microbeПроблемы особо опасных инфекцийProblems of Particularly Dangerous Infections0370-10692658-719XRussian Research Anti-Plague Institute “Microbe”10.21055/0370-1069-2019-2-55-61microbe-1149Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИORIGINAL ARTICLESФилогенетический анализ штаммов Yersinia pestis средневекового биовара, выделенных в Прикаспийском Северо-Западном степном очаге чумы в XX столетииPhylogenetic Analysis of Yersinia pestis Strains of Medieval Biovar, Isolated in Precaspian North-Western Steppe Plague Focus in the XX CenturyЕрошенкоГ. А.EroshenkoG. A.

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

rusrapi@microbe.ruПоповН. В.PopovN. V.

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

rusrapi@microbe.ruАльховаЖ. В.Al’khovaZh. V.

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

rusrapi@microbe.ruБалыковаА. Н.BalykovaA. N.

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

rusrapi@microbe.ruКуклеваЛ. М.KuklevaL. M.

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

rusrapi@microbe.ruКутыревВ. В.KutyrevV. V.

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

rusrapi@microbe.ruФКУЗ «Российский научно-исследовательский противочумный институт «Микроб»РоссияRussian Research Anti-Plague Institute “Microbe”Russian Federation201902072019025561Copyright © Ерошенко Г.А., Попов Н.В., Альхова Ж.В., Балыкова А.Н., Куклева Л.М., Кутырев В.В., 20192019Ерошенко Г.А., Попов Н.В., Альхова Ж.В., Балыкова А.Н., Куклева Л.М., Кутырев В.В.Eroshenko G.A., Popov N.V., Al’khova Z.V., Balykova A.N., Kukleva L.M., Kutyrev V.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://journal.microbe.ru/jour/article/view/1149Цель работы

Цель работы. Выполнение сравнительного филогенетического анализа штаммов Yersinia pestis, выделенных в Прикаспийском Северо-Западном степном очаге в 1924–1926 гг., 1972 г. и в 1986–1990 гг., для выяснения причин его реактивизации в различные периоды XX в.

Материалы и методы

Материалы и методы. В работе использованы 30 штаммов Y. pestis из Прикаспийского Северо-Западного степного природного очага и сопредельных очагов чумы. Проведено полногеномное секвенирование восьми штаммов Y. pestis из этого очага, а также использованы полногеномные последовательности еще 16 штаммов из сопредельных природных очагов. Полногеномное секвенирование штаммов Y. pestis выполняли в Ion PGM system (Life technologies). Поиск SNPs в коровом геноме проводили с использованием программы Wombac 2.0. Для анализа филогенетических связей штаммов строили дендрограмму Maximum Likelihood, модель HKY85.

Результаты и обсуждение

Результаты и обсуждение. Установлено, что в начале XX в. (1924–1926 гг.) на Ергенинской возвышенности в Прикаспийском Северо-Западном степном природном очаге циркулировали штаммы филогенетических ветвей 2.MED4 и 2.MED1 средневекового биовара основного подвида, которые в дальнейшем исчезли с этой территории. Показано, что штаммы, полученные на Ергенинской возвышенности в 1972 г., составили единый подкластер дендрограммы со штаммами из низкогорных и предгорных очагов чумы Кавказа и Закавказья этого же временного периода. Сделан вывод о том, что эпизоотические проявления на Ергенинской возвышенности в 1972 г., после длительного перерыва с 1938 г., вызваны заносом штаммов Y. pestis из низкогорных природных очагов чумы Кавказа и Закавказья. Отмечено, что «экспансия» кавказских штаммов носила кратковременный характер, и с 1974 г. (включая и современный период) зараженных чумой животных на Ергенинской возвышенности не регистрировали. Определено, что штаммы Y. pestis, выделенные в 1986–1990 гг. в восточной части Прикаспийского Северо-Западного степного очага, не имеют близкого генетического родства со штаммами, циркулировавшими на Ергенинской возвышенности в 1924–1926 гг. и 1972 г. Установлено, что каждый эпизоотический период (1913–1938 гг. и 1972–1973 гг.) в Прикаспийском Северо-Западном степном природном очаге завершался элиминацией циркулирующих штаммов Y. pestis и оздоровлением очаговой территории. 

Objective of the study – comparative phylogenetic analysis of Yersinia pestis strains, isolated in Precaspian North-Western steppe focus in 1924–1926, 1972, and 1986–1990 to understand the causes of focal reactivation during different time periods of the XX century.

Materials and methods

Materials and methods. The work included 30 strains of Yersinia pestis from Precaspian North-Western steppe natural focus and adjacent plague foci. Whole genome sequencing of eight Y. pestis strains from the former was carried out. Also whole-genome sequences of 16 strains from neighboring natural foci were used. Whole-genome sequencing of Y. pestis strains was conducted in Ion PGM system (Life technologies). SNPs search across the core genome was performed using software package Wombac 2.0. Tree diagram Maximum Likelihood, HKU85 model, was constructed to analyze phylogenetic relations.

Results and discussion

Results and discussion. It is established that in early XX century (1924–1926), strains of phylogenetic branches 2.MED4 and 2.MED1, belonging to medieval biovar, main subspecies, circulated on Ergenin Upland in the Precaspian North-Western steppe natural focus. Later on they became extinct in the territory. It is shown that the strains, isolated on Ergenin Upland in 1972, constituted a common subcluster on the dendrogram with the strains from low-mountain and piedmont plague foci of Caucasus and Transcaucasia, dated the same time period. It was inferred that epizootic manifestations on Ergenin upland in 1972, after a long recess since 1938, were caused by importation of Y. pestis strains from low-mountain natural plague foci of Caucasus and Transcaucasia. It was noted that expansion of Caucasian strains was of short-term character, and plague infected animals have not been found on Ergenin Upland since 1974 (including modern period). It is established that Y. pestis strains isolated in the eastern part of Precaspian North-Western steppe focus between 1986 and 1990, do not have close genetic relation to the strains that circulated on Ergenin Upland in 1924–1926 and 1972. It is determined that each epizootic period (1913–1938 and 1972–1973) in Precaspian North-Western steppe natural focus culminated in the elimination of the circulating Y. pestis strains and rehabilitation of the focal territory. 

штаммы Y. pestisПрикаспийский Северо-Западный степной очагфилогенетический анализреактивизация очагаY. pestis strainsPrecaspian North-Western steppe natural focusphylogenetic analysisreactivation of the focusReferencesОнищенко Г.Г., Кутырев В.В., редакторы. Природные очаги чумы Кавказа, Прикаспия, Средней Азии и Сибири. М.: Медицина; 2004. 192 c.Onishchenko G.G., Kutyrev V.V., editors. [Natural Plague Foci in the Territory of Caucasus, Caspian-Sea Region, Central Asia, and Siberia]. M.: “Meditsina”; 2004. 192 p.Попов Н.В. Дискретность – основная пространственновременная особенность проявлений чумы в очагах сусликового типа. Саратов: Изд-во СГУ; 2002. 189 c.Popov N.V. [Discreteness – main spatial-temporal feature of plague manifestations in the foci of souslik type]. Saratov: Saratov State University Publishing House; 2002. 189 p.Gage K.L., Kosoy M.Y. Natural history of plague: perspective from more than a century of research. Annu. Rev. Entomol. 2005; 50:505–28. DOI: 10.1146/annurev.ento.50.071803.130337Gage K.L., Kosoy M.Y. Natural history of plague: perspective from more than a century of research. Annu. Rev. Entomol. 2005; 50:505–28. DOI: 10.1146/annurev.ento.50.071803.130337Бочарников О.Н., Карпузиди К.С., Климченко И.З., ТерВартанов В.Н., Тинкер И.С., Шишкин А.К., Ширяев Д.Т. Опыт работ по ликвидации энзоотии чумы в очаге Северо-Западного Прикаспия. В кн.: Природная очаговость и эпидемиология особо опасных инфекционных заболеваний. Саратов; 1959. С. 235–46.Bocharnikov O.N., Karpuzidi K.S., Klimchenko I.Z., TerVartanov V.N., Tinker I,S., Shishkin A.K., Shiryaev D.T. [Experience in eradication of plague epizooty in the Precaspian North-Western Focus]. In: [Natural Focality and Epidemiology of Particularly Dangerous Infectious Diseases]. Saratov; 1959. P. 235–46.Калабухов Н.И. Явление длительных перерывов эпизоотической активности природных очагов чумы и его вероятные причины. Зоологический журнал. 1969; 48:165–75.Kalabukhov N.I. [Phenomenon of long-term recesses in epizootic activity of natural plague foci and its possible causes]. Zoologichesky Zhurnal [Zoological Journal]. 1969; 48: 165–175.Лавровский А.А., Варшавский С.Н., Герасимова Н.Г. и др. Эпизоотии чумы среди малых сусликов в природном очаге Северо-Западного Прикаспия в 1972–1973 гг. Проблемы особо опасных инфекций. 1974; 3:5–17.Lavrovsky A.A., Varshavsky S.N., Gerasimova N.G., et all. [Plague epizooties among the little souslik in natural Precaspian North-Western Focus in 1972–1973]. Problemy Osobo Opasnykh Infektsii [Problems of Particularly Dangerous Infections]. 1974; 3:5–17.Devignat R. Variétés de l'espèce Pasteurella pestis. Nouvelle hypothèse. Bull. World Health Organ. 1951; 4(2):241–63. PMCID: PMC2554099. PMID: 14859080.Devignat R. Variétés de l’espèce Pasteurella pestis. Nouvelle hypothèse. Bull. World Health Organ. 1951; 4(2):241–63. PMCID: PMC2554099. PMID: 14859080.Achtman M., Zurth K., Morelli G., Torrea G., Guiyoule A., Carniel E. Yersinia pestis, the cause of plague, is a recently emerged clone of Yersinia pseudotuberculosis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1999; 96(24):14043–8. DOI: 10.1073/pnas.96.24.14043.Achtman M., Zurth K., Morelli G., Torrea G., Guiyoule A., Carniel E. Yersinia pestis, the cause of plague, is a recently emerged clone of Yersinia pseudotuberculosis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1999; 96(24):14043–8. DOI: 10.1073/pnas.96.24.14043.Li Y., Cui Y., Hauck Y., Platonov M.E., Dai E., Song Y., Guo Z., Pourcel C., Dentovskaya S.V., Anisimov A.P., Yang R., Vergnaud G.. Genotyping and phylogenetic analysis of Yersinia pestis by MLVA: Insights into the worldwide expansion of Central Asia plague foci. PloS ONE. 2009; 4(6):e6000. DOI: 10.1371/journal.pone.0006000.Li Y., Cui Y., Hauck Y., Platonov M.E., Dai E., Song Y., Guo Z., Pourcel C., Dentovskaya S.V., Anisimov A.P., Yang R., Vergnaud G.. Genotyping and phylogenetic analysis of Yersinia pestis by MLVA: Insights into the worldwide expansion of Central Asia plague foci. PloS ONE. 2009; 4(6):e6000. DOI: 10.1371/journal.pone.0006000.Morelli G., Song Y., Mazzoni C.J., Eppinger M., Roumagnac P., Wagner D.M., Feldkamp M., Kusecek B., Vogler A.J., Li Y., Cui Y., Thomson N.R., Jombart T., Leblois R., Lichtner P., Rahalison L., Petersen J.M., Balloux F., Keim P., Wirth T., Ravel J., Yang R., Carniel E., Achtman M. Yersinia pestis genome sequencing identifies patterns of global phylogenetic diversity. Nat. Genet. 2010; 42(12):1140–3. DOI: 10.1038/ng.705.Morelli G., Song Y., Mazzoni C.J., Eppinger M., Roumagnac P., Wagner D.M., Feldkamp M., Kusecek B., Vogler A.J., Li Y., Cui Y., Thomson N.R., Jombart T., Leblois R., Lichtner P., Rahalison L., Petersen J.M., Balloux F., Keim P., Wirth T., Ravel J., Yang R., Carniel E., Achtman M. Yersinia pestis genome sequencing identifies patterns of global phylogenetic diversity. Nat. Genet. 2010; 42(12):1140–3. DOI: 10.1038/ng.705.Cui Y., Yu C., Yan Y., Li D., Li Y., JombartT., Weinert L.A., Wang Z., Guo Z., Xu L., Zhang Y., Zheng H., Qin N., Xiao X., Wu M., Wang X., Zhou D., Qi Z., Du Z., Wu H., Yang X., Cao H., Wang H., Wang J., Yao S., Rakin A., Li Y., Falush D., Balloux F., Achtman M., Song Y., Wang J., Yang R. Historical variations in mutation rate in an epidemic pathogen, Yersinia pestis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2013; 110(2):577–82. DOI: 10.1073/pnas.1205750110.Cui Y., Yu C., Yan Y., Li D., Li Y., JombartT., Weinert L.A., Wang Z., Guo Z., Xu L., Zhang Y., Zheng H., Qin N., Xiao X., Wu M., Wang X., Zhou D., Qi Z., Du Z., Wu H., Yang X., Cao H., Wang H., Wang J., Yao S., Rakin A., Li Y., Falush D., Balloux F., Achtman M., Song Y., Wang J., Yang R. Historical variations in mutation rate in an epidemic pathogen, Yersinia pestis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2013; 110(2):577–82. DOI: 10.1073/pnas.1205750110.Kutyrev V.V., Eroshenko G.A., Motin V.L., Nosov N.Y., Krasnov J.M., Kukleva L.M., Nikiforov K.A., Al’hova J.V., Oglodin E.G., Guseva N.P. Phylogeny and classification of Yersinia pestis through the lens of strains from the plague foci of Commonwealth of Independent States. Front. Microbiol. 2018; 9:1106. DOI: 10.3389/fmicb.2018.01106.Kutyrev V.V., Eroshenko G.A., Motin V.L., Nosov N.Y., Krasnov J.M., Kukleva L.M., Nikiforov K.A., Al’hova J.V., Oglodin E.G., Guseva N.P. Phylogeny and classification of Yersinia pestis through the lens of strains from the plague foci of Commonwealth of Independent States. Front. Microbiol. 2018; 9:1106. DOI: 10.3389/fmicb.2018.01106.Demeure C.E., Dussurget O., Fiol G.M., Le Guern A.-S., Savin C., Pizarro-Cerdá J. Yersinia pestis and plague: an updated view on evolution, virulence determinants, immune subversion, vaccination, and diagnostics. Genes Immun. 20(5):357–70. DOI: 10.1038/s41435-019-0065-0.Demeure C.E., Dussurget O., Fiol G.M., Le Guern A.-S., Savin C., Pizarro-Cerdá J. Yersinia pestis and plague: an updated view on evolution, virulence determinants, immune subversion, vaccination, and diagnostics. Genes Immun. 20(5):357–70. DOI: 10.1038/s41435-019-0065-0.Spyrou M. A., Tukhbatova, R. I., Feldman, M., Drath, J., Kacki, S., Beltrán de Heredia J., Arnold S., Sitdikov A.G., Castex D., Wahl J., Gazimzyanov I.R., Nurgaliev D.K., Herbig A., Bos K.I., Krause J. Historical Y. pestis genomes reveal the European Black Death as the source of ancient and modern plague pandemics. Cell Host Microbe. 2016; 19(6):874–81. DOI: 10.1016/j.chom.2016.05.012.Spyrou M. A., Tukhbatova, R. I., Feldman, M., Drath, J., Kacki, S., Beltrán de Heredia J., Arnold S., Sitdikov A.G., Castex D., Wahl J., Gazimzyanov I.R., Nurgaliev D.K., Herbig A., Bos K.I., Krause J. Historical Y. pestis genomes reveal the European Black Death as the source of ancient and modern plague pandemics. Cell Host Microbe. 2016; 19(6):874–81. DOI: 10.1016/j. chom.2016.05.012.Seifert L., Wiechmann I., Harbeck M., Thomas A., Grupe G., Projahn M., Scholz H.C., Riehm J.M. Genotyping Yersinia pestis in historical plague: evidence for long-term persistence of Y. pestis in Europe from the 14th to the 17th century. PloS ONE. 2016; 11(1):e0145194. DOI: 10.1371/journal.pone.0145194.Seifert L., Wiechmann I., Harbeck M., Thomas A., Grupe G., Projahn M., Scholz H.C., Riehm J.M. Genotyping Yersinia pestis in historical plague: evidence for long-term persistence of Y. pestis in Europe from the 14th to the 17th century. PloS ONE. 2016; 11(1):e0145194. DOI: 10.1371/journal.pone.0145194.Bos K.I., Herbig A., Sahl J., Waglechner N., Fourment M., Forrest S.A., Klunk J., Schuenemann V.J., Poinar D., Kuch M., Golding G.B., Dutour O., Keim P., Wagner D.M., Holmes E.C., Krause J., Poinar H.N. Eighteenth century Yersinia pestis genomes reveal the long-term persistence of an historical plague focus. Elife. 2016; 5:e12994. DOI: 10.7554/eLife.12994.Bos K.I., Herbig A., Sahl J., Waglechner N., Fourment M., Forrest S.A., Klunk J., Schuenemann V.J., Poinar D., Kuch M., Golding G.B., Dutour O., Keim P., Wagner D.M., Holmes E.C., Krause J., Poinar H.N. Eighteenth century Yersinia pestis genomes reveal the long-term persistence of an historical plague focus. Elife. 2016; 5:e12994. DOI: 10.7554/eLife.12994.Жаринова Н.В., Брюханова Г.Д., Еременко Е.И., Брюханов А.Ф., Бейер А.П., Царева Н.С., Зайцев А.А. Свойства штаммов чумного микроба, циркулирующих в ЦентральноКавказском высокогорном природном очаге чумы. В кн.: Актуальные проблемы эпидемиологии и профилактики инфекционных болезней. Самара; 2004. Т. 2. С. 14.Zharinova N.V., Bryukhanova G.D., Eremenko E.I., Bryukhanov A.F., Beyer A.P., Tsareva N.S., Zaitsev A.A. [ Properties of plague microbe strains, circulating in Central-Caucasian highmountain natural plague focus]. In: [Relevant Issues of Epidemiology and Prophylaxis of Infectious Diseases]. Samara; 2004. Vol. 2. P. 14.Онищенко Г.Г., Кутырев В.В., редакторы. Лабораторная диагностика особо опасных инфекционных болезней. М.: ЗАО «Шико»; 2013. 560 c.Onishchenko G.G., Kutyrev V.V., editors. [Laboratory Diagnostics of Particularly Dangerous Infectious Diseases]. M.: “Shiko”; 2013. 560 p.Darriba D., Taboada G.L., Doallo R., Posada D. jModelTest 2: more models, new heuristics and parallel computing. Nature Methods. 2012; 9(8):772. DOI: 10.1038/nmeth.2109.Darriba D., Taboada G.L., Doallo R., Posada D. jModelTest 2: more models, new heuristics and parallel computing. Nature Methods. 2012; 9(8):772. DOI: 10.1038/nmeth.2109.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.