Genomics of infectious bacterial skin diseases in wild non-human primates: Yaws and Leprosy

Yaws-like disease in non-human primates (NHPs) caused by Treponema pallidum subsp. pertenue (TPE) has been largely reported in sub-Saharan Africa with diverse dermatological manifestations. However, it remained unclear how the genomic diversity of TPE lineages that do occur in NHPs is distributed across hosts and space. In Taï National Park (TNP), Côte d’Ivoire, symptomatic Cercocebus atys monkeys were observed to have yaws- and syphilislike lesions. The present study investigated the TPE diversity in wild NHPs in TNP and other sites where the disease occurs in sub-Saharan Africa.
Phylogenomic analyses from this study revealed that dermatological pathology observed among sooty mangabeys in TNP were caused by a large diversity of TPE lineages. All TPE genomes determined from these sooty mangabeys were different and exhibited divergence levels not observed in other field sites where the disease seems to be epizootic. The results presented in this dissertation, do not support the epizootic spread of a single TPE clone at TNP, but rather points towards frequent independent introductions of the bacterium, which can cause orofacial and genital-like lesions within a single social group of Cercocebus atys monkeys. Besides, simian TPE isolates determined in this study and those available in the public domain, did not form monophyletic clades based on host species or the type of symptoms caused by an isolate, but rather clustered based on geography. This phylogenetic pattern is compatible with cross-species transmission of TPE within ecosystems where this disease occurs, though it remains unclear how often and by what means this transmission occurs. This study now lays basis for future studies on the potential occurrence of TPE transmission among different NHP species and future studies should aim to reveal transmission pathways of TPE in NHP habitats.
This work also demonstrates that informative TPE genomic data can be obtained from old NHPs bones collected from endemic areas; helping to trace the disease back into the past as well as identify new sites that might be affected by the disease where no clinical cases are currently observed. Thus, using bone derived TPE short sequences coupled with phylogenetic read placement algorithm, this study showed that TPE infected NHPs in TNP for at least three decades ago, complementing clinical evidence which only started accumulating from 2014. Additionally, detection of TPE in field sites were no clinical cases are observed indicates that TPE infections in NHPs are underreported, warranting the intensive surveillance of the disease in wild NHPs.
In the second part, this study aimed to investigate the causative agent of leprosy-like symptoms observed in NHPs in both Cantanhez National Park and Täi National Park. The investigations involved adapting a suitable non-invasive screening tool to facilitate the determination and characterisation of the causative agent of the observed skin lesions.
Using faecal samples, this study determined that M. leprae was the cause of the leprosy- like lesions confirming the first ever observed sylvatic leprosy cases among NHPs in West Africa. This finding shows that faecal samples of NHP that are easily collected, can be used for surveillance of leprosy in wild NHPs and have the potential for scalability in terms of screening huge populations over large areas. Further, this study also presents sequence data highlighting that wild chimpanzees are infected with two genotypes of Mycobacterium leprae that are rare in human populations i.e. 4N/O and 2F and could potentially serve as reservoir hosts of these rare genotypes. For the first time, genotype 2F of M. leprae that circulated mostly in the medieval time in Europe was detected in West Africa. The detection of 2F in a region dominated by genotype 4 M. leprae strains questions the current understanding that the infection in NHPs was a result of a human strains spill overs. Finally, it is now evident that M. leprae is not only a human pathogen since red squirrels, armadillos and NHPs are also naturally infected. Therefore, investigations into the role these animal reservoir hosts play in the ecology of leprosy disease might be useful in informing strategies on the ongoing leprosy eradication campaign by WHO. Genomik infektiöser bakterieller Hauterkrankungen bei wilden nichtmenschlichen Primaten: Gieren und Lepra

Es gibt eine vielzahl von Berichten über eine gierartige Krankheit bei nicht-menschlichen Primaten (NHPs), die durch Treponema pallidum subsp. pertenue (TPE) verursacht wird und in ihren verschiedenen dermatologischen Ausprägungen aus weiten Teilen der Subsahararegion Afrikas. Es blieb jedoch bislang unklar wie die genomische Vielfalt der NHPspezifischen TPE-Linien über Wirte und Raum verteilt ist. Im Taï-Nationalpark (TNP), Côte d'Ivoire, wurden symptomatische Rußmangaben (Cercocebus atys atys atys) mit gier- und syphilisähnlichen Läsionen beobachtet. Im Zusammenhang dazu untersucht die vorliegende Studie die Diversität von TPE bei wilden NHPs in TNP und anderen Standorten, an denen die Krankheit in Subsahara-Afrika auch zuvor aufgetreteten is.
Phylogenomische Analysen aus dieser Studie zeigten, dass das dermatologische Krankheitsbild von Rußmangaben in TNP, durch eine große Vielfalt von TPE-Linien verursacht wird. Alle TPE-Genome, die aus dieser Mangabenart isoliert werden konnten, waren unterschiedlich und zeigten deutlich andere Divergenzniveaus als bisher für eine einzige Spezies an einem Feldforschungsort, an dem die Krankheit vermutlich epizootisch ist, beobachtet werden konnte. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse unterstützen nicht die epizootische Ausbreitung eines einzelnen TPE-Klons, sondern weisen stattdessen auf häufige unabhängige Einführungen des Bakteriums hin, die syphilis- und gierähnliche Läsionen innerhalb einer einzigen sozialen Gruppe von Rußmangaben verursachen können. Desweiteren bilden die in dieser Studie bearbeiteten Isolate von simianem TPE keine monophyletischen Kladen mit den bislang veröffentlichten Vergleichsgenomen auf der Grundlage ihrer Wirtsarten oder Art der Symptome, sondern in Bezug auf ihre Geographie. Dieses phylogenetische Muster ist einhergehend mit der artenübergreifenden Übertragung von TPE in denjenigen Ökosystemen, in denen die Krankheit auftritt. Es bleibt allerdings unklar, wie oft und auf welche Weise diese Übertragung stattfindet. Diese Studie bildet nun die Grundlage für zukünftige Studien über das mögliche Auftreten der TPE-Übertragung bei NHPs.
Diese Arbeit zeigt auch, dass wertvolle TPE Genomdaten aus alten NHP-Knochen aus endemischen Gebieten gewonnen werden können. Dies kann helfen die Krankheit in die Vergangenheit zurückverfolgen und neue Standorte zu identifizieren, die in der Gegenwart oder Zukunft von der Krankheit betroffen sein könnten, auch wenn zum jetzigen Zeitpunkt keine klinischen Fälle bekannt sind. So zeigte diese Studie unter Verwendung von knochenabgeleiteten TPE-Kurzsequenzen in Verbindung mit einem phylogenetischen Leseplatzierungsalgorithmus , dass TPE in TNP für mindestens drei Jahrzehnte NHPs infiziert hat und ergänzt damit klinische Beweise, die sich erst ab 2014 zu sammeln begannen. Darüber hinaus zeigt der Nachweis von TPE in Freilandanlagen, in denen offiziell keine klinischen Fälle beobachtet werden, dass TPE-Infektionen in NHPs weitgehend unbemerkt bleiben, was eine intensive Überwachung der Krankheit bei wilden NHPs rechtfertigt.
Im zweiten Teil zielte diese Studie darauf ab, den Erreger lepraähnlicher Symptome zu untersuchen, die bei NHPs im Cantanhez Nationalpark und im Täi Nationalpark beobachtet wurden. Die Untersuchungen umfassten die Anpassung eines geeigneten nicht-invasiven Screeningtools, um die Bestimmung und Charakterisierung des Erregers der beobachteten Hautläsionen zu erleichtern.
Anhand von Stuhlproben konnte in dieser Studie festgestellt werden, dass M. leprae die Ursache für die lepraähnlichen Läsionen war und somit die ersten jemals beobachteten sylvatischen Leprafälle bei NHPs in Westafrika bestätigten. Dieses Ergebnis zeigt, dass Fäkalproben von NHP, die ohne große Schwierigkeiten gesammelt werden können, zur Überwachung der Lepra bei wilden NHPs verwendet werden können und das Potenzial für Skalierbarkeit beim Screening großer Populationen über große Gebiete haben. Darüber hinaus stellt diese Studie auch Sequenzdaten vor, die zeigen, dass wilde Schimpansen mit zwei Genotypen von Mycobacterium leprae infiziert sind, die in menschlichen Populationen selten sind. Dabei handelt es sich um 4O-P und 2F, und somit besteht die Möglichkeit, dass Schimpansen als Reservoirwirte dieser seltenen Genotypen dienen könnten. Zum ersten Mal wurde in Westafrika der Genotyp 2F von M. leprae entdeckt, der hauptsächlich im Mittelalter in Europa zirkulierte. Der Nachweis von 2F in einer Region, die vom Genotype 4 M. leprae dominiert wird, stellt das aktuelle Verständnis in Frage, dass die Infektion in NHPs das Ergebnis einer Übertragung vom Menschen waren. Abschließend ist inzwischen evident, dass M. leprae nicht nur ein menschlicher Erreger ist, da auch rote Eichhörnchen, Gürteltiere und NHPs auf natürlichem Wege infiziert werden können. Somit könnten Untersuchungen über die Rolle dieser Tiere als Reservoirwirte bei der Ökologie der Leprakrankheit nützlich sein, um Strategien für die Leprabekämpfung zu entwickeln.