microbeПроблемы особо опасных инфекцийProblems of Particularly Dangerous Infections0370-10692658-719XRussian Research Anti-Plague Institute “Microbe”10.21055/0370-1069-2022-1-122-129microbe-1667Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИORIGINAL ARTICLESАнализ пространственной структуры популяции Yersinia pestis алтайского биовара центральноазиатского подвида по данным полногеномного секвенированияSpatial Structure of Yersinia pestis Population Belonging to Altai Biovar, Subspecies central asiatica Acording to Genome-Wide Sequencing Datahttps://orcid.org/0000-0002-4115-9486НикифоровК. А.NikiforovK. A.

Никифоров Константин Алексеевич

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

Konstantin A. Nikiforov

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

rusrapi@microbe.ruМорозовО. А.MorozovO. А.

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

https://orcid.org/0000-0001-5403-989XЕрошенкоГ. А.EroshenkoG. A.

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

https://orcid.org/0000-0002-2955-3034ОглодинЕ. Г.OglodinE. G.

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

https://orcid.org/0000-0003-2438-8364КуклеваЛ. М.KuklevaL. M.

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

https://orcid.org/0000-0002-9190-099XНарышкинаЕ. А.NaryshkinaE. A.

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

https://orcid.org/0000-0002-4909-2394КрасновЯ. М.KrasnovYa. M.

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

https://orcid.org/0000-0003-1947-5252КорзунВ. М.KorzunV. M.

664047, Иркутск, ул. Трилиссера, 78

78, Trilissera St., Irkutsk, 664047

adm@chumin.irkutsk.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4201-5828БалахоновС. В.BalakhonovS. V.

664047, Иркутск, ул. Трилиссера, 78

78, Trilissera St., Irkutsk, 664047

adm@chumin.irkutsk.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3788-3452КутыревВ. В.KutyrevV. V.

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

ФКУЗ Российский научно-исследовательский противочумный институт МикробРоссияRussian Research Anti-Plague Institute MicrobeRussian FederationФКУЗ Иркутский научно-исследовательский противочумный институт Сибири и Дальнего ВостокаРоссияIrkutsk Research Anti-Plague Institute of Siberia and Far EastRussian Federation20222004202201122129Copyright © Никифоров К.А., Морозов О.А., Ерошенко Г.А., Оглодин Е.Г., Куклева Л.М., Нарышкина Е.А., Краснов Я.М., Корзун В.М., Балахонов С.В., Кутырев В.В., 20222022Никифоров К.А., Морозов О.А., Ерошенко Г.А., Оглодин Е.Г., Куклева Л.М., Нарышкина Е.А., Краснов Я.М., Корзун В.М., Балахонов С.В., Кутырев В.В.Nikiforov K.A., Morozov O.А., Eroshenko G.A., Oglodin E.G., Kukleva L.M., Naryshkina E.A., Krasnov Y.M., Korzun V.M., Balakhonov S.V., 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/1667

Цель работы – филогенетический анализ штаммов Yersinia pestis алтайского биовара центральноазиатского подвида, выделенных в 1965–2020 гг. в Горно-Алтайском высокогорном и Сайлюгемском природном очагах чумы на территории России и Монголии, по данным полногеномного секвенирования.

Материалы и методы

Материалы и методы. Для определения популяционной структуры алтайского биовара центральноазиатского подвида были использованы 34 полногеномные последовательности (включая 20 штаммов Y. pestis алтайского биовара, 18 из которых секвенированы нами). Для выделения ДНК штаммов Y. pestis использовали набор реагентов PureLink Genomic DNA Mini Kit (Invitrogen, США). Секвенирование нуклеотидных последовательностей штаммов Y. pestis проводили в Ion PGM system Lifetechnologies. Анализ и обработку полученных данных выполняли в Newblergs Assembler 2.6 и IonTorrent Suite soft warepackage, 3.4.2. Поиск SNPs проводили, используя программу Wombac 2.0. Дендрограмму Maximum Likelihood строили с помощью программ PhyML 3.1. Визуализацию дендрограммы проводили с помощью программы FigTree 1.4.3.

Результаты и обсуждение

Результаты и обсуждение. По данным полногеномного анализа с учетом 1871 выявленного полиморфного нуклеотида определена пространственная структура алтайского биовара центральноазиатского подвида, включающая несколько филогеографических ветвей: Курайско-Тархатинскую (кластер 0.PE4a-1) и Уландрыкско-Монгольскую (0.PE4a-2), что находится в согласовании с географическими регионами выделения штаммов, образующих эти ветви в Горном Алтае. Курайско-Тархатинская ветвь делится с формированием Курайской (субкластер 0.PE4a-1-1, образованный штаммами 2009–2018 гг.) и Тархатинской (субкластер 0.PE4a-1-2, образованный штаммами 2012–2020 гг.) подветвей, а Уландрыкско-Монгольская ветвь эволюции делится на подветви, представленные штаммами из Уландрыкского мезоочага (субкластер 0.PE4a-2-2, штаммы 1965–2010 гг.) и Сайлюгемского очага Монголии (субкластер 0.PE4a-2-1, штаммы 1964–1990 гг.).

The aim of the work was to conduct phylogenetic analysis of Y. pestis strains, biovar altaica ssp. central asiatica, isolated in Gorno-Altai high-mountain and Sailyugem natural plague foci on the territory of Russia and Mongolia in 1965–2020, by full-genome sequencing data.

Materials and methods

Materials and methods. To determine the population structure of the biovar altaica ssp. central asiatica, 34 whole genome sequences were used (including 20 Y. pestis strains of the biovar altaica, 18 of which were sequenced by us). To isolate DNA from the Y. pestis strains, a PureLink Genomic DNA Mini Kit (Invitrogen, USA) was applied. Sequencing of the nucleotide sequences of Y. pestis strains was carried out in Ion PGM system Lifetechnologies. The analysis and processing of the obtained data were performed with the help of Newblergs Assembler 2.6 and IonTorrent Suite software package, 3.4.2. The search for SNPs was performed using the Wombac 2.0 program. The Maximum Likelihood dendrogram was built in the PhyML 3.1. The dendrogram was visualized using the FigTree 1.4.3 software.

Results and discussion

Results and discussion. Based on the data of whole genome analysis, taking into account the 1871 revealed polymorphic nucleotides, the spatial structure of the biovar altaica ssp. central asiatica has been determined. It includes several phylogeographic branches: the Kurai-Tarkhatinskaya (cluster 0.PE4a-1) and the Ulandryk-Mongolian (0.PE4a-2), which is in agreement with the geographical regions of the isolation of strains forming these branches in the Altai Mountains. The Kurai-Tarkhatinskaya branch is further divided into the Kurai (sub-cluster 0.PE4a-1-1, formed by the strains of 2009–2018) and Tarkhatinskaya (subcluster 0.PE4a-1-2, formed by the strains of 2012–2020) sub-branches, while the Ulandryk-Mongolian branch of evolution is split into sub-branches represented by strains from the Ulandryk meso focus (sub-cluster 0.PE4a-2-2, strains 1965–2010) and the Sailyugem focus of Mongolia (sub-cluster 0.PE4a-2-1, strains 1964–1990).

возбудитель чумыприродные очагиалтайский биовар центральноазиатского подвидафилогенетический анализplague agentnatural focibiovar altaica ssp. central asiaticaphylogenetic analysisReferencesОнищенко Г.Г., Кутырев В.В., редакторы. Природные очаги чумы Кавказа, Прикаспия, Средней Азии и Сибири. М.: Медицина; 2004. 192 с.Onishchenko G.G., Kutyrev V.V., editors. [Natural Plague Foci in the Territory of Caucasus, Caspian Sea Region, Central Asia and Siberia]. Moscow: “Medicine”; 2004. 192 p.Попова А.Ю., Кутырев В.В., 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.Popova A.Yu., Kutyrev V.V., 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.Anisimov A.P., Lindler L.E., Pier G.B. Intraspecific diversity of Yersinia pestis. Clin. Microbiol. Rev. 2004; 17(2):434–64. DOI: 10.1128/CMR.17.2.434-464.2004.Anisimov A.P., Lindler L.E., Pier G.B. Intraspecific diversity of Yersinia pestis. Clin. Microbiol. Rev. 2004; 17(2):434–64. DOI: 10.1128/CMR.17.2.434-464.2004.Балахонов С.В., Корзун В.М., редакторы. ГорноАлтайский природный очаг чумы: ретроспективный анализ, эпизоотологический мониторинг, современное состояние. Новосибирск: Наука-Центр; 2014. 272 с.Balakhonov S.V., Korzun V.M., editors. [Gorno-Altai Natural Plague Focus: Retrospective Analysis, Epizootiological Monitoring, Current State]. Novosibirsk: “Nauka Tsentr”; 2014. 272 p.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 variation in mutational 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 variation in mutational 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’khova Z.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’khova Z.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.Попов Н.В., Ерошенко Г.А., Карнаухов И.Г., Кузнецов А.А., Матросов А.Н., Иванова А.В., Поршаков А.М., Ляпин М.Н., Корзун В.М., Вержуцкий Д.Б., Аязбаев Т.З., Лопатин А.А., Ашибоков У.М., Балахонов С.В., Куличенко А.Н., Кутырев В.В. Эпидемиологическая и эпизоотическая обстановка по чуме в Российской Федерации и прогноз ее развития на 2020–2025 гг. Проблемы особо опасных инфекций. 2020; 1:43–50. DOI: 10.21055/0370-1069-2020-1-43-50.Popov N.V., Eroshenko G.A., Karnaukhov I.G., Kuznetsov A.A., Matrosov A.N., Ivanova A.V., Porshakov A.M., Lyapin M.N., Korzun V.M., Verzhutsky D.B., Ayazbaev T.Z., Lopatin A.A., Ashibokov U.M., Balakhonov S.V., Kulichenko A.N., Kutyrev V.V. [Epidemiological and epizootic situation on plague in the Russian Federation and forecast for its development for 2020–2025]. Problemy Osobo Opasnykh Infektsii [Problems of Particularly Dangerous Infections]. 2020; (1):43–50. DOI: 10.21055/0370-1069-2020-1-43-50.Никифоров К.А., Морозов О.А., Носов Н.Ю., Куклева Л.М., Ерошенко Г.А., Кутырев В.В. Популяционная структура, таксономия и генетические особенности штаммов Yersinia pestis центральноазиатского подвида. Генетика. 2018; 54(10):1125–35. DOI: 10.1134/S0016675818100107.Nikiforov K.A., Morozov O.A., Nosov N.Yu., Kukleva L.M., Eroshenko G.A., Kutyrev V.V. [Population structure, taxonomy and genetic features of Yersinia pestis strains of the subspecies central asiatica]. Genetika [Genetics]. 2018; 54(10):1125–35. DOI: 10.1134/S0016675818100107.Riehm J.M., Vergnaud G., Kiefer D., Damdindorj T., Dashdavaa O., Khurelsukh T., Zoller L., Wölfel R., Le Fleche P., Scholz H.C. Yersinia pestis lineages in Mongolia. PLoS One. 2012; 7(2):e30624. DOI: 10.1371/journal.pone.0030624.Riehm J.M., Vergnaud G., Kiefer D., Damdindorj T., Dashdavaa O., Khurelsukh T., Zoller L., Wölfel R., Le Fleche P., Scholz H.C. Yersinia pestis lineages in Mongolia. PLoS One. 2012; 7(2):e30624. DOI: 10.1371/journal.pone.0030624.Платонов М.Е., Евсеева В.В., Ефременко Д.В., Афанасьев М.В., Вержуцкий Д.Б., Кузнецова И.В., Шестопалов М.Ю., Дентовская С.В., Куличенко А.Н., Балахонов С.В., Анисимов А.П. Внутривидовая принадлежность рамнозопозитивных штаммов Yersinia pestis из природных очагов чумы Монголии. Молекулярная генетика, микробиология и вирусология. 2015; 33(1):23–28.Platonov M.E., Evseeva V.V., Efremenko D.V., Afanasiev M.V., Verzhutsky D.B., Kuznetsova I.V., Shestopalov M.Yu., Dentovskaya S.V., Kulichenko A.N., Balakhonov S.V., Anisimov A.P. [Intraspecific appurtenance of rhamnose-positive Yersinia pestis strains from natural plague foci in Mongolia]. Molekulyarnaya Genetika, Mikrobiologiya i Virusologiya [Molecular Genetics, Microbiology and Virology]. 2015; 33(1):23–8.Zhou D., Tong Z., Song Y., Han Y., Pei D., Pang X., Zhai J., Li M., Cui B., Qi Z., Jin L., Dai R., Du Z., Wang J., Guo Z., Wang J., Huang P., Yang R. Genetics of metabolic variations between Yersinia pestis biovars and proposal of a new biovar, microtus. J. Bacteriol. 2004; 186(15):5147–52. DOI: 10.1128/JB.186.15.5147-5152.2004.Zhou D., Tong Z., Song Y., Han Y., Pei D., Pang X., Zhai J., Li M., Cui B., Qi Z., Jin L., Dai R., Du Z., Wang J., Guo Z., Wang J., Huang P., Yang R. Genetics of metabolic variations between Yersinia pestis biovars and proposal of a new biovar, microtus. J. Bacteriol. 2004; 186(15):5147–52. DOI: 10.1128/JB.186.15.5147-5152.2004.Ерошенко Г.А., Одиноков Г.Н., Куклева Л.М., Шавина Н.Ю., Гусева Н.П., Кутырев В.В. Генетические основы вариабельности признака редукции нитратов у штаммов Yersinia pestis. Генетика. 2014; 50(5):522–30. DOI: 10.7868/S001667581405004X.Eroshenko G.A., Odinokov G.N., Kukleva L.M., Shavina N.Yu., Guseva N.P., Kutyrev V.V. [Genetic basis of the nitrate reduction variability in Yersinia pestis strains]. Genetika [Genetics]. 2014; 50(5):522–30. DOI: 10.7868/S001667581405004X.Балахонов С.В., Афанасьев М.В., Шестопалов М.Ю., Остяк А.С., Витязева С.А., Корзун В.М., Вержуцкий Д.Б., Михайлов Е.П., Мищенко А.И., Денисов А.В., Ивженко Н.И., Рождественский Е.Н., Висков Е.Н., Фомина Л.А. Первый случай выделения Yersinia pestis subsp. pestis в Алтайском горном природном очаге чумы. Сообщение 1. Микробиологическая характеристика, молекулярно-генетическая и масс-спектрометрическая идентификация изолята. Проблемы особо опасных инфекций. 2013; 1:60–65. DOI: 10.21055/0370-1069-2013-1-60-65.Balakhonov S.V., Afanas’ev M.V., Shestopalov M.Yu., Ostyak A.S., Vityazeva S.A., Korzun V.M., Verzhutsky D.B., Mikhailov E.P., Mishchenko A.I., Denisov A.V., Ivzhenko N.I., Rozhdestvensky E.N., Viskov E.N., Fomina L.A. [The first case of Yersinia pestis subsp. pestis isolation in the territory of Altai Mountain natural plague focus. Communication 1. Microbiological characteristics, molecular-genetic and mass-spectrometric identification of the isolate]. Problemy Osobo Opasnykh Infektsii [Problems of Particularly Dangerous Infections]. 2013; (1):60–5. DOI: 10.21055/0370-1069-2013-1-60-65.Корзун В.М., Балахонов С.В., Денисов А.В., Чипанин Е.В., Косилко С.А., Рождественский Е.Н., Михайлов Е.П., Мищенко А.И., Базарова Г.Х., Ярыгина М.Б. Интродукция возбудителя чумы основного подвида в поселения серого сурка в Юго-Восточном Алтае. Медицинская паразитология и паразитарные болезни. 2017; 4:20–9.Korzun V.M., Balakhonov S.V., Denisov A.V., Chipanin E.V., Kosilko S.A., Rozhdestvensky E.N., Mikhailov E.P., Mishchenko A.I., Bazarova G.Kh., Yarygina M.B. [Introduction of the plague agent of the main subspecies into the gray marmot settlements in the South-Eastern Altai]. Meditsinskaya Parazitologiya i Parazitarnye Bolezni [Medical Parasitology and Parasitic Diseases]. 2017; (4):20–9.Онищенко Г.Г., Кутырев В.В., редакторы. Лабораторная диагностика опасных инфекционных болезней. Практическое руководство. М.: ЗАО «Шико»; 2013. 560 с.Onishchenko G.G., Kutyrev V.V., editors. [Laboratory Diagnostics of Dangerous Infectious Diseases. Practice Guidelines]. Moscow: “Shiko”; 2013. 560 p.Корзун В.М., Чипанин Е.В., Балахонов С.В., Денисов А.В., Рождественский Е.Н., Михайлов Е.П., Ярыгина М.Б., Косилко С.А. Изменение ареала Yersinia pestis в Горно-Алтайском природном очаге чумы. Медицинская паразитология и паразитарные болезни. 2014; 4:11–9.Korzun V.M., Chipanin E.V., Balakhonov S.V., Denisov A.V., Rozhdestvensky E.N., Mikhailov E.P., Yarygina M.B., Kosilko S.A. [Changes in the range of Yersinia pestis in the Gorno-Altai natural plague focus]. Meditsinskaya Parazitologiya i Parazitarnye Bolezni [Medical Parasitology and Parasitic Diseases]. 2014; (4):11–719.Балахонов С.В., Шестопалов М.Ю., Романова И.Ф. Результаты VNTR-анализа по локусу (5’-CAAA-3’)n штаммов Yersinia pestis из активных природных очагов чумы Сибири. Молекулярная генетика, микробиология и вирусология. 2009; 3:14–6.Balakhonov S.V., Shestopalov M.Yu., Romanova I.F. [Results of VNTR analysis by the (5’-CAAA-3’)n locus of Yersinia pestis strains from active natural foci of plague in Siberia]. Molekulyarnaya Genetika, Mikrobiologiya i Virusologiya [Molecular Genetics, Microbiology and Virology]. 2009; (3):14–6.Ярыгина М.Б., Корзун В.М., Балахонов С.В. Генотипическая структурированность Yersinia pestis ssp. altaica в Горно-Алтайском высокогорном природном очаге чумы. Дальневосточный журнал инфекционной патологии. 2019; 37:86–7.Yarygina M.B., Korzun V.M., Balakhonov S.V. [Genotypic structuring of Yersinia pestis ssp. altaica in the Gorno-Altai high-mountain natural plague focus]. Dal’nevostochny Zhurnal Infektsionnoy Patologii [Far East Journal of Infectious Pathology]. 2019; 37:86–7.

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