microbeПроблемы особо опасных инфекцийProblems of Particularly Dangerous Infections0370-10692658-719XRussian Research Anti-Plague Institute “Microbe”10.21055/0370-1069-2022-1-137-147microbe-1669Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИORIGINAL ARTICLESРаспространенность разных типов интегративного конъюгативного элемента SXT/R391, кодирующего множественную резистентость к антибиотикам, среди клинических штаммов возбудителя холерыPrevalence of Different Types of Integrative Conjugative Element SXT/R391 Encoding Multiple Antibiotic Resistance Among Clinical Strains of Cholera Agenthttps://orcid.org/0000-0002-3117-8229РыбальченкоД. А.Rybal’chenkoD. A.

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

rusrapi@microbe.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0672-8820ЩелкановаЕ. Ю.ShchelkanovaE. Yu.

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

rusrapi@microbe.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4382-7254ЛозовскийЮ. В.LozovskyYu. V.

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

rusrapi@microbe.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7190-4427ФедоровА. В.FedorovA. V.

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

rusrapi@microbe.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7115-6286СмирноваН. И.SmirnovaN. I.

Смирнова Нина Ивановна

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

rusrapi@microbe.ruФКУЗ Российский научно-исследовательский противочумный институт МикробРоссияRussian Research Anti-Plague Institute MicrobeRussian Federation20222004202201137147Copyright © Рыбальченко Д.А., Щелканова Е.Ю., Лозовский Ю.В., Федоров А.В., Смирнова Н.И., 20222022Рыбальченко Д.А., Щелканова Е.Ю., Лозовский Ю.В., Федоров А.В., Смирнова Н.И.Rybal’chenko D.A., Shchelkanova E.Y., Lozovsky Y.V., Fedorov A.V., Smirnova N.I.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/1669

Цель работы – изучить распространенность разных типов SXT-элемента с различным составом генов резистентности к антибиотикам среди клинических штаммов возбудителя холеры Эль Тор, изолированных в России, Украине и эндемичных по холере странах Азии и Африки.

Материалы и методы

Материалы и методы. Объектами исследования служили 27 штаммов и нуклеотидные последовательности 77 штаммов Vibrio cholerae Эль Тор, представленные в NCBI GenBank. Определение структуры SXT-элемента и его типа проводили с помощью программ Mauve и BLAST v.2.9.0. Выявление филогенетических связей штаммов с разным типом SXT осуществляли с помощью программ Snippy v.4.6.0. и MrBayes v.3.2.7. Определение чувствительности к антибиотикам штаммов проводили в соответствии с МУК 4.2.2495-09.

Результаты и обсуждение

Результаты и обсуждение. Среди изученных штаммов из России и Украины выявлено два типа SXT-элемента (ICEVchInd5 и ICEVchBan9), имеющих различный состав генов резистентности

к антибиотикам

к антибиотикам: floR, strAB, sul2, dfrA1 и floR, tetAR, strAB, sul2, dfrA1 соответственно. В то же время исследованные штаммы из стран Азии и Африки содержали пять типов SXT: ICEVchInd5, ICEVchBan9, ICEVchBan5, SXTTET, ICEVchInd5ΔVRIII, – различающихся между собой по размеру и/или составу генов резистентности. Из них три последних не обнаружены в России и Украине. В связи с высоким уровнем геномного разнообразия SXT в популяции холерных вибрионов в эндемичных регионах появляется риск завоза в Россию штаммов возбудителя холеры с измененной устойчивостью к антибиотикам. На основе SNP-анализа дана оценка филогенетических связей 76 штаммов с разным типом SXT и различными аллелями гена ctxB, кодирующего B-субъединицу холерного токсина. Показана тесная филогенетическая связь между штаммами с одинаковым типом SXT, изолированными в России и странах Азии, что подтверждает завоз возбудителя холеры с множественной резистентностью к антибиотикам из этого региона и необходимость постоянного мониторинга чувствительности холерных вибрионов к антимикробным препаратам.

The aim of the work was to study the prevalence of different types of SXT element with different composition of antibiotic resistance genes among clinical strains of the El Tor cholera pathogen isolated in Russia, Ukraine and cholera-endemic countries in Asia and Africa.

Materials and methods

Materials and methods. The subject of the study was 27 strains and nucleotide sequences of 77 strains of Vibrio cholerae El Tor available from the NCBI GenBank. The structure of the SXT element and its type were determined using the Mauve and BLAST v.2.9.0 programs. Phylogenetic relations of strains with different types of SXT were identified using Snippy v.4.6.0 and MrBayes v.3.2.7 software. Assessment of strain sensitivity to antibiotics was carried out in accordance with Methodological Regulations 4.2.2495-09.

Results and discussion

Results and discussion. Two types of SXT element (ICEVchInd5 and ICEVchBan9) have been identified among the studied strains from Russia and Ukraine, which have different composition of antibiotic resistance genes: floR, strAB, sul2, dfrA1 and floR, tetAR, strAB, sul2, dfrA1, respectively. At the same time, the studied strains from Asia and Africa contain five types of SXT: ICEVchInd5, ICEVchBan9, ICEVchBan5, SXTTET, ICEVchInd5ΔVRIII, which differ in size and/or composition of resistance genes. Of these, the last three have not been found in Russia and Ukraine. Due to the high level of genomic diversity of SXT in the population of V. cholerae in endemic regions, there is a risk of importation of cholera pathogen strains with altered resistance to antibiotics into Russia. Phylogenetic relations of 76 strains with different SXT types and different alleles of the ctxB gene encoding the B subunit of cholera toxin have been assessed based on SNP analysis. A close phylogenetic relation between strains with the same type of SXT isolated in Russia and Asian countries has been demonstrated, which confirms the importation of the causative agent of cholera with multiple resistance to antibiotics from this region and the need for constant monitoring of the sensitivity of V. cholerae to antimicrobial drugs.

возбудитель холерыSXT-элементгены резистентность к антибиотикамSNP-анализфилогенетические связиcholera pathogenSXT elementantibiotic resistance genesSNP analysisphylogenetic relationsReferencesKaper J.B., Morris J.G., Levine M.M. Cholera. Clin. Microbiol. Rev. 1995; 8(1):48–86. DOI: 10.1128/CMR.8.1.48.Kaper J.B., Morris J.G., Levine M.M. Cholera. Clin. Microbiol. Rev. 1995; 8(1):48–86. DOI: 10.1128/CMR.8.1.48.Носков А.К., Кругликов В.Д., Москвитина Э.А., Монахова Е.В., Левченко Д.А., Янович Е.Г., Водопьянов А.С., Писанов Р.В., Непомнящая Н.Б., Ежова М.И., Подойницына О.А. Характеристика эпидемиологической ситуации по холере в мире и в Российской Федерации в 2020 г. и прогноз на 2021 г. Проблемы особо опасных инфекций. 2021; 1:43–51. DOI: 10.21055/0370-1069-2021-1-43-51.Noskov A.K., Kruglikov V.D., Moskvitina E.A., Monakhova E.V., Levchenko D.A., Yanovich E.G., Vodop’yanov A.S., Pisanov R.V., Nepomnyashchaya N.B., Ezhova M.I., Podoinitsyna O.A. [Characteristics of the epidemiological situation on cholera in the world and in the Russian Federation in 2020 and forecast for 2021]. Problemy Osobo Opasnykh Infektsii [Problems of Particularly Dangerous Infections]. 2021; (1):43–51. DOI: 10.21055/0370-1069-2021-1-43-51.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; 477:462–5. 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; 477:462–5. DOI: 10.1038/nature10392.Kitaoka M., Miyata S.T., Unterweger D., Pukatzki S. Antibio­ tic resistance mechanisms of Vibrio cholerae. J. Med. Microbiol. 2011; 60(Pt. 4):397–407. DOI: 10.1099/jmm.0.023051-0.Kitaoka M., Miyata S.T., Unterweger D., Pukatzki S. Antibiotic resistance mechanisms of Vibrio cholerae. J. Med. Microbiol. 2011; 60(Pt. 4):397–407. DOI: 10.1099/jmm.0.023051-0.Waldor M.K., Tschäpe H., Mekalanos J.J. A new type of conjugative transposon encodes resistance to sulfamethoxazole, trimethoprim, and streptomycin in Vibrio cholerae O139. J. Bacteriol. 1996; 178(14):4157–65. DOI: 10.1128/jb.178.14.4157-4165.1996.Waldor M.K., Tschäpe H., Mekalanos J.J. A new type of conjugative transposon encodes resistance to sulfamethoxazole, trimethoprim, and streptomycin in Vibrio cholerae O139. J. Bacteriol. 1996; 178(14):4157–65. DOI: 10.1128/jb.178.14.4157-4165.1996.Hochhut B., Waldor M.K. Site-specific integration of the conjugal Vibrio cholerae SXT element into prfC. Mol. Microbiol. 1999; 32(1):99–110. DOI: 10.1046/j.1365-2958.1999.01330.x.Hochhut B., Waldor M.K. Site-specific integration of the conjugal Vibrio cholerae SXT element into prfC. Mol. Microbiol. 1999; 32(1):99–110. DOI: 10.1046/j.1365-2958.1999.01330.x.Смирнова Н.И., Заднова С.П., Агафонов Д.А., Шашкова А.В., Челдышова Н.Б., Черкасов А.В. Сравнительный молекулярно-генетический анализ мобильных элементов природных штаммов возбудителя холеры. Генетика. 2013; 49(9):1036–47. DOI: 10.7868/S0016675813090087.Smirnova N.I., Zadnova S.P., Agafonov D.A., Shashkova A.V., Cheldyshova N.B., Cherkasov A.V. [Comparative moleculargenetic analysis of mobile elements in natural strains of cholera agent]. Genetika [Russian Journal of Genetics]. 2013; 49(9):1036– 47. DOI: 10.7868/S0016675813090087.Pant A., Bag S., Saha B., Verma J., Kumar P., Banerjee S., Kumar B., Kumar Y., Desigamani A., Maiti S., Maiti T.K., Banerjee S.K., Bhadra R.K., Koley H., Dutta S., Nair G.B., Ramamurthy T., Das B. Molecular insights into the genome dynamics and interactions between core and acquired genomes of Vibrio cholerae. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2020; 117(38):23762–73. DOI: 10.1073/pnas.2006283117.Pant A., Bag S., Saha B., Verma J., Kumar P., Banerjee S., Kumar B., Kumar Y., Desigamani A., Maiti S., Maiti T.K., Banerjee S.K., Bhadra R.K., Koley H., Dutta S., Nair G.B., Ramamurthy T., Das B. Molecular insights into the genome dynamics and interactions between core and acquired genomes of Vibrio cholerae. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2020; 117(38):23762–73. DOI: 10.1073/pnas.2006283117.Beaber J.W., Hochhut B., Waldor M.K. Genomic and functional analyses of SXT, an integrating antibiotic resistance gene transfer element derived from Vibrio cholerae. J. Bacteriol. 2002; 184(15):4259–69. DOI: 10.1128/JB.184.15.4259–4269.2002.Beaber J.W., Hochhut B., Waldor M.K. Genomic and functional analyses of SXT, an integrating antibiotic resistance gene transfer element derived from Vibrio cholerae. J. Bacteriol. 2002; 184(15):4259–69. DOI: 10.1128/JB.184.15.4259–4269.2002.Spagnoletti M., Ceccarelli D., Rieux A., Fondi M., Taviani E., Fani R., Colombo M.M., Colwell R.R., Balloux F. Acquisition and evolution of SXT-R391 integrative conjugative elements in the seventh-pandemic Vibrio cholerae lineage. mBio. 2014; 5(4):e0135614. DOI: 10.1128/mBio.01356-14.Spagnoletti M., Ceccarelli D., Rieux A., Fondi M., Taviani E., Fani R., Colombo M.M., Colwell R.R., Balloux F. Acquisition and evolution of SXT-R391 integrative conjugative elements in the seventh-pandemic Vibrio cholerae lineage. mBio. 2014; 5(4):e0135614. DOI: 10.1128/mBio.01356-14.Wozniak R.A.F., Fouts D.E., Spagnoletti M., Colombo M.M., Ceccarelli D., Garriss G., Déry C., Burrus V., Waldor M.K. Comparative ICE genomics: insights into the evolution of the SXT/R391 family of ICEs. PLoS Genet. 2009; 5(12):e1000786. DOI: 10.1371/journal.pgen.1000786.Wozniak R.A.F., Fouts D.E., Spagnoletti M., Colombo M.M., Ceccarelli D., Garriss G., Déry C., Burrus V., Waldor M.K. Comparative ICE genomics: insights into the evolution of the SXT/R391 family of ICEs. PLoS Genet. 2009; 5(12):e1000786. DOI: 10.1371/journal.pgen.1000786.Burrus V., Quezada-Calvillo R., Marrero J., Waldor M.K. SXT-related integrating conjugative element in New World Vibrio cholerae. Appl. Environ. Microbiol. 2006; 72(4):3054–7. DOI: 10.1128/AEM.72.4.3054-3057.2006.Burrus V., Quezada-Calvillo R., Marrero J., Waldor M.K. SXT-related integrating conjugative element in New World Vibrio cholerae. Appl. Environ. Microbiol. 2006; 72(4):3054–7. DOI: 10.1128/AEM.72.4.3054-3057.2006.Wang R., Yu D., Yue J., Kan B. Variations in SXT elements in epidemic Vibrio cholerae O1 El Tor strains in China. Sci. Rep. 2016; 6:22733. DOI: 10.1038/srep22733.Wang R., Yu D., Yue J., Kan B. Variations in SXT elements in epidemic Vibrio cholerae O1 El Tor strains in China. Sci. Rep. 2016; 6:22733. DOI: 10.1038/srep22733.Подшивалова М.В., Кузютина Ю.А., Захарова И.Б., Лопастейская Я.А., Викторов Д.В. Характеристика антибиотикорезистентных штаммов Vibrio cholerae, несущих интегративные конъюгативные элементы SXT-типа. Эпидемиология и инфекционные болезни. 2014; 19(3):34–9.Podshivalova M.V., Kuzyutina Yu.A., Zakharova I.B., Lopasteyskaya Ya.A., Viktorov D.V. [Characteristics of antibiotic resistant strains of Vibrio cholerae carrying SXT type integrative conjugative elements]. Epidemiologiya i Infektsionnye Bolezni [Epidemiology and Infectious Diseases]. 2014; 19(3):34–9.Водопьянов С.О., Водопьянов А.С., Олейников И.П., Титова С.В. Распространенность ICE элементов различных типов у V. cholerae. Здоровье населения и среда обитания. 2018; 1:33–5.Vodop’yanov S.O.,Vodop’yanov A.S.,Oleynikov I.P.,Titova S.V. [Prevalence of ICE elements of different types in V. cholerae]. Zdorov’e Naseleniya i Sreda Obitaniya [Public Health and Life Environment]. 2018; (1):33–5.Gladkikh A.S., Feranchuk S.I., Ponomareva A.S., Bochalgin N.O., Mironova L.V. Antibiotic resistance in Vibrio cholerae El Tor strains isolated during cholera complications in Siberia and the Far East of Russia. Infect. Genet. Evol. 2020; 78:104096. DOI: 10.1016/j.meegid.2019.104096.Gladkikh A.S., Feranchuk S.I., Ponomareva A.S., Bochalgin N.O., Mironova L.V. Antibiotic resistance in Vibrio cholerae El Tor strains isolated during cholera complications in Siberia and the Far East of Russia. Infect. Genet. Evol. 2020; 78:104096. DOI: 10.1016/j.meegid.2019.104096.Онищенко Г.Г., Беляев Е.Н., Москвитина Э.А., Резайкин В.И., Ломов Ю.М., Мединский Г.М. Холера в Дагестане: прошлое и настоящее. Ростов н/Д: Полиграф; 1995. 120 с.Onishchenko G.G., Belyaev E.N., Moskvitina E.A., Rezaikin V.I., Lomov Yu.M., Medinsky G.M. сholera in Dagestan: Past and Present. Rostov-on-Don: “Polygraph”; 1995. 120 p.Миронова Л.В., Пономарева А.С., Хунхеева Ж.Ю. Гладких А.С., Балахонов С.В. Генетическое разнообразие Vibrio cholerae О1 El Tor при эпидемических осложнениях в Сибирском и Дальневосточном регионах. Молекулярная генетика, микробиология и вирусология. 2019; 37(4):165–72. DOI: 10.17116/molgen201937041165.Mironova L.V., Ponomareva A.S., Khunkheeva Zh.Yu. [Genetic diversity of Vibrio cholerae о1 El Tor during epidemic complications in Siberian and the Far Eastern regions]. Molekulyarnaya Genetika, Mikrobiologiya i Virusologiya [Molecular Genetics Microbiology and Virology]. 2019; 37(4):165–72. DOI: 10.17116/molgen201937041165.Москвитина Э.А., Мазрухо А.Б., Адаменко О.Л., Кругликов В.Д. Холера в начале XXI века. Прогноз на глобальном уровне. Проблемы особо опасных инфекций. 2012; 1:11–6. DOI: 10.21055/0370-1069-2012-1(111)-11-16.Moskvitina E.A., Mazrukho A.B., Adamenko O.L., Kruglikov V.D. [Cholera in the early XXI century: global prognosis]. Problemy Osobo Opasnykh Infektsii [Problems of Particularly Dangerous Infections]. 2012; (1):11–6. DOI: 10.21055/0370-10692012-1(111)-11-16.Sarkar A., Morita D., Ghosh A., Chowdhury G., Mukhopadhyay A.K., Okamoto K., Ramamurthy T. Altered integrative and conjugative elements (ICEs) in recent Vibrio cholerae O1 isolated from cholera cases, Kolkata, India. Front. Microbiol. 2019; 10:2072. DOI: 10.3389/fmicb.2019.02072.Sarkar A., Morita D., Ghosh A., Chowdhury G., Mukhopadhyay A.K., Okamoto K., Ramamurthy T. Altered integrative and conjugative elements (ICEs) in recent Vibrio cholerae O1 isolated from cholera cases, Kolkata, India. Front. Microbiol. 2019; 10:2072. DOI: 10.3389/fmicb.2019.02072.Baddam R., Sarker N., Ahmed D., Mazumder R., Abdullah A., Morshed R., Hussain A., Begum S., Shahrin L., Khan A.I., Islam M.S., Ahmed T., Alam M., Clemens J.D., Ahmed N.. Genome dynamics of Vibrio cholerae isolates linked to seasonal outbreaks of Cholera in Dhaka, Bangladesh. mBio. 2020; 11(1):e03339-19. DOI: 10.1128/mBio.03339-19.Baddam R., Sarker N., Ahmed D., Mazumder R., Abdullah A., Morshed R., Hussain A., Begum S., Shahrin L., Khan A.I., Islam M.S., Ahmed T., Alam M., Clemens J.D., Ahmed N.. Genome dynamics of Vibrio cholerae isolates linked to seasonal outbreaks of Cholera in Dhaka, Bangladesh. mBio. 2020; 11(1):e03339-19. DOI: 10.1128/mBio.03339-19.Weill F.X., Domman D., Njamkepo E., Almesbahi A.A., Naji M., Nasher S.S., Rakesh A., Assiri A.M., Sharma N.C., Kariuki S., Pourshafie M.R., Rauzier J., Abubakar A., Carter J.Y., Wamala J.F., Seguin C., Bouchier C., Malliavin T., Bakhshi B., Abulmaali H.H.N., Kumar D., Njoroge S.M., Malik M.R., Kiiru J., Luquero F.J., Azman A.S., Ramamurthy T., Thomson N.R., Quilici M.L. Genomic insights into the 2016–2017 cholera epidemic in Yemen. Nature. 2019; 565:230–233. DOI: 10.1038/s41586-018-0818-3.Weill F.X., Domman D., Njamkepo E., Almesbahi A.A., Naji M., Nasher S.S., Rakesh A., Assiri A.M., Sharma N.C., Kariuki S., Pourshafie M.R., Rauzier J., Abubakar A., Carter J.Y., Wamala J.F., Seguin C., Bouchier C., Malliavin T., Bakhshi B., Abulmaali H.H.N., Kumar D., Njoroge S.M., Malik M.R., Kiiru J., Luquero F.J., Azman A.S., Ramamurthy T., Thomson N.R., Quilici M.L. Genomic insights into the 2016–2017 cholera epidemic in Yemen. Nature. 2019; 565:230–233. DOI: 10.1038/s41586-018-0818-3.Weill F.X., Domman D., Njamkepo E., Tarr C., Rauzier J., Fawal N., Keddy K.H., Salje H., Moore S., Mukhopadhyay A.K., Bercion R., Luquero F.J., Ngandjio A., Dosso M., Monakhova E., Garin B., Bouchier C., Pazzani C., Mutreja A., Grunow R., Sidikou F., Bonte L., Breurec S., Damian M., Njanpop-Lafourcade B.M., Sapriel G., Page A.L., Hamze M., Henkens M., Chowdhury G., Mengel M., Koeck J.L., Fournier J.M., Dougan G., Grimont P.A.D., Parkhill J., Holt K.E., Piarroux R., Ramamurthy T., Quilici M.L., Thomson N.R. Genomic history of the seventh pandemic of cholera in Africa. Science. 2017; 358:785–89. DOI: 10.1126/science.aad5901.Weill F.X., Domman D., Njamkepo E., Tarr C., Rauzier J., Fawal N., Keddy K.H., Salje H., Moore S., Mukhopadhyay A.K., Bercion R., Luquero F.J., Ngandjio A., Dosso M., Monakhova E., Garin B., Bouchier C., Pazzani C., Mutreja A., Grunow R., Sidikou F., Bonte L., Breurec S., Damian M., Njanpop-Lafourcade B.M., Sapriel G., Page A.L., Hamze M., Henkens M., Chowdhury G., Mengel M., Koeck J.L., Fournier J.M., Dougan G., Grimont P.A.D., Parkhill J., Holt K.E., Piarroux R., Ramamurthy T., Quilici M.L., Thomson N.R. Genomic history of the seventh pandemic of cholera in Africa. Science. 2017; 358:785–89. DOI: 10.1126/science.aad5901.

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