microbeПроблемы особо опасных инфекцийProblems of Particularly Dangerous Infections0370-10692658-719XRussian Research Anti-Plague Institute “Microbe”10.21055/0370-1069-2023-2-112-119microbe-1828Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИORIGINAL ARTICLESВыявление фагоиндуцируемых мобильных генетических элементов в штаммах Vibrio cholerae О1 биовара Эль ТорDetection of Phage-Induced Mobile Genetic Elements in Strains of Vibrio cholerae O1 Biovar El Torhttps://orcid.org/0000-0003-4366-0562ЗадноваС. П.ZadnovaS. P.

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

rusrapi@microbe.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2355-7018ПлехановН. А.PlekhanovN. A.

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

https://orcid.org/0000-0001-9779-166XСпиринаА. Ю.SpirinaA. Yu.

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

ШвиденкоИ. Г.ShvidenkoI. G.

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

https://orcid.org/0000-0001-6458-3725СавельевВ. Н.Savel’evV. N.

355035, Ставрополь, ул. Советская, 13–15

13–15, Sovetskaya St., Stavropol, 355035

stavnipchi@mail.ruФКУН «Российский научно-исследовательский противочумный институт «Микроб»РоссияRussian Research Anti-Plague Institute “Microbe”Russian FederationФКУЗ «Ставропольский научно-исследовательский противочумный институт»РоссияStavropol Research Anti-Plague InstituteRussian Federation20231307202302112119Copyright © Заднова С.П., Плеханов Н.А., Спирина А.Ю., Швиденко И.Г., Савельев В.Н., 20232023Заднова С.П., Плеханов Н.А., Спирина А.Ю., Швиденко И.Г., Савельев В.Н.Zadnova S.P., Plekhanov N.A., Spirina A.Y., Shvidenko I.G., Savel’ev V.N.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/1828

Приобретение новых мобильных генетических элементов способствует генетическому разнообразию штаммов Vibrio cholerae. Важная роль в данном процессе принадлежит генетическому материалу, получаемому от фагов. Цель работы – выявление фагоиндуцируемых PLE-островов в штаммах V. cholerae О1-серогруппы и определение устойчивости изолятов, содержащих и не имеющих данные мобильные генетические элементы, к литическому действию бактериофага холерного диагностического эльтор. Материалы и методы. Использовали нуклеотидные последовательности полных геномов токсигенных и нетоксигенных штаммов V. cholerae О1, представленных в NCBI GenBank. Биоинформационный анализ проводили с применением алгоритма BLAST, MEGA X (или BioEdit v. 7.0.9.0). Тест с фагами ставили по методу А. Грациа. Результаты и обсуждение. При анализе 39 токсигенных штаммов, завезенных на территорию РФ и сопредельных стран, выявлен штамм V. cholerae О1 классического биовара, содержащий остров PLE5, и 13 штаммов V. cholerae О1 биовара Эль Тор, включающих остров PLE4. В нетоксигенных штаммах PLE-острова не обнаружены. Показано, что штаммы с PLE4 относятся к геновариантам V. cholerae О1 биовара Эль Тор и имеют аллель гена ctxB1. Изоляты с данным мобильным элементом вызвали единичные случаи (1994–1999 гг.), а также вспышки холеры на территории РФ (1993–1994 гг., 1998 г. – Дагестан; 1993 г. – Татарстан) и Украины (1994–1995 гг.). Высказано предположение, что, возможно, присутствие острова PLE4 вносит определенный вклад в обеспечение устойчивости штаммов V. cholerae О1 биовара Эль Тор к холерному диагностическому фагу эльтор (выявлено 55,6 % фагоустойчивых изолятов), но существуют и другие, пока не выявленные, механизмы. Таким образом, получены данные о присутствии новых мобильных генетических элементов в геноме ранее завезенных токсигенных штаммов V. cholerae О1 биовара Эль Тор, что расширяет сведения об их генетической организации. 

The acquisition of new mobile genetic elements contributes to the genetic diversity of Vibrio cholerae strains. An important role in this process belongs to the genetic material obtained from phages. The aim of this work was to identify phage-induced PLE islands in strains of V. cholerae O1 serogroup and to determine the resistance of isolates with and without those mobile genetic elements to the lytic activity of the diagnostic cholera El Tor bacteriophage. Materials and methods. Whole genomes nucleotide sequences of toxigenic and non-toxigenic V. cholerae O1 strains presented in the NCBI GenBank were used for the work. Bioinformatic analysis was performed using the BLAST algorithm, MEGA X (or BioEdit v. 7.0.9.0). The test with phages was carried out according A. Gratia technique. Results and discussion. The analysis of 39 toxigenic strains imported to the territory of the Russian Federation and neighboring countries has revealed one strain of V. cholerae O1 of the classical biovar containing the PLE5 island, and 13 strains of V. cholerae O1 of the El Tor biovar containing the PLE4 island. PLE islands have not been found in non-toxigenic strains. It is shown that strains with PLE4 belong to V. cholerae O1 genovariants of the El Tor biovar and have the ctxB1 gene allele. Isolates with this mobile element caused sporadic cases of the disease in 1994–1999, as well as cholera outbreaks in the Russian Federation (in 1993–1994, in 1998 – Dagestan, and 1993 – Tatarstan) and Ukraine (1994–1995). It has been suggested that, perhaps, the presence of the PLE4 island makes a certain contribution to the resistance of V. cholerae O1 strains of the El Tor biovar to the diagnostic cholera El Tor phage (55.6 % of phage-resistant isolates were detected), but there are other mechanisms that have not yet been identified. Thus, the data on the presence of new mobile genetic elements in the genome of earlier imported toxigenic strains of V. cholerae O1, biovar El Tor have been obtained, which expands information about their genetic organization.

Vibrio choleraePLE-островализабельность диагностическим холерным фагом эльторVibrio choleraePLE islandslysis by diagnostic cholera El Tor phageReferencesNair G.B., Faruque S.M., Bhuiyan N.A., Kamruzzaman M., Siddique A.K., Sack D.A. New variants of Vibrio cholerae O1 biotype El Tor with attributes of the classical biotype from hospitalized patients with acute diarrhea in Bangladesh. J. Clin. Microbiol. 2002; 40(9):3296–9. DOI: 10.1128/JCM.40.9.3296-3299.2002.Nair G.B., Faruque S.M., Bhuiyan N.A., Kamruzzaman M., Siddique A.K., Sack D.A. New variants of Vibrio cholerae O1 biotype El Tor with attributes of the classical biotype from hospitalized patients with acute diarrhea in Bangladesh. J. Clin. Microbiol. 2002; 40(9):3296–9. DOI: 10.1128/JCM.40.9.3296-3299.2002.Safa A., Nair G.B., Kong R.Y. Evolution of new variants of Vibrio cholerae O1. Trends Microbiol. 2010; 18(1):46–54. DOI: 10.1016/j.tim.2009.10.003.Safa A., Nair G.B., Kong R.Y. Evolution of new variants of Vibrio cholerae O1. Trends Microbiol. 2010; 18(1):46–54. DOI: 10.1016/j.tim.2009.10.003.Bhandari M., Jennison A.V., Rathnayake I.U., Huygens F. Evolution, distribution and genetics of atypical Vibrio cholerae – A review. Infect. Genet. Evol. 2021; 89:104726. DOI: 10.1016/j.meegid.2021.104726.Bhandari M., Jennison A.V., Rathnayake I.U., Huygens F. Evolution, distribution and genetics of atypical Vibrio cholerae – A review. Infect. Genet. Evol. 2021; 89:104726. DOI: 10.1016/j.meegid.2021.104726.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(7365):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(7365):462–5. DOI: 10.1038/nature10392.Faruque S.M., Naser I.B., Islam M.J., Faruque A.S.G., Ghosh A.N., Nair G.B., Sack D.A., Mekalanos J.J. Seasonal epidemics of cholera inversely correlate with the prevalence of environmental cholera phages. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2005; 102(5):1702–7. DOI: 10.1073/pnas.0408992102. 6. Seed K.D., Bodi K.L., Kropinski A.M., Ackermann H.-W., Calderwood S.B., Qadri F., Camilli A. Evidence of a dominant lineage of Vibrio cholerae-specific lytic bacteriophages shed by cholera patients over a 10-year period in Dhaka, Bangladesh. mBio. 2011;Faruque S.M., Naser I.B., Islam M.J., Faruque A.S.G., Ghosh A.N., Nair G.B., Sack D.A., Mekalanos J.J. Seasonal epidemics of cholera inversely correlate with the prevalence of environmental cholera phages. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2005; 102(5):1702–7. DOI: 10.1073/pnas.0408992102.(1):e00334-10. DOI: 10.1128/mBio.00334-10.Seed K.D., Bodi K.L., Kropinski A.M., Ackermann H.-W., Calderwood S.B., Qadri F., Camilli A. Evidence of a dominant lineage of Vibrio cholerae-specific lytic bacteriophages shed by cholera patients over a 10-year period in Dhaka, Bangladesh. mBio. 2011; 2(1):e00334-10. DOI: 10.1128/mBio.00334-10.Faruque S.M., Mekalanos J.J. Phage-bacterial interactions in the evolution of toxigenic Vibrio cholerae. Virulence. 2012; 3(7):556–65. DOI: 10.4161/viru.22351.Faruque S.M., Mekalanos J.J. Phage-bacterial interactions in the evolution of toxigenic Vibrio cholerae. Virulence. 2012; 3(7):556–65. DOI: 10.4161/viru.22351.Angermeyer A., Das M.М., Singh D.V., Seed K.D. Analysis of 19 highly conserved Vibrio cholerae bacteriophages isolated from environmental and patient sources over a twelve-year period. Viruses. 2018; 10(6):299–310. DOI: 10.3390/v10060299.Angermeyer A., Das M.М., Singh D.V., Seed K.D. Analysis of 19 highly conserved Vibrio cholerae bacteriophages isolated from environmental and patient sources over a twelve-year period. Viruses. 2018; 10(6):299–310. DOI: 10.3390/v10060299.Boyd C.M., Angermeyer A., Hays S.G., Barth Z.K., Patel K.M., Seed K.D. Bacteriophage ICP1: a persistent predator of Vibrio cholerae. Annu. Rev. Virol. 2021; 8(1):285–304. DOI: 10.1146/annurev-virology-091919-072020.Boyd C.M., Angermeyer A., Hays S.G., Barth Z.K., Patel K.M., Seed K.D. Bacteriophage ICP1: a persistent predator of Vibrio cholerae. Annu. Rev. Virol. 2021; 8(1):285–304. DOI: 10.1146/annurev-virology-091919-072020.O’Hara B.J., Barth Z.K., McKitterick A.C., Seed K.D. A highly specific phage defense system is a conserved feature of the Vibrio cholerae mobilome. PLoS Genet. 2017; 13(6):e1006838. DOI: 10.1371/journal.pgen.1006838.O’Hara B.J., Barth Z.K., McKitterick A.C., Seed K.D. A highly specific phage defense system is a conserved feature of the Vibrio cholerae mobilome. PLoS Genet. 2017; 13(6):e1006838. DOI: 10.1371/journal.pgen.1006838.Angermeyer A., Hays S.G., Nguyen M.H.T., Johura F.T., Sultana M., Alam M., Seed K.D. Evolutionary sweeps of subviral parasites and their phage host bring unique parasite variants and disappearance of a phage CRISPR-Cas system. mBio. 2022; 13(1):e03088-21. DOI: 10.1128/mbio.03088-21.Angermeyer A., Hays S.G., Nguyen M.H.T., Johura F.T., Sultana M., Alam M., Seed K.D. Evolutionary sweeps of subviral parasites and their phage host bring unique parasite variants and disappearance of a phage CRISPR-Cas system. mBio. 2022; 13(1):e03088-21. DOI: 10.1128/mbio.03088-21.Barth Z.K., Silvas T.V., Angermeyer A., Seed K.D. Genome replication dynamics of a bacteriophage and its satellite reveal strategies for parasitism and viral restriction. Nucl. Acids Res. 2020; 48(1):249–63. DOI: 10.1093/nar/gkz1005.Barth Z.K., Silvas T.V., Angermeyer A., Seed K.D. Genome replication dynamics of a bacteriophage and its satellite reveal strategies for parasitism and viral restriction. Nucl. Acids Res. 2020; 48(1):249–63. DOI: 10.1093/nar/gkz1005.McKitterick A.C., Seed K.D. Anti-phage islands force their target phage to directly mediate island excision and spread. Nat. Commun. 2018; 9(1):e2348. DOI: 10.1038/s41467-018-04786-5.McKitterick A.C., Seed K.D. Anti-phage islands force their target phage to directly mediate island excision and spread. Nat. Commun. 2018; 9(1):e2348. DOI: 10.1038/s41467-018-04786-5.Смирнова Н.И., Агафонов Д.А., Щелканова Е.Ю., Рыбальченко Д.А., Крицкий А.А., Альхова Ж.В., Краснов Я.М., Агафонова Е.Ю., Кутырев В.В. Структурные и функциональные изменения генома авирулентных штаммов Vibrio cholerae биовара Эль Тор ctxA+tcpA+. Молекулярная генетика, микробиология и вирусология. 2020; 38(3):108–19. DOI: 10.17116/molgen202038031108.Smirnova N.I., Agafonov D.A., Shchelkanova E.Yu., Rybal’chenko D.A., Kritsky A.A., Al’khova Zh.V., Krasnov Ya.M., Agafonova E.Yu., Kutyrev V.V. [Structural and functional changes of the genome in avirulent Vibrio cholerae strains biovar El Tor, genotype ctxA+tcpA+]. Molekulyarnaya Genetika, Mikrobiologiya i Virusologiya [Molecular Genetics, Microbiology and Virology]. 2020; 38(3):108–19. DOI: 10.17116/molgen202038031108.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/SOO16675813090087.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: 10.78.68/SOO16675813090087.Онищенко Г.Г., Москвитина Э.А., Водопьянов А.С., Монахова Е.В., Писанов Р.В., Водопьянов С.О., Чемисова О.С., Кругликов В.Д., Титова С.В. Ретроспективный молекулярноэпидемиологический анализ эпидемии холеры в Республике Дагестан в 1994 г. Проблемы особо опасных инфекций. 2016; 4:33–41. DOI: 10.21055/0370-1069-2016-4-33-41.Onishchenko G.G., Moskvitina E.A., Vodop’janov A.S., Monakhova E.V., Pisanov R.V., Vodop’janov S.O., Chemisova O.S., Kruglikov V.D., Titova S.V. [Retrospective molecularepidemiological analysis of cholera epidemic in the Republic of Dagestan in 1994]. Problemy Osobo Opasnykh Infektsii [Problems of Particularly Dangerous Infections]. 2016; (4):33–41. DOI: 10.21055/0370-1069-2016-4-33-41.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.Монахова Е.В., Ghosh A., Mutreja A., Weill F.-X., Ramamurthy T. Эндемичная холера в Индии и завозная холера в России: что общего? Проблемы особо опасных инфекций. 2020; 3:17–26. DOI: 10.21055/0370-1069-2020-3-17-26.Monakhova E.V., Ghosh A., Mutreja A., Weill F.-X., Ramamurthy T. [Endemic cholera in India and imported cholera in Russia: what is common?] Problemy Osobo Opasnykh Infektsii [Problems of Particularly Dangerous Infections]. 2020; (3):17–26. DOI: 10.21055/0370-1069-2020-3-17-26.Гаевская Н.Е., Македонова Л.Д. Использование бактериофагов в лабораторной диагностике холеры. Клиническая лабораторная диагностика. 2016; 61(12):849–52. DOI: 10/1882/0869-2084-2016-61-12-849-852.Gaevskaya N.E., Makedonova L.D. [The application of bacteriophages in laboratory diagnostic of cholera]. Klinicheskaya Laboratornaya Diagnostika [Russian Clinical Laboratory Diagnostics]. 2016; 61(12):849–52. DOI: 10.18821/0869-2084-2016-61-12-849-852.Погожова М.П., Гаевская Н.Е., Водопьянов А.С., Писанов Р.В., Аноприенко А.О., Романова Л.В., Тюрина А.В. Биологические свойства и генетическая характеристика экспериментальных диагностических бактериофагов Vibrio cholerae. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2021; 98(3):290–7. DOI: 10.36233/0372-9311-39.Pogozhova M.P., Gayevskaya N.E., Vodop’yanov A.S., Pisanov R.V., Anoprienko A.O., Romanova L.V., Tyurina A.V. [Biological properties and genetic characteristics of experimental diagnostic Vibrio cholerae bacteriophages]. Zhurnal Mikrobiologii, Epidemiologii i Immunobiologi [Journal of Microbiology, Epidemiology and Immunobiology]. 2021; 98(3):290–7. DOI: 10.36233/0372-9311-39.Гумаюнова К.С., Зинина О.С., Овчинникова М.В., Гаевская Н.Е., Синягина Ю.В., Никифоров А.К. Оценка результатов испытаний экспериментального фага для диагностики холеры эльтор. Вестник биотехнологии и физико-химической биологии им. Ю.А. Овчинникова. 2021; 17(4):34–40.Gumayunova K.S., Zinina O.S., Ovchinnikova M.V., Gaevskaya N.E., Sinyagina Yu.V., Nikiforov A.K. [Evaluation of the test results of an experimental phage for the diagnosis of cholera El Tor]. [Bulletin of Biotechnology and Physicochemical Biology named after Yu.A. Ovchinnikov]. 2021; 17(4):34–40.Савельев В.Н., Ковалев Д.А., Савельева И.В., Таран Т.В., Подопригора Е.И., Васильева О.В., Шапаков Н.А., Алехина Ю.А., Куличенко А.Н. Эволюция фенотипических свойств и молекулярно-генетической организации геномов штаммов Vibrio cholerae O1 биовара Эль Тор, выделенных от больных и из объектов окружающей среды на Кавказе с 1970 по 1998 год. Здоровье населения и среда обитания. 2020; 12:56–61. DOI: 10.35627/2219-5238/2020-333-12-56-61.Savelyev V.N., Kovalev D.A., Savelyeva I.V., Taran T.V., Podoprigora E.I., Vasilyeva O.V., Shapakov N.A., Alekhina Y.A., Kulichenko A.N. [The evolution of phenotypic properties and molecular-genetic organization of genomes of Vibrio cholerae O1 El Tor variant strains isolated from patients and environmental objects in the Caucasus in 1970–1998]. Zdorov’e Naseleniya i Sreda Obitaniya [Public Health and Life Environment]. 2020; 12(333):56–61. DOI: 10.35627/2219-5238/2020-333-12-56-61.Alam M.T., Mavian C., Paisie T.K., Tagliamonte M.S., Cash M.N., Angermeyer A., Seed K.D., Camilli A., Maisha F.M., Senga R.K.K., Salemi M., Morris J.G. Jr, Ali A. Emergence and evolutionary response of Vibrio cholerae to novel bacteriophage, Democratic Republic of the Congo. Emerg. Infect. Dis. 2022; 28(12):2482–90. DOI: 10.3201/eid2812.220572.Alam M.T., Mavian C., Paisie T.K., Tagliamonte M.S., Cash M.N., Angermeyer A., Seed K.D., Camilli A., Maisha F.M., Senga R.K.K., Salemi M., Morris J.G. Jr, Ali A. Emergence and evolutionary response of Vibrio cholerae to novel bacteriophage, Democratic Republic of the Congo. Emerg. Infect. Dis. 2022; 28(12):2482–90. DOI: 10.3201/eid2812.220572.

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