microbeПроблемы особо опасных инфекцийProblems of Particularly Dangerous Infections0370-10692658-719XRussian Research Anti-Plague Institute “Microbe”10.21055/0370-1069-2022-4-41-49microbe-1759Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИORIGINAL ARTICLESSNP-профили штаммов Yersinia pestis средневекового биовара из очагов чумы ПрикаспияSNP-Profiles of Yersinia pestis Strains of the Medieval Biovar from the Caspian Sea Region Plague Focihttps://orcid.org/0000-0003-3766-7979БалыковаА. Н.BalykovaA. N.

Балыкова Алина Николаевна

Российская Федерация, 410005, Саратов, ул. Университетская, 46

Alina N. Balykova

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005, Russian Federation

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

Российская Федерация, 410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005, Russian Federation

https://orcid.org/0000-0001-6522-2606ГорюноваП. А.GoryunovaP. A.

Российская Федерация, 410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005, Russian Federation

https://orcid.org/0000-0002-3170-9827ШевченкоК. С.ShevchenkoK. S.

Российская Федерация, 410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005, Russian Federation

https://orcid.org/0000-0002-7752-6321КоврижниковА. В.KovrizhnikovA. V.

Российская Федерация, 410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005, Russian Federation

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

Российская Федерация, 410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005, Russian Federation

https://orcid.org/0000-0003-3133-3820ЧервяковаН. С.ChervyakovaN. S.

Российская Федерация, 410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005, Russian Federation

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

Российская Федерация, 410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005, Russian Federation

https://orcid.org/0000-0003-3788-3452КутыревВ. В.KutyrevV. V.

Российская Федерация, 410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005, Russian Federation

ФКУН «Российский научно-исследовательский противочумный институт «Микроб»РоссияRussian Research Anti-Plague Institute “Microbe”Russian Federation202211022023044149Copyright © Балыкова А.Н., Куклева Л.М., Горюнова П.А., Шевченко К.С., Коврижников А.В., Краснов Я.М., Червякова Н.С., Ерошенко Г.А., Кутырев В.В., 20232023Балыкова А.Н., Куклева Л.М., Горюнова П.А., Шевченко К.С., Коврижников А.В., Краснов Я.М., Червякова Н.С., Ерошенко Г.А., Кутырев В.В.Balykova A.N., Kukleva L.M., Goryunova P.A., Shevchenko K.S., Kovrizhnikov A.V., Krasnov Y.M., Chervyakova N.S., Eroshenko G.A., 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/1759

Метод SNP-типирования, основанный на выявлении в геноме стабильных генетических маркеров – однонуклеотидных полиморфизмов, успешно применяется для генотипирования патогенных микроорганизмов и может быть использован для SNP-профилирования штаммов Yersinia pestis и проведения молекулярно-генетической паспортизации очаговых территорий. Цель работы – определение SNP-профилей штаммов Y. pestis средневекового биовара, выделенных в очагах чумы Прикаспия в 1912–2015 гг., и разработка способа идентификации уникальных SNPs методом секвенирования по Сэнгеру для проведения молекулярно-генетической паспортизации этих территорий. Материалы и методы. Проведено комплексное исследование фенотипических и генотипических свойств 190 штаммов Y. pestis из очагов чумы Прикаспийского региона. Филогенетическая реконструкция методом максимального правдоподобия (Maximum Likelihood, модель GTR) в программе SeaView 5.0.4 выполнена на основе 1621 SNPs, идентифицированных среди 50 штаммов Y. pestis по данным WG-SNP-анализа в программе snippy 4.6. Расчет праймеров для ПЦР -амплификации отобранных в кандидаты-мишени SNP-локусов проводили в программе Vector NTI. Секвенирование локусов SNPs по Сэнгеру осуществлялось на генетическом анализаторе ABI PRISM 3500XL (Applied Biosystems, США). Результаты и обсуждение. Все исследованные штаммы из очагов Прикаспия по фенотипическим характеристикам относились к высоковирулентному и эпидемически значимому средневековому биовару основного подвида Y. pestis. По результатам WG-SNP-анализа определено 9 SNP-генотипов, основанных на полиморфизме единичных нуклеотидов 24 генов, характерных для ключевых филопопуляций, в которые входят штаммы, выделенные в различные периоды эпидемической и эпизоотической активности в очагах Прикаспия. Установление SNP-генотипов штаммов средневекового биовара Y. pestis, полученных более чем за столетний период в очагах Прикаспийского региона, создает предпосылки для определения их канонического SNP-профиля (canSNP) и для разработки алгоритма молекулярно-эпидемиологического мониторинга очагов, в которых циркулирует этот высоковирулентный биовар.

The SNP-typing method based on the detection of stable genetic markers in the genome, i.e., single nucleotide polymorphisms, is successfully used for genotyping of pathogenic microorganisms and can be applied for SNP-profiling of Yersinia pestis strains and molecular-genetic certification of focal areas. The aim of the study was to determine the SNP profiles of Y. pestis strains of the medieval biovar isolated in the Caspian Sea region plague foci in 1912–2015 and to develop a method for identifying unique SNPs using the Sanger sequencing for molecular-genetic certification of these territories. Materials and methods. A comprehensive study of the phenotypic and genotypic properties of 190 Y. pestis strains from plague foci in the Caspian Sea region was carried out. Phylogenetic reconstruction by the Maximum Likelihood method (GTR model) in the SeaView 5.0.4 software was performed on the basis of 1621 SNPs identified among 50 Y. pestis strains according to WG-SNP analysis in the snippy 4.6 program. Primers for PCR amplification of the SNP loci selected as target were calculated using the Vector NTI program. Sanger sequencing of SNPs loci was conducted on an ABI PRISM 3500XL genetic analyzer (Applied Biosystems, USA). Results and discussion. According to phenotypic characteristics, all studied strains from the Caspian foci belonged to a highly virulent and epidemically significant medieval biovar of the main subspecies of Y. pestis. According to the results of the WG-SNP analysis, 9 SNP genotypes were identified based on the polymorphism of single nucleotides of 24 genes characteristic of the main phylopopulations, which include strains isolated during various periods of epidemic and epizootic activity in the Caspian plague foci. Determining of SNP genotypes of Y. pestis strains of the medieval biovar, obtained over a hundred years in the Caspian foci, creates the prerequisites for defining the canonical SNP profile (canSNP) and for developing an algorithm for molecular epidemiological monitoring of the foci in which this highly virulent biovar circulates.

чумаSNPsгенотипированиеприродные очагиplagueSNPsgenotypingnatural fociReferencesKutyrev V.V., Eroshenko G.A., Motin V.L., Nosov N.Y., Krasnov J.M., Kukleva L.M., Nikiforov K.A., Al’hova 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’hova 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., Оглодин Е.Г., Никифоров К.А., Корзун В.М., Вержуцкий Д.Б., Чипанин Е.В., Аязбаев Т.З., Джапарова А.К., Бердиев С.К., Лопатин А.А., Дубянский В.М., Щербакова С.А., Балахонов С.В., Куличенко А.Н., Кутырев В.В. Эпидемиологическая ситуация по чуме в 2020 г. Прогноз эпизоотической активности природных очагов чумы Российской Федерации и других стран СНГ на 2021 г. Проблемы особо опасных инфекций. 2021; 1:52–62. DOI: 10.21055/0370-1069-2021-1-52-62.Popov N.V., Eroshenko G.A., Karnaukhov I.G., Kuznetsov A.A., Matrosov A.N., Ivanova A.V., Oglodin E.G., Nikiforov K.A., Korzun V.M., Verzhutsky D.B., Chipanin E.V., Ayazbaev T.Z., Dzhaparova A.K., Berdiev S.K., Lopatin A.A., Dubyansky V.M., Shcherbakova S.A., Balakhonov S.V., Kulichenko A.N., Kutyrev V.V. [Epidemiological situation on plague in 2020. Forecast of epizooticКутырев 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.activity of natural plague foci in the Russian Federation and other CIS countries for 2021]. Problemy Osobo Opasnykh Infektsii [Problems of Particularly Dangerous Infections]. 2021; (1):52–62. DOI: 10.21055/0370-1069-2021-1-52-62.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; 16(2):e0244615. DOI: 10.1371/journal.pone.0244615.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 Countries (1876–2016)]. Saratov: LLC “Amirit”; 2016. 248 p.Vogler A.J., Keim P., Wagner D.M. A review of methods for subtyping Yersinia pestis: From phenotypes to whole genome sequencing. Infect. Genet. Evol. 2016; 37:21–36. DOI: 10.1016/j.meegid.2015.10.024.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; 16(2):e0244615. DOI: 10.1371/journal.pone.0244615.Lärkeryd A., Myrtennäs K., Karlsson E., Dwibedi C.H., Forsman M., Larsson P., Johansson A., Sjödin A. CanSNPer: a hierarchical genotype classifier of clonal pathogens. Bioinformatics. 2014; 30(12):1762–4. DOI: 10.1093/bioinformatics/btu113.Vogler A.J., Keim P., Wagner D.M. A review of methods for subtyping Yersinia pestis: From phenotypes to whole genome sequencing. Infect. Genet. Evol. 2016; 37:21–36. DOI: 10.1016/j.meegid.2015.10.024.Онищенко Г.Г., Кутырев В.В., редакторы. Лабораторная диагностика особо опасных инфекционных болезней. Практическое руководство. М.: Шико; 2013. 560 cLärkeryd A., Myrtennäs K., Karlsson E., Dwibedi C.H., Forsman M., Larsson P., Johansson A., Sjödin A. CanSNPer: a hierarchical genotype classifier of clonal pathogens. Bioinformatics. 2014; 30(12):1762–4. DOI: 10.1093/bioinformatics/btu113.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.Onishchenko G.G., Kutyrev V.V., editors. [Laboratory Diagnostics of Particularly Dangerous Infectious Diseases. Practice Guidelines]. Moscow: CJSC “Shiko”; 2013. 560 p.Gouy M., Guindon S., Gascuel O. SeaView version 4: A multiplatform graphical user interface for sequence alignment and phylogenetic tree building. Mol. Biol. Evol. 2010; 27(2):221–4. DOI: 10.1093/molbev/msp259.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.Darriba D., Taboada G.L., Doallo R., Posada D. jModel-Test 2: more models, new heuristics and parallel computing. Nat. Methods. 2012; 9(8):772. DOI: 10.1038/nmeth.2109.Gouy M., Guindon S., Gascuel O. SeaView version 4: A multiplatform graphical user interface for sequence alignment and phylogenetic tree building. Mol. Biol. Evol. 2010; 27(2):221–4. DOI: 10.1093/molbev/msp259.Balykova A.N., Kukleva L.M., Naryshkina E.A., Eroshenko G.A., Kutyrev V.V. Five draft genome sequences of historical Yersinia pestis strains of phylogroups 2.MED4 and 2.MED1 of the medieval biovar. Microbiol. Resour. Announc. 2022; 11(5):e0004422. DOI: 10.1128/mra.00044-22.Darriba D., Taboada G.L., Doallo R., Posada D. jModel-Test 2: more models, new heuristics and parallel computing. Nat. Methods. 2012; 9(8):772. DOI: 10.1038/nmeth.2109.Balykova A.N., Kukleva L.M., Naryshkina E.A., Eroshenko G.A., Kutyrev V.V. Five draft genome sequences of historical Yersinia pestis strains of phylogroups 2.MED4 and 2.MED1 of the medieval biovar. Microbiol. Resour. Announc. 2022; 11(5):e0004422. DOI: 10.1128/mra.00044-22.Balykova A.N., Kukleva L.M., Naryshkina E.A., Eroshenko G.A., Kutyrev V.V. Five draft genome sequences of historical Yersinia pestis strains of phylogroups 2.MED4 and 2.MED1 of the medieval biovar. Microbiol. Resour. Announc. 2022; 11(5):e0004422. DOI: 10.1128/mra.00044-22.

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