microbeПроблемы особо опасных инфекцийProblems of Particularly Dangerous Infections0370-10692658-719XRussian Research Anti-Plague Institute “Microbe”10.21055/0370-1069-2022-3-61-69microbe-1726Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИORIGINAL ARTICLESПрикаспийский песчаный природный очаг: филогенетическая история и происхождение штаммов Yersinia pestisCaspian Sandy Natural Focus: Phylogenetic History and Origin of Yersinia pestis Strainshttps://orcid.org/0000-0001-6522-2606ГорюноваП. А.GoryunovaP. A.

Горюнова Полина Александровна

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

Goryunova Polina A.

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

rusrapi@microbe.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5403-989XЕрошенкоГ. А.EroshenkoG. A.

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

rusrapi@microbe.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2438-8364КуклеваЛ. М.KuklevaL. M.

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

rusrapi@microbe.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9190-099XНарышкинаЕ. А.NaryshkinaE. A.

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

rusrapi@microbe.ruСоседоваЕ. А.SosedovaE. A.

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

rusrapi@microbe.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3133-3820ЧервяковаН. С.ChervyakovaN. S.

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

rusrapi@microbe.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3788-3452КутыревВ. В.KutyrevV. V.

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

rusrapi@microbe.ruФКУН «Российский научно-исследовательский противочумный институт «Микроб»РоссияRussian Research Anti-Plague Institute “Microbe”Russian Federation202229102022036169Copyright © Горюнова П.А., Ерошенко Г.А., Куклева Л.М., Нарышкина Е.А., Соседова Е.А., Червякова Н.С., Кутырев В.В., 20222022Горюнова П.А., Ерошенко Г.А., Куклева Л.М., Нарышкина Е.А., Соседова Е.А., Червякова Н.С., Кутырев В.В.Goryunova P.A., Eroshenko G.A., Kukleva L.M., Naryshkina E.A., Sosedova E.A., Chervyakova N.S., Kutyrev V.V.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://journal.microbe.ru/jour/article/view/1726

Цель работы – анализ филогенетического родства и происхождения штаммов Yersinia pestis, выделенных в разные периоды эпизоотической активности Прикаспийского песчаного природного очага (ПППО) чумы в XX– XXI вв.

Материалы и методы

Материалы и методы. В работе использованы 40 штаммов Y. pestis из ПППО и сопредельных очагов чумы, выделенных в 1922–2015 гг. Проведено полногеномное секвенирование 19 штаммов Y. pestis из ПППО. Филогенетический анализ выполнен по данным полногеномного SNP-анализа на основе 1914 выявленных SNPs. Поиск маркерных SNPs выполняли с помощью программы Snippy 4.6. Построение филогенетического дерева осуществляли с использованием алгоритма Maximum Likelihood, модель нуклеотидных замен GTR.

Результаты и обсуждение

Результаты и обсуждение. По данным полногеномного SNP-анализа установлено, что штаммы Y. pestis средневекового биовара из ПППО относятся к филогенетической линии 2.MED1 и делятся на две основные ветви. Одна из них циркулировала в очаге в первой половине XX в., а другая – во второй половине XX – начале XXI в. Показано, что штаммы первой ветви являлись причиной вспышек и отдельных случаев чумы в ПППО в первой половине XX в. Они близкородственны штаммам из Прикаспийского Северо-Западного степного и Волго-Уральского песчаного природных очагов чумы, которые в этот же период вызывали многочисленные вспышки с высоким процентом летальности. Штаммы Y. pestis из ПППО второй половины XX и начала XXI в. относятся ко второй филогенетической ветви линии 2.MED1, в основании которой лежат штаммы из Северного Приаралья 1945 г. Последние были предшественниками всех штаммов, выделенных в ПППО после длительного межэпизоотического периода, произошедшего в середине XX в. Также прослеживается генетическое родство штаммов из ПППО и Дагестанского равнинно-предгорного очага.

The purpose of the work was to analyze the phylogenetic relations and origin of Yersinia pestis strains isolated in different periods of epizootic activity of the Caspian sandy natural focus (CSNF) of plague in the XX–XXI centuries.

Materials and methods

Materials and methods. We used 40 Y. pestis strains from CSNF and adjacent plague foci, isolated in 1922–2015. Carried out was whole genome sequencing of 19 Y. pestis strains from CSNF. Phylogenetic analysis was performed using whole genome SNP analysis based on 1914 identified SNPs. The search for marker SNPs was conducted using the Snippy 4.6 software. The phylogenetic tree was constructed using the Maximum Likelihood algorithm, the GTR nucleotide substitution model.

Results and discussion

Results and discussion. The whole genome SNP analysis has revealed that Y. pestis strains of the medieval biovar from CSNF belong to 2.MED1 phylogenetic lineage and fall into two major branches. One of them circulated in the focus in the first half of the XX century, and the other – in the second half of the XX – early XXI centuries. It is shown that strains of the first branch were the cause of outbreaks and individual cases of plague in the CSNF in the first half of the XX century. They are closely related to strains from the Caspian North-Western steppe and Volga-Ural sandy natural plague foci, which caused numerous outbreaks with high mortality rate in the same period. Y. pestis strains from the CSNF of the second half of the XX and early XXI centuries belong to the second phylogenetic branch of the 2.MED1 line, at the node of which the strains from the Northern Aral Sea region of 1945 lay. The latter were the predecessors of all strains isolated in the CSNF after a long inter-epizootic period that occurred in the middle of the XX century. There can also be traced a genetic relation between the strains from CSNF and the Dagestan plain-foothill focus.

чумаштаммыПрикаспийский песчаный природный очагфилогения Yersinia pestisplaguestrainsCaspian sandy natural focusphylogeny of Yersinia pestisReferencesКутырев В.В., Попова А.Ю., редакторы. Кадастр эпидемических и эпизоотических проявлений чумы на территории Российской Федерации и ближнего зарубежья (с 1876 по 2016 год). Саратов: Амирит; 2016. 248 с.Kutyrev V.V., Popova A.Yu., editors. [Cadastre of Epidemic and Epizootic Plague Manifestations in the Territory of the Russian Federation and Former Soviet Union Countries (1876–2016)]. Saratov: LLC “Amirit”; 2016. 248 p.Попов Н.В., Карнаухов И.Г., Кузнецов А.А., Матросов А.Н., Сафронов В.А., Поршаков А.М., Иванова А.В., Марцоха К.С., Корзун В.М., Вержуцкий Д.Б., Чипанин Е.В., Лопатин А.А., Дубянский В.М., Ашибоков У.М., Газиева А.Ю., Зенкевич Е.С., Балахонов С.В., Куличенко А.Н., Кутырев В.В. Совершенствование эпидемиологического надзора в природных очагах чумы Российской Федерации и прогноз их эпизоотической активности на 2022 г. Проблемы особо опасных инфекций. 2022; 1:35–42. DOI: 10.21055/0370-1069-2022-1-35-42.Popov N.V., Karnaukhov I.G., Kuznetsov A.A., Matrosov A.N., Safronov V.A., Porshakov А.M., Ivanova A.V., Martsokha K.S., Korzun V.M., Verzhutsky D.B., Chipanin E.V., Lopatin A.A., Dubyansky V.M., Ashibokov U.M., Gazieva A.Yu., Zenkevich E.S., Balakhonov S.V., Kulichenko A.N., Kutyrev V.V. [Enhancement of epidemiological surveillance in natural plague foci of the Russian Federation and forecast of epizootic activity for 2022]. Problemy Osobo Opasnykh Infektsii [Problems of Particularly Dangerous Infections]. 2022; (1):35–42. DOI: 10.21055/0370-1069-2022-1-35-42Павлова А.И., Ерошенко Г.А., Одиноков Г.Н., Куклева Л.М., Шавина Н.Ю., Краснов Я.М., Кутырев В.В. Анализ генетической изменчивости штаммов Yersinia pestis средневекового биовара из природных очагов чумы Российской Федерации и Монголии. Проблемы особо опасных инфекций. 2012; 4:49–53. DOI: 10.21055/0370-1069-2012-4-49-53.Pavlova A.I., Eroshenko G.A., Odinokov G.N., Kukleva L.M., Shavina N.Yu., Krasnov Y.M., Kutyrev V.V. [Analysis of genetic variability of Yersinia pestis strains (medieval biovar) isolated in natural plague foci of the Russian Federation and Mongolia]. Problemy Osobo Opasnykh Infektsii [Problems of Particularly Dangerous Infections]. 2012; (4):49–53. DOI: 10.21055/0370-1069-2012-4-49-53Онищенко Г.Г., Кутырев В.В., редакторы. Лабораторная диагностика особо опасных инфекционных болезней. Практическое руководство. М.: Шико; 2013. 560 c.Onishchenko G.G., Kutyrev V.V., editors. [Laboratory Diagnostics of Particularly Dangerous Infectious Diseases. Practice Guidelines]. Moscow: CJSC “Shiko”; 2013. 560 p.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; 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; 2:577–82. DOI: 10.1073/pnas.1205750110.Darriba D., Taboada G.L., Doallo R., Posada D. jModelTest 2: more models, new heuristics and parallel computing. Nat. Methods. 2012; 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. Nat. Methods. 2012; 8:772. DOI: 10.1038/nmeth.2109.Ерошенко Г.А., Попов Н.В., Альхова Ж.В., Балыкова А.Н., Куклева Л.М., Червякова Н.С., Майканов Н.С., Сармулдина А.Х., Кутырев В.В. Пространственно-временной анализ циркуляции Yersinia pestis в Волго-Уральском песчаном очаге. Проблемы особо опасных инфекций. 2019; 3:51–7. DOI: 10.21055/0370-1069-2019-3-51-5.Eroshenko G.A., Popov N.V., Al’khova Z.V., Balykova A.N., Kukleva L.M., Chervyakova N.S., Maykanov N.S., Sarmuldina A.K., Kutyrev V.V. [Circulation of Yersinia pestis in the Volga-Ural sandy focus: spatiotemporal analysis]. Problemy Osobo Opasnykh Infektsii [Problems of Particularly Dangerous Infections]. 2019; (3):51–7. DOI: 10.21055/0370-1069-2019-3-51-57Eroshenko G.A., Popov N.V., Al’khova Z.V., Kukleva L.M., Balykova A.N., Chervyakova N.S., Naryshkina E.A., Kutyrev V.V. Evolution and circulation of Yersinia pestis in the Northern Caspian and Northern Aral Sea regions in the 20th–21st centuries. PLoS One. 2021; 2:e0244615. DOI: 10.1371/journal.pone.0244615.Eroshenko G.A., Popov N.V., Al’khova Z.V., Kukleva L.M., Balykova A.N., Chervyakova N.S., Naryshkina E.A., Kutyrev V.V. Evolution and circulation of Yersinia pestis in the Northern Caspian and Northern Aral Sea regions in the 20th–21st centuries. PLoS One. 2021; 2:e0244615. DOI: 10.1371/journal.pone.0244615.Li J., Wang Y., Liu F., Shen X., Wang Y., Fan M., Peng Y., Wang S., Feng Y., Zhang W., Lv., Zhang H., Lu X., Zhang E., Wei J., Chen L., Kan B., Zhang Z., Xu J., Wang W., Li W. Genetic source tracking of human plague cases in Inner Mongolia-Beijing, 2019. PLoS Negl. Trop. Dis. 2021; 8:e0009558. DOI: 10.1371/journal.pntd.0009558.Li J., Wang Y., Liu F., Shen X., Wang Y., Fan M., Peng Y., Wang S., Feng Y., Zhang W., Lv., Zhang H., Lu X., Zhang E., Wei J., Chen L., Kan B., Zhang Z., Xu J., Wang W., Li W. Genetic source tracking of human plague cases in Inner Mongolia-Beijing, 2019. PLoS Negl. Trop. Dis. 2021; 8:e0009558. DOI: 10.1371/journal.pntd.0009558.Xu L., Stige L.C., Leirs H., Neerinckx S., Gage K.L., Yang R., Liu Q., Bramanti B., Dean K.R., Tang H., Sun Z., Stenseth N.C., Zhang Z. Historical and genomic data reveal the influencing factors on global transmission velocity of plague during the Third Pandemic. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2019; 24:11833–8. DOI: 10.1073/pnas.1901366116.Xu L., Stige L.C., Leirs H., Neerinckx S., Gage K.L., Yang R., Liu Q., Bramanti B., Dean K.R., Tang H., Sun Z., Stenseth N.C., Zhang Z. Historical and genomic data reveal the influencing factors on global transmission velocity of plague during the Third Pandemic. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2019; 24:11833–8. DOI: 10.1073/pnas.1901366116.

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