 폐질환의 중요한 원인으로 부상하고 있다. 이 중 M. a. subsp. abscessus와 M. a. subsp. abscessus subsp. massiliense는 임상적으로 가장 중요한 아종(subspecies)이지만, 특히 한국 의료 환경에서는 이들의 전파 양상 및 집단 구조에 대한 이해가 여전히 부족한 실정이다.

방법
본 연구에서는 국내 임상에서 분리된 총 302개의 한국인 임상균주(199개의 M. a. subsp. abscessus 샘플, 103개의 M. a. subsp. massiliense 샘플)와 기존 연구에서 확보한 173개의 공개 게놈 데이터를 통합 분석하였다. 3종의 변이 호출 툴을 병합한 파이프라인을 통해 고신뢰도의 단일염기변이(SNV)를 도출하고, RAxML을 이용하여 계통유전학적(phylogenomic) 관계를 추정하였다.
또한, 샘플 간의 SNV 거리(pairwise SNV distance)를 산출하여 거리가 50 이하인 SNVs의 경우를 잠재적 역학적 연관성이 있다고 정의하였다. 아울러, pyseer를 이용한 세균 게놈 연관 분석(bacterial genome-wide association study, bGWAS)을 수행하였으며, 유전적 유사도 행렬과 다차원척도분석(MDS) 성분을 공변량으로 포함한 선형혼합모형(linear mixed model, LMM)을 적용하여 클러스터링과 연관된 변이를 탐색하였다.

결론
M. a. subsp. abscessus 및 M. a. subsp. abscessus subsp. massiliense에 대한 세균 GWAS 분석 결과, 직접적인 전파를 시사하는 유전체적 증거는 확인되지 않았다. Manhattan plot에서는 통계적으로 유의한 SNP들이 일부 확인되었으나, 해당 변이들의 기능적 관련성은 제한적인 것으로 판단된다. 이러한 결과는 GWAS에서 관찰되는 연관 신호에 대한 신중한 해석의 필요성을 강조하며, M. a. subsp. abscessus complex의 전파 양상을 명확히 규명하기 위해서는 유전체 데이터와 역학 정보를 통합한 접근이 필수적임을 시사한다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 07
• 1.1 Study Background 07
• 1.2 Study Objectives 10
• Chapter 2. Methods 12
• 2.1 Data Sources and Sample Collection 12
• 2.1.1 Korean Data 12
• 2.1.2 Public Data 13
• 2.1.3 Reference Data 14
• 2.2 Preprocessing Data and Variant Calling 17
• 2.3 Phylogenetic Analysis 19
• 2.4 Bacterial GWAS 22
• Chapter 3. Results 26
• 3.1 Phylogenetic Analysis 30
• 3.2 Variant Calling 42
• 3.3 Bacterial GWAS 48
• Chapter 4. Discussion 54
• 4.1 Key Findings 54
• 4.2 Strengths of the Study 59
• 4.3 Limitations and Future Directions 61
• 4.4 Conclusions 64
• References 68
• 국문 초록 71