microbeПроблемы особо опасных инфекцийProblems of Particularly Dangerous Infections0370-10692658-719XRussian Research Anti-Plague Institute “Microbe”10.21055/0370-1069-2020-1-76-84microbe-1292Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИORIGINAL ARTICLESФилогеография штаммов Yersinia pestis ветви 0.ANT, выделенных в Тянь-Шане и Памиро-Алае в XX–XXI векахPhylogeny of Yersinia pestis Strains Belonging to 0.ANT Branch, Isolated in Tien-Shan and Pamir-Alay in XX–XXI CenturiesЕрошенкоГ. А.EroshenkoG. A.

Ерошенко Галина Александровна

Galina A. Eroshenko

rusrapi@microbe.ruДжапароваА. К.DzhaparovaA. K.ОглодинЕ. Г.OglodinE. G.АльховаЖ. В.Al’khovaZh. V.КуклеваЛ. М.KuklevaL. M.КузнецовА. А.KuznetsovA. A.КрасновЯ. М.KrasnovYa. M.АбдикаримовС. Т.AbdikarimovS. T.КутыревВ. В.KutyrevV. V.ФКУЗ «Российский научно-исследовательский противочумный институт «Микроб»РоссияRussian Research Anti-Plague Institute “Microbe”Russian FederationРеспубликанский центр карантинных и особо опасных инфекцийКыргызстанRepublican Center of Quarantine and Particularly Dangerous InfectionsKyrgyzstan202021042020017684Copyright © Ерошенко Г.А., Джапарова А.К., Оглодин Е.Г., Альхова Ж.В., Куклева Л.М., Кузнецов А.А., Краснов Я.М., Абдикаримов С.Т., Кутырев В.В., 20202020Ерошенко Г.А., Джапарова А.К., Оглодин Е.Г., Альхова Ж.В., Куклева Л.М., Кузнецов А.А., Краснов Я.М., Абдикаримов С.Т., Кутырев В.В.Eroshenko G.A., Dzhaparova A.K., Oglodin E.G., Al’khova Z.V., Kukleva L.M., Kuznetsov A.A., Krasnov Y.M., Abdikarimov S.T., 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/1292

Цель исследования – филогеографический анализ штаммов Yersinia pestis основного подвида античного биовара филогенетической ветви 0.ANT, выделенных в XX – начале XXI вв. в очагах Тянь-Шаня и Памиро-Алая, для выяснения закономерностей пространственно-временной циркуляции возбудителя чумы на территории этих очагов. Материалы и методы. Проведен полногеномный SNPs-анализ штаммов Y. pestis античного биовара, выделенных в природных очагах чумы Кыргызской Республики в 1928–2016 гг. Филогенетический анализ выполнен на основе 1646 выявленных коровых SNPs у 51 включенного в анализ штамма различных филогенетических линий. Построение филогенетического дерева проводили с использованием алгоритма Maximum Likelihood, программы PHYML, модели HKY85. Результаты и обсуждение. Все 29 исследованных штаммов Y. pestis, выделенных в 1928–2016 гг. в очагах Тянь-Шаня и Памиро-Алая, относились к филогенетическим ветвям 0.ANT3 и 0.ANT5 античного биовара основного подвида. Штаммы 0.ANT3 получены преимущественно в Аксайском и Алайском очагах, а штаммы 0.ANT5 – в Верхненарынском и Сарыджазском очагах Тянь-Шаня. Штаммов филогенетических ветвей 0.ANT1 и 0.ANT2 в очагах Кыргызской Республики не выявлено. По результатам полногеномного SNP-анализа штаммов Y. pestis, выделенных в XXI в., установлена их принадлежность к филогенетической ветви 0.ANT5. К этой же ветви относится штамм, полученный от человека (летальный случай) в Сарыджазском очаге чумы в 2013 г. Генетическая однородность современных штаммов ветви 0.ANT5 и их широкое распространение по территории Сарыджазского и Верхненарынского очагов свидетельствуют о расширении ареала этой популяции античного биовара и активизации очагов Тянь-Шаня, вызванных потеплением климата. Впервые секвенированы геномы штаммов Y. pestis ветви 0.ANT5, выделенных в XXI в., включая клинический штамм 2013 г. Получена полногеномная последовательность штамма Y. pestis ветви 0.ANT3, вызвавшего вспышку легочной чумы в Тянь-Шане в 1928 г.

Objective of the study was to conduct phylogenetic analysis of Yersinia pestis strains of the main subspecies, belonging to antique biovar, phylogenetic branch 0.ANT, isolated in XX – early XXI centuries in the foci of Tien-Shan and Pamir-Alay to identify the regularities of spatial-temporal circulation of plague agent in the territory of the foci. Materials and methods. We have carried out whole genome SNP-analysis of Y. pestis strains of antique biovar, isolated in natural foci of Kyrgyz Republic in 1928–2016. Phylogenetic investigation is based on 1646 identified core SNPs in 51 included in the analysis strains of different phylogenetic lines. Phylogenetic tree was constructed using Maximum Likelihood algorithm, PHYML software package, and HKY85 model. Results and discussion. All 29 studied Y. pestis strains isolated between 1928 and 2016 in the foci of Tien-Shan and Pamir-Alay fall under the phylogenetic branches 0.ANT3 and 0.ANT5 of antique biovar of the main subspecies. Strains of 0.ANT3 branch were collected predominantly in Aksay and Alay foci, while strains of 0. ANT5 – in Upper-Naryn and Sarydzhas foci of Tien-Shan. Strains of phylogenetic lines 0.ANT1 and 0.ANT2 were not found in the foci of Kyrgyz Republic. According to the results of whole genome SNP-analysis, Y. pestis strains isolated in the XXI century belong to phylogenetic branch 0.ANT5. This branch also comprises a strain obtained from a patient (lethal case) in Sarydzhas plague focus in 2013. Genetic homogeneity of the modern strains of 0.ANT5 branch and their wide dissemination testify to the extension of the areal of this population and activation of Tien-Shan foci, caused by climate warming. For the first time ever, genomes of Y. pestis 0.ANT5 branch, isolated in XXI century, including clinical strain dated 2013, have been sequenced. We have obtained the whole-genome sequence of Y. pestis strain, 0.ANT3 branch, which caused pneumonic plague outbreak in Tien-Shan in 1928.

возбудитель чумыштаммыфилогеографияочаги чумыYersinia pestisplague agentphylogeographystrainsplague fociYersinia pestisReferencesHarbeck M., Seifert L., Hänsch S., Wagner D.M., Birdsell D., Parise K.L., Wiechmann I., Grupe G., Thomas A., Keim P., Zöller L., Bramanti B., Riehm J.M., Scholz H.C. Yersinia pestis DNA from skeletal remains from the 6(th) century AD reveals insights into Justinianic plague. PLoS Pathog. 2013; 9(5):e1003349. DOI: 10.1371/journal.ppat.1003349.Harbeck M., Seifert L., Hänsch S., Wagner D.M., Birdsell D., Parise K.L., Wiechmann I., Grupe G., Thomas A., Keim P., Zöller L., Bramanti B., Riehm J.M., Scholz H.C. Yersinia pestis DNA from skeletal remains from the 6(th) century AD reveals insights into Justinianic plague. PLoS Pathog. 2013; 9(5):e1003349. DOI: 10.1371/journal.ppat.1003349.Wagner D.M., Klunk J., Harbeck M., Devault A., Waglechner N., Sahl J.W., Enk J., Birdsell D.N., Kuch M., Lumibao C., Poinar D., Pearson T., Fourment M., Golding B., Riehm J.M., Earn D.J.D., Dewitte S., Rouillard J.-M., Grupe G., Wiechmann I, Bliska J.B., Keim P.S., Scholz H.C., Holmes E.C., Poinar H. Yersinia pestis and the plague of Justinian 541–543 AD: a genomic analysis. Lancet Infect Dis. 2014; 14(4):319–26. DOI: 10.1016/S1473-3099(13)70323-2.Wagner D.M., Klunk J., Harbeck M., Devault A., Waglechner N., Sahl J.W., Enk J., Birdsell D.N., Kuch M., Lumibao C., Poinar D., Pearson T., Fourment M., Golding B., Riehm J.M., Earn D.J.D., Dewitte S., Rouillard J.-M., Grupe G., Wiechmann I, Bliska J.B., Keim P.S., Scholz H.C., Holmes E.C., Poinar H. Yersinia pestis and the plague of Justinian 541–543 AD: a genomic analysis. Lancet Infect Dis. 2014; 14(4):319–26. DOI: 10.1016/S1473-3099(13)70323-2.Feldman M., Harbeck M., Keller M., Spyrou M.A., Rott A., Trautmann B., Scholz H.C., Päffgen B., Peters J., McCormick M., Bos K., Herbig A., Krause J. A high-coverage Yersinia pestis genome from a sixth-century Justinianic Plague victim. Mol. Biol. Evol. 2016; 33:2911– 23. DOI: 10.1093/molbev/msw170.Feldman M., Harbeck M., Keller M., Spyrou M.A., Rott A., Trautmann B., Scholz H.C., Päffgen B., Peters J., McCormick M., Bos K., Herbig A., Krause J. A high-coverage Yersinia pestis genome from a sixth-century Justinianic Plague victim. Mol. Biol. Evol. 2016; 33:2911– 23. DOI: 10.1093/molbev/msw170.Keller M., Spyrou M.A., Scheib C.L., Neumann G.U., Kröpelin A., Haas-Gebhard B., Päffgen B., Haberstroh J., Ribera I Lacomba A., Raynaud C., Cessford C., Durand R., Stadler P., Nägele K., Bates J.S., Trautmann B., Inskip S.A., Peters J., Robb J.E., Kivisild T., Castex D., McCormick M., Bos K.I., Harbeck M., Herbig A., Krause J. Ancient Yersinia pestis genomes from across Western Europe reveal early diversification during the First Pandemic (541– 750). Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2019; 116(25):12363–72. DOI: 10.1073/pnas.1820447116.Keller M., Spyrou M.A., Scheib C.L., Neumann G.U., Kröpelin A., Haas-Gebhard B., Päffgen B., Haberstroh J., Ribera I Lacomba A., Raynaud C., Cessford C., Durand R., Stadler P., Nägele K., Bates J.S., Trautmann B., Inskip S.A., Peters J., Robb J.E., Kivisild T., Castex D., McCormick M., Bos K.I., Harbeck M., Herbig A., Krause J. Ancient Yersinia pestis genomes from across Western Europe reveal early diversification during the First Pandemic (541– 750). Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2019; 116(25):12363–72. DOI: 10.1073/pnas.1820447116.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.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., Jombart T., 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., Jombart T., 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.Eroshenko G.A., Nosov N.Y., Krasnov Y.M., Oglodin Y.G., Kukleva L.M., Guseva N.P., Kuznetsov A.A., Abdikarimov T., Dzhaparova A.K., Kutyrev V.V. Yersinia pestis strains of ancient phylogenetic branch 0.ANT are widely spread in the high- mountain plague foci of Kyrgyzstan. PLoS One. 2017; 12:e0187230. DOI: 10.1371/journal.pone.0187230.Eroshenko G.A., Nosov N.Y., Krasnov Y.M., Oglodin Y.G., Kukleva L.M., Guseva N.P., Kuznetsov A.A., Abdikarimov T., Dzhaparova A.K., Kutyrev V.V. Yersinia pestis strains of ancient phylogenetic branch 0.ANT are widely spread in the high- mountain plague foci of Kyrgyzstan. PLoS One. 2017; 12:e0187230. DOI: 10.1371/journal.pone.0187230.Кутырев В.В., Попова А.Ю., редакторы. Кадастр эпидемических и эпизоотических проявлений чумы на территории Российской Федерации и стран ближнего зарубежья с 1876 по 2016 год. Саратов: ООО «Амирит»; 2016. 248 с.Kutyrev V.V., Popova A.Yu., editors. [Cadastre of Epidemic and Epizootic Manifestations of Plague in the Territory of the Russian Federation and Former Soviet Union (1876–2016)]. Saratov: “Amirit” LLC; 2016. 248 p.Онищенко Г.Г., Кутырев В.В., редакторы. Природные очаги чумы Кавказа, Прикаспия, Средней Азии и Сибири. М.: ОАО «Издательство «Медицина»; 2004. 191 с.Onishchenko G.G., Kutyrev V.V., editors. [Natural Plague Foci in the Territory of Caucasus, Caspian-Sea Region, Central Asia, and Siberia]. M.: OJSC “Meditsina”; 2004. 191 p.Абдикаримов С.Т., Ибрагимов Э.Ш., Эгембергенов Ч.Э. Современное эпизоотическое состояние природных очагов чумы Кыргызской Республики и мероприятия, направленные на обеспечение эпидемиологического благополучия по чуме. Проблемы особо опасных инфекций. 2018; 2:45–8. DOI: 10.21055/0370-1069-2018-2-45-48.Abdikarimov S.T., Ibragimov E.Sh., Egembergenov Ch.E. [Current epizootic condition of natural plague foci in Kyrgyz Republic and measures aimed at provision of epidemiological welfare as regards plague]. Problemy Osobo Opasnykh Infektsii [Problems of Particularly Dangerous Infections]. 2018; 2:45–8. DOI: 10.21055/0370-1069-2018-2-45-48.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.Онищенко Г.Г., Кутырев В.В., редакторы. Лабораторная диагностика особо опасных инфекционных болезней. Практическое руководство. М.: ЗАО «Шико»; 2013: 560 c.Onishchenko G.G., Kutyrev V.V., editors. [Laboratory Diagnostics of Particularly Dangerous Infectious Diseases. Practice Guidelines]. M.: CJSC “Shiko”; 2013: 560 p.Le Flèche P., Hauck Y., Onteniente L., Prieur A., Denoeud F., Ramisse V., Sylvestre P., Benson G., Ramisse F., Vergnaud G. A tandem repeats database for bacterial genomes: application to the genotyping of Yersinia pestis and Bacillus anthracis. BMC Microbiol. 2001; 1:2. DOI: 10.1186/1471-2180-1-2.Le Flèche P., Hauck Y., Onteniente L., Prieur A., Denoeud F., Ramisse V., Sylvestre P., Benson G., Ramisse F., Vergnaud G. A tandem repeats database for bacterial genomes: application to the genotyping of Yersinia pestis and Bacillus anthracis. BMC Microbiol. 2001; 1:2. DOI: 10.1186/1471-2180-1-2.Сариева Г.Е., Базарканова Г.Д., Сагиев З.А., Шабунин А.Г., Абдикаримов С.Т., Маймулов Р.К., Софейков В.Г., Джапарова А.К., Айтбаева Ж.Т., Егембергенов Ч.Э., Мусагалиева Р.С., Абдирасилова А.А., Абдел Ж.З., Курмианов Б.К. Атлас Сары-Джазского природного очага чумы в Кыргызстане: пространственная и временная характеристика. Бишкек; 2018. 164 с.Sarieva G.E., Bazarkanova G.D., Sagiev Z.A., Shabunin A.G., Abdikarimov S.T., Maimulov R.K., Sofeikov V.G., Dzhaparova A.K., Aitbaeva Zh.T., Egembergenov Ch.E., Musagalieva R.S., Abdirasilova A.A., Abdel Zh.Z., Kurmianov B.K. [Atlas of Sarydzhas Natural Plague Focus in Kyrgyzstan: Spatial and Temporal Characteristics]. Bishkek; 2018. 164 p.Sariyeva G., Bazarkanova G., Maimulov R., Abdikarimov S., Kurmanov B., Abdirassilova A., Shabunin A., Sagiyev Z., Dzhaparova A., Abdel Z., Mussagaliyeva R., Morand S., Motin V., Kosoy M. Marmots and Yersinia pestis strains in two plague endemic areas of Tien Shan mountains. Front. Vet. Sci. 2019; 6:207. DOI: 10.3389/fvets.2019.00207.Sariyeva G., Bazarkanova G., Maimulov R., Abdikarimov S., Kurmanov B., Abdirassilova A., Shabunin A., Sagiyev Z., Dzhaparova A., Abdel Z., Mussagaliyeva R., Morand S., Motin V., Kosoy M. Marmots and Yersinia pestis strains in two plague endemic areas of Tien Shan mountains. Front. Vet. Sci. 2019; 6:207. DOI: 10.3389/fvets.2019.00207.

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