microbeПроблемы особо опасных инфекцийProblems of Particularly Dangerous Infections0370-10692658-719XRussian Research Anti-Plague Institute “Microbe”10.21055/0370-1069-2020-1-115-123microbe-1288Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИORIGINAL ARTICLESФилогенетическое положение и особенности структуры геномов ctxAB– tcpA+ Vibrio cholerae из поверхностных водоемов на неэндемичной по холере территорииPhylogenetic Affinity and Genome Structure Features of ctxAB– tcpA+ Vibrio cholerae from the Surface Waterbodies in the Territory that is Non-Endemic as Regards CholeraМироноваЛ. В.MironovaL. V.

Миронова Лилия Валерьевна

Lilia V. Mironova

mironova-lv@yandex.ruБочалгинН. О.BochalginN. O.ГладкихА. С.GladkikhA. S.ФеранчукС. И.FeranchukS. I.ПономареваА. С.PonomarevaA. S.БалахоновС. В.BalakhonovS. V.ФКУЗ «Иркутский научно-исследовательский противочумный институт Сибири и Дальнего Востока»РоссияIrkutsk Research Anti-Plague Institute of Siberia and Far EastRussian Federation20202104202001115123Copyright © Миронова Л.В., Бочалгин Н.О., Гладких А.С., Феранчук С.И., Пономарева А.С., Балахонов С.В., 20202020Миронова Л.В., Бочалгин Н.О., Гладких А.С., Феранчук С.И., Пономарева А.С., Балахонов С.В.Mironova L.V., Bochalgin N.O., Gladkikh A.S., Feranchuk S.I., Ponomareva A.S., Balakhonov S.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/1288

Цель – анализ происхождения ctxAB– tcpA+ Vibrio cholerae О1 El Tor из поверхностных водоемов на неэндемичной по холере территории, а также их филогенетического родства с различными по эпидемической значимости группами штаммов на основе исследования структуры генов жизнеобеспечения и полных геномов. Материалы и методы. В исследование включено 25 штаммов V. cholerae, выделенных в Сибири и на Дальнем Востоке, в том числе два ctxAB– tcpA+ штамма из поверхностных водоемов (Алтайский край, 2011 г.; Хабаровский край, 2013 г.). Для филогенетического анализа использованы геномы 36 штаммов V. cholerae из GenBank. MLST проводилось по генам dnaE, cat, lap, pgm, recA, gyrB, chi, MLST in silico – по генам adk, gyrB, metE, mdh, pntA, purM, pyrC. Реконструкция филогении осуществлялась на основании анализа SNP в геномах V. cholerae с использованием программы PhyML 3.0. Результаты и обсуждение. При MLST ctxAB– tcpA+ V. cholerae О1 El Tor из поверхностных водоемов формируют самостоятельный генотип в группе токсигенных штаммов и спонтанных мутантов токсигенных штаммов. В in silico MLST ctxAB– tcpA+ изоляты демонстрируют принадлежность к SТ75, характерному для US Gulf филогенетической линии. При SNP-типировании штаммы ctxAB– tcpA+ из поверхностных водоемов вошли в группу, основание которой представлено US Gulf V. cholerae, а изолят из Хабаровска (2013 г.) демонстрирует высокий уровень гомологии генома с US Gulf-подобным штаммом, выделенным в Китае (2009 г.). Установлена идентичность организации острова патогенности VPI-1 у штаммов из Хабаровска и Китая, а также наличие у них острова пандемичности VSP-I. Результаты свидетельствуют о принадлежности ctxAB– tcpA+ V. cholerae из поверхностных водоемов Сибири и Дальнего Востока к US Gulf филогенетической линии и, в совокупности с данными эпидемиологического анализа, позволяют судить об их завозном происхождении.

Objective is analyzing the origin of the ctxAB– tcpA+ Vibrio cholerae О1 El Tor strains isolated from the surface water bodies in the territory that is non-endemic of cholera; as well as investigating their phylogenetic relations to varying by epidemic significance groups of strains, based on the structure of housekeeping genes and whole genome structure. Materials and methods: we examined 25 V. cholerae strains, isolated in Siberia and Far East, including two ctxAB– tcpA+ strains from surface water sources (Altai Territory, 2011; Khabarovsk Territory, 2013). Phylogenetic analysis included genomes of 36 V. cholerae strains from GenBank. Multilocus sequence typing (MLST) was carried out based on dnaE, cat, lap, pgm, recA, gyrB, and chi genes; in silico MLST – adk, gyrB, metE, mdh, pntA, purM and pyrC genes. Reconstruction of phylogeny was performed based on the comparative analysis of core genome SNPs in PhyML 3.0. Results and discussion. MLST of ctxAB– tcpA+ V. cholerae О1 El Tor strains from the surface water bodies revealed that such strains form an individual genotype in the cluster of toxigenic strains and spontaneous mutants of toxigenic strains. According to results of in silico MLST, ctxAB– tcpA+ isolates belong to SТ75, common to US Gulf phylogenetic line. Based on SNP-typing, ctxAB– tcpA+ strains from the surface water sources were assigned to the group, originating from US Gulf V. cholerae, moreover isolate from Khabarovsk (2013) demonstrated high degree of genome homology with US Gulf-like strain from China (2009). For strains from Khabarovsk and China, we also showed the compositional identity of the pathogenicity island VPI-I and the presence of pandemicity island, VSP-1. The results testify to the fact that ctxAB– tcpA+ V. cholerae strains, isolated in Siberia and Far East, originate from the US Gulf phylogenetic line. Furthermore, taking into account the results of epidemiological analysis, we can deduce that these strains are imported ones.

Vibrio choleraeмультилокусное сиквенс-типированиеполногеномное секвенированиефилогенетический анализVibrio choleraemultilocus sequence typingwhole genome sequencingphylogenetic analysisReferencesБельский В.А., Калуцкий П.В., Киселева В.В., Шаталова Е.В., Закарян Л.М. Гетерогенность микробных популяций. М: ООО «Медицинское информационное агентство»; 2008. 160 с.Bel’sky V.A., Kalutsky P.V., Kiseleva V.V., Shatalova E.V., Zakaryan L.M. [Heterogeneity of microbial populations]. M.: «Medical Information Agency» LLC; 2008. 160 p.Северцов A.C. Внутривидовое разнообразие как причина эволюционной стабильности. Русский орнитологический журнал. 2014; 23(1072):3659–73.Severtsov A.S. [Intraspecific diversity as a cause of evo- lutional stability]. Russian Ornithological Journal [Rossiisky Ornitologichesky Zhurnal]. 2014; 23(1072):3659–73.Ramamurthy T., Mutreja A., Weill F.X., Das B., Ghosh A., Nair G.B. Revisiting the global epidemiology of cholera in conjuc- tion with the genomics of Vibrio cholerae. Front Public Health. 2019; 23(7):203. DOI: 10.3389/fpubh.2019.00203.Ramamurthy T., Mutreja A., Weill F.X., Das B., Ghosh A., Nair G.B. Revisiting the global epidemiology of cholera in conjuc- tion with the genomics of Vibrio cholerae. Front Public Health. 2019; 23(7):203. DOI: 10.3389/fpubh.2019.00203.Kim E.J., Lee C.H., Nair G.B., Kim D.W. Whole-genome sequence comparisons reveal the evolution of Vibrio chole¬ rae O1. Trends Microbiol. 2015; 23(8):479–89. DOI: 10.1016/j. tim.2015.03.010.Kim E.J., Lee C.H., Nair G.B., Kim D.W. Whole-genome sequence comparisons reveal the evolution of Vibrio choler- ae O1. Trends Microbiol. 2015; 23(8):479–89. DOI: 10.1016/j. tim.2015.03.010.Sjölund-Karlsson M., Reimer A., Folster J.P., Walker M., Dahourou G.A., Batra D.G., Martin I., Joyce K., Parsons M.B., Boncy J., Whichard J.M., Gilmour M.W. Drug-resistance mechanisms in Vibrio cholerae O1 outbreak strain, Haiti, 2010. Emerg. Infect. Dis. 2011; 17(11):2151–4. DOI: 10.3201/eid1711.110720.Sjölund-Karlsson M., Reimer A., Folster J.P., Walker M., Dahourou G.A., Batra D.G., Martin I., Joyce K., Parsons M.B., Boncy J., Whichard J.M., Gilmour M.W. Drug-resistance mechanisms in Vibrio cholerae O1 outbreak strain, Haiti, 2010. Emerg. Infect. Dis. 2011; 17(11):2151–4. DOI: 10.3201/eid1711.110720.Taviani E., Grim C.J., Choi J., Chun J., Haley B., Hasan N.A., Huq A., Colwell R.R. Discovery of novel Vibrio cholerae VSP-II genomic islands using comparative genomic analysis. FEMS Microbiol. Lett. 2010; 308(2):130–7. DOI: 10.1111/j.1574-6968.2010.02008.x.Taviani E., Grim C.J., Choi J., Chun J., Haley B., Hasan N.A., Huq A., Colwell R.R. Discovery of novel Vibrio cholerae VSP-II genomic islands using comparative genomic analysis. FEMS Microbiol. Lett. 2010; 308(2):130–7. DOI: 10.1111/j.1574-6968 .2010.02008.x.Онищенко Г.Г., Ломов Ю.М., Москвитина Э.А., Подосинникова Л.С., Водяницкая С.Ю., Прометной В.И., Монахова Е.В., Водопьянов С.О., Телесманич Н.Р., Дудина Н.А. Холера, обусловленная V. cholerae O1 ctxАВ– tcpA+. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2007; 1:23–9.Onishchenko G.G., Lomov Yu.M., Moskvitina E.A., Podosinnikova L.S., Vodyanitskaya S.Yu., Prometnoy V.I., Monakhova E.V., Vodopyanov S.O., Telesmanich N.R., Dudina N.A. [Cholera caused by Vibrio cholerae O1 ctxAB tcpA+]. Journal of Microbiology, Epidemiology and Immunobiology [Zhurnal Mikrobiologii, Epidemiologii i Immunobiologii]. 2007; 1:23–9.Онищенко Г.Г., Попова А.Ю., Кутырев В.В., Смиронова Н.И., Щербакова С.А., Москвитина Э.А., Титова С.В. Актуальные проблемы эпидемиологического надзора, лабораторной диагностики и профилактики холеры в Российской Федерации. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2016; 1:89– 101. DOI: 10.36233/0372-9311-2016-1-89-101.Onischenko G.G., Popova A.Yu., Kutyrev V.V., Smirnova N.I., Shcherbakova S.A., Moskvitina E.A., Titova S.V. [Actual prob- lems of epidemiologic control, laboratory diagnostics and prophy- laxis of cholera in Russian Federation]. Journal of Microbiology, Epidemiology and Immunobiology [Zhurnal Mikrobiologii, Epidemiologii i Immunobiologii]. 2016; 1:89–101. DOI: 10.36233/0372-9311-2016-1-89-101.Гриднева Л.Г., Мусатов Ю.С., Громова Т.В., Пуховская Н.М., Белозерова Н.Б., Уткина О.М., Иванов Л.И., Ковальский А.Г., Миронова Л.В., Куликалова Е.С., Хунхеева Ж.Ю., Балахонов С.В. Результаты мониторинга и биологические свойства холерных вибрионов, изолированных из объектов окружающей среды на территории Хабаровского края. Проблемы особо опасных инфекций. 2014; 1:121–4. DOI: 10.21055/0370- 1069-2014-1-121-124.Gridneva L.G., Musatov Y.S., Gromova T.V., Pukhovskaya N.M., Belozerova N.B., Utkina O.M., Ivanov L.I., Koval’Sky A.G., Mironova L.V., Kulikalova E.S., Khunkheeva Z.Y., Balakhonov S.V. [Results of Monitoring over and Biological Properties of Vibrio cholerae Isolated from Ambient Environment Objects in the Khabarovsk Territory]. Problemy Osobo Opasnykh Infektsii [Problems of Particularly Dangerous Infections]. 2014; 1:121–4. DOI: 10.21055/0370-1069-2014-1-121-124.Смирнова Н.И., Кульшань Т.А., Баранихина Е.Ю., Краснов Я.М., Агафонов Д.А., Кутырев В.В. Структура генома и происхождение нетоксигенных штаммов Vibrio cholerae биовара Эль Тор с различной эпидемиологической значимостью. Генетика. 2016; 52(9):1029–41. DOI: 10.7868/ S0016675816060126.Smirnova N.I., Kul’shan’ T.A., Baranikhina E.Y., Krasnov Y.M., Agafonov D.A., Kutyrev V.V. [Genome structure and origin of non-toxigenic strains of Vibrio cholerae of El Tor biovar with different epidemiological significance]. Genatika [Genetics]. 2016; 52(9):1029–41. DOI: 10.7868/S0016675816060126.Hu D., Liu B., Feng L., Ding P., Guo X., Wang M., Cao B., Reeves P.R., Wang L. Origins of the current seventh cholera pan- demic. Proc. Natl. Acad. Sci. U S A. 2016; 113(48): E7730-E7739. DOI: 10.1073/pnas.1608732113.Hu D., Liu B., Feng L., Ding P., Guo X., Wang M., Cao B., Reeves P.R., Wang L. Origins of the current seventh cholera pan- demic. Proc. Natl. Acad. Sci. U S A. 2016; 113(48): E7730-E7739. DOI: 10.1073/pnas.1608732113.Didelot X., Pang B., Zhou Z., McCann A., Ni P., Li D., Achtman M., Kan B. The role of China in the global spread of the current cholera pandemic. PLoS Genet. 2015; 11(3):e1005072. DOI: 10.1371/journal.pgen.1005072.Didelot X., Pang B., Zhou Z., McCann A., Ni P., Li D., Achtman M., Kan B. The role of China in the global spread of the current cholera pandemic. PLoS Genet. 2015; 11(3):e1005072. DOI: 10.1371/journal.pgen.1005072.Mutreja A., Kim D.W., Thomson N.R., Connor T.R., Lee J.H., Kariuki S., Croucher N.J., Choi S.Y., Harris S.R., Lebens M., Niyogi S.K., Kim E.J., Ramamurthy T., Chun J., Wood J.L., Clemens J.D., Czerkinsky C., Nair G.B., Holmgren J., Parkhill J., Dougan G. Evidence for several waves of global transmission in the seventh cholera pandemic. Nature. 2011; 477(7365):462–5. DOI: 10.1038/nature10392.Mutreja A., Kim D.W., Thomson N.R., Connor T.R., Lee J.H., Kariuki S., Croucher N.J., Choi S.Y., Harris S.R., Lebens M., Niyogi S.K., Kim E.J., Ramamurthy T., Chun J., Wood J.L., Clemens J.D., Czerkinsky C., Nair G.B., Holmgren J., Parkhill J., Dougan G. Evidence for several waves of global transmission in the seventh cholera pandemic. Nature. 2011; 477(7365):462–5. DOI: 10.1038/ nature10392.Luo Y., Octavia S., Jin D., Ye J., Miao Z., Jiang T., Xia S., Lan R. US Gulf-like toxigenic O1 Vibrio cholerae causing spo- radic cholera outbreaks in China. J. Infect. 2016; 72(5):564–72. DOI: 10.1016/j.jinf.2016.02.005.Luo Y., Octavia S., Jin D., Ye J., Miao Z., Jiang T., Xia S., Lan R. US Gulf-like toxigenic O1 Vibrio cholerae causing spo- radic cholera outbreaks in China. J. Infect. 2016; 72(5):564–72. DOI: 10.1016/j.jinf.2016.02.005.Garg P., Aydanian A., Smith D., J Glenn M.Jr., Nair G.B., Stine O.C. Molecular epidemiology of O139 Vibrio cholerae: mu- tation, lateral gene transfer, and founder flush. Emerg. Infect. Dis. 2003; 9(7):810–4. DOI: 10.3201/eid0907.030038.Garg P., Aydanian A., Smith D., J Glenn M.Jr., Nair G.B., Stine O.C. Molecular epidemiology of O139 Vibrio cholerae: mu- tation, lateral gene transfer, and founder flush. Emerg. Infect. Dis. 2003; 9(7):810–4. DOI: 10.3201/eid0907.030038.Octavia S., Salim A., Kurniawan J., Lam C., Leung Q., Ahsan S., Reeves P.R., Nair G.B., Lan R. Population structure and evolution of non-O1/non-O139 Vibrio cholerae by multilocus se- quence typing. PLoS One. 2013; 8(6):e65342. DOI: 10.1371/journal.pone.0065342.Octavia S., Salim A., Kurniawan J., Lam C., Leung Q., Ahsan S., Reeves P.R., Nair G.B., Lan R. Population structure and evolution of non-O1/non-O139 Vibrio cholerae by multilocus se- quence typing. PLoS One. 2013; 8(6):e65342. DOI: 10.1371/journal. pone.0065342.Zankari E., Hasman H., Cosentino S., Vestergaard M., Rasmussen S., Lund O., Aarestrup F.M., Larsen M.V. Identification of acquired antimicrobial resistance genes. J. Antimicrob. Chemother. 2012; 67(11):2640–4. DOI: 10.1093/jac/dks261.Zankari E., Hasman H., Cosentino S., Vestergaard M., Rasmussen S., Lund O., Aarestrup F.M., Larsen M.V. Identification of acquired antimicrobial resistance genes. J. Antimicrob. Chemother. 2012; 67(11):2640–4. DOI: 10.1093/jac/dks261.Миронова Л.В., Афанасьев М.В., Гольдапель Э.Г., Балахонов С.В. Мультилокусное сиквенс-типирование штаммов Vibrio cholerae разной эпидемической значимости. Молекулярная генетика, микробиология и вирусология. 2015; 33(2):26–32Mironova L.V., Afanas’ev M.V., Goldapel E.G., Balakhonov S.V. [Multilocus sequence typing of Vibrio cholerae strains with differing pandemic importance]. Molekularnaya Genetika, Mikrobiologiya i Virusologiya [Molecular Genetics, Microbiology and Virology]. 2015; 33(2):26–32.Siriphap A., Leekitcharoenphon P., Kaas R.S., Theethakaew C., Aarestrup F.M., Sutheinkul O., Hendriksen R.S. Characterization and genetic variation of Vibrio cholerae isolated from clinical and environmental sources in Thailand. PLoS One. 2017; 12(1):e0169324. DOI: 10.1371/journal.pone.0169324.Siriphap A., Leekitcharoenphon P., Kaas R.S., Theethakaew C., Aarestrup F.M., Sutheinkul O., Hendriksen R.S. Characterization and genetic variation of Vibrio cholerae isolated from clinical and en- vironmental sources in Thailand. PLoS One. 2017; 12(1):e0169324. DOI: 10.1371/journal.pone.0169324.Tay C.Y., Reeves P.R., Lan R. Importation of the major pilin TcpA gene and frequent recombination drive the divergence of the Vibrio pathogenicity island in Vibrio cholerae. FEMS Microbiol. Lett. 2008; 289(2):210–8. DOI: 10.1111/j.1574-6968.2008.01385.x.Tay C.Y., Reeves P.R., Lan R. Importation of the major pi- lin TcpA gene and frequent recombination drive the divergence of the Vibrio pathogenicity island in Vibrio cholerae. FEMS Microbiol. Lett. 2008; 289(2):210–8. DOI: 10.1111/j.1574-6968.2008.01385.x.

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