microbeПроблемы особо опасных инфекцийProblems of Particularly Dangerous Infections0370-10692658-719XRussian Research Anti-Plague Institute “Microbe”10.21055/0370-1069-2023-4-96-105microbe-1903Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИORIGINAL ARTICLESАуксотрофность штаммов Yersinia pestis античного биовара и ее генетические основыAuxotrophy of Yersinia pestis Strains of Antiqua Biovar and Its Genetic Basishttps://orcid.org/0000-0002-7713-7959МакашоваМ. А.MakashovaM. 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

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

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/0000-0002-7752-6321КоврижниковА. В.KovrizhnikovA. V.

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

ШвиденкоИ. Г.ShvidenkoI. G.

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

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

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

ФКУН «Российский научно-исследовательский противочумный институт «Микроб»РоссияRussian Research Anti-Plague Institute “Microbe”Russian Federation2023090120240496105Copyright © Макашова М.А., Куклева Л.М., Червякова Н.С., Нарышкина Е.А., Коврижников А.В., Ерошенко Г.А., Швиденко И.Г., Кутырев В.В., 20242024Макашова М.А., Куклева Л.М., Червякова Н.С., Нарышкина Е.А., Коврижников А.В., Ерошенко Г.А., Швиденко И.Г., Кутырев В.В.Makashova M.A., Kukleva L.M., Chervyakova N.S., Naryshkina E.A., Kovrizhnikov A.V., Eroshenko G.A., Shvidenko I.G., 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/1903

Цель – изучение зависимости роста от аминокислот у штаммов Yersinia pestis разных филогенетических ветвей античного биовара и определение генетических основ ауксотрофности этих штаммов.

Материалы и методы

Материалы и методы. В работе использовали 38 штаммов Y. pestis основного подвида античного биовара, выделенных в различных очагах мира в период 1928–2020 гг. Питательные потребности штаммов определяли высевом на минимальный агар Difco с различным набором аминокислот. Для проведения филогенетического анализа штаммов использовали программы Wombac 2.0 и SeaView 5.0.5. Сравнительный анализ нуклеотидных последовательностей генов выполняли с помощью алгоритма BLAST и программы Mega 7.0.

Результаты и обсуждение

Результаты и обсуждение. Определена филогенетическая принадлежность использованных штаммов Y. pestis античного биовара к филогенетическим ветвям 0.ANT3, 0.ANT5, 1.ANT, 2.ANT3, 3.ANT2, 4.ANT. Установлено, что у всех исследованных штаммов античного биовара имеется общая зависимость роста от трех аминокислот – фенилаланина, треонина и метионина. У большинства штаммов античного биовара всех филогенетических ветвей рост также зависел от присутствия в среде цистеина, за исключением части штаммов филогенетической ветви 4.ANT. В 14 генах метаболизма серы и цистеина обнаружено 19 мутаций. Для каждой филогенетической группы античного биовара характерен свой профиль мутаций в генах, участвующих в биосинтезе цистеина. Установлена потребность в лейцине штаммов филогенетической ветви 0.ANT5, причиной которой может являться сдвиг рамки считывания в гене leuA. Штаммы ветви 1.ANT, выделенные на территории Демократической Республики Конго, проявляли дополнительную зависимость роста от пролина. Установленные питательные потребности штаммов и генетические причины ауксотрофности дополняют фенотипические и генетические характеристики филогенетических ветвей античного биовара и могут быть использованы в качестве генетических маркеров для дифференциации этих штаммов.

The aim of the work was to study the growth dependence on amino acids in Yersinia pestis strains of different phylogenetic branches of the antiqua biovar and to determine the genetic basis of auxotrophy of these strains.

Materials and methods

Materials and methods. We used 38 strains of Y. pestis, the main subspecies of the antiqua biovar, isolated in various foci of the world in the period of 1928–2020. The nutritional requirements of the strains were determined by incubation on Difco minimal agar with different sets of amino acids. Phylogenetic analysis of the strains was carried out using the Wombac 2.0 and SeaView 5.0.5 programs. Comparative analysis of the nucleotide sequences of the genes was performed using the BLAST algorithm and the Mega 7.0 program.

Results and discussion

Results and discussion. The phylogenetic appurtenance of the investigated Y. pestis strains of antiqua biovar to the phylogenetic branches 0.ANT3, 0.ANT5, 1.ANT, 2.ANT3, 3.ANT2, 4.ANT has been determined. It is established that all studied strains have a common dependence of growth on three amino acids – phenylalanine, threonine, and methionine. In the majority of the strains of antiqua biovar of all phylogenetic branches, growth is also dependent on the presence of cysteine in the medium, except for a part of the strains of the phylogenetic branch 4.ANT. In 14 genes of sulfur and cysteine metabolism, 19 mutations have been identified. Each phylogenetic group of the antique biovar has a distinct profile of mutations in genes involved in cysteine biosynthesis. The leucine requirement of the strains belonging to phylogenetic branch 0.ANT5 has been established, possibly caused by a frame shift in the leuA gene. Strains of the 1.ANT branch isolated in the Democratic Republic of the Congo demonstrate an additional proline-dependent growth. The defined nutritional requirements in the strains and the genetic causes of auxotrophy complement the phenotypic and genetic characteristics of the phylogenetic branches of the antiqua biovar and can be used as genetic markers for the differentiation of these strains.

возбудитель чумыантичный биоварпитательные потребности штаммовplague agentantiqua biovarand nutritional requirements of strainsReferencesBos K.I., Schuenemann V.J., Golding G.B., Burbano H.A., Waglechner N., Coombes B.K., McPhee J.B., DeWitte S.N., Meyer M., Schmedes S., Wood J., Earn D.J., Herring D.A., Bauer P., Poinar H.N., Krause J. A draft genome of Yersinia pestis from victims of the Black Death. Nature. 2011; 478(7370):506–10. DOI: 10.1038/nature10549.Bos K.I., Schuenemann V.J., Golding G.B., Burbano H.A., Waglechner N., Coombes B.K., McPhee J.B., DeWitte S.N., Meyer M., Schmedes S., Wood J., Earn D.J., Herring D.A., Bauer P., Poinar H.N., Krause J. A draft genome of Yersinia pestis from victims of the Black Death. Nature. 2011; 478(7370):506–10. DOI: 10.1038/nature10549.Harbeck M., Seifert L., Hänsch S., Wagner D.M., Birdsell D., Parise K.L. Wiechmann I., Grupe G., Thomas A., Keim P., Zöller L., Bramanti B., Riehm J.M., Scholz H.C. Yersinia pestis DNA from skeletal remains from the 6th century AD reveals insights into Justinianic Plague. PLoS Pathog. 2013; 9(5):e1003349. DOI: 10.1371/journal.ppat.1003349.Harbeck M., Seifert L., Hänsch S., Wagner D.M., Birdsell D., Parise K.L. Wiechmann I., Grupe G., Thomas A., Keim P., Zöller L., Bramanti B., Riehm J.M., Scholz H.C. Yersinia pestis DNA from skeletal remains from the 6th century AD reveals insights into Justinianic Plague. PLoS Pathog. 2013; 9(5):e1003349. DOI: 10.1371/journal.ppat.1003349.Wagner D.M., Klunk J., Harbeck M., Devault A., Waglechner N., Sahl J.W., Enk J., Birdsell D.N., Kuch M., Lumibao C., Poinar D., Pearson T., Fourment M., Golding B., Riehm J.M., Earn D.J., Dewitte S., Rouillard J.M., Grupe G., Wiechmann I., Bliska J.B., Keim P.S., Scholz H.C., Holmes E.C., Poinar H. Yersinia pestis and the plague of Justinian 541–543 AD: a genomic analysis. Lancet. Infect. Dis. 2014; 14(4):319–26. DOI: 10.1016/S1473-3099(13)70323-2.Wagner D.M., Klunk J., Harbeck M., Devault A., Waglechner N., Sahl J.W., Enk J., Birdsell D.N., Kuch M., Lumibao C., Poinar D., Pearson T., Fourment M., Golding B., Riehm J.M., Earn D.J., Dewitte S., Rouillard J.M., Grupe G., Wiechmann I., Bliska J.B., Keim P.S., Scholz H.C., Holmes E.C., Poinar H. Yersinia pestis and the plague of Justinian 541–543 AD: a genomic analysis. Lancet. Infect. Dis. 2014; 14(4):319–26. DOI: 10.1016/S1473-3099(13)70323-2.Spyrou M.A., Tukhbatova R.I., Feldman M., Drath J., Kacki S., Beltrán de Heredia J., Arnold S., Sitdikov A.G., Castex D., Wahl J., Gazimzyanov I.R., Nurgaliev D.K., Herbig A., Bos K.I., Krause J. Historical Y. pestis genomes reveal the European Black Death as the source of ancient and modern plague pandemics. Cell Host Microbe. 2016; 19(6):874–81. DOI: 10.1016/j.chom.2016.05.012.Spyrou M.A., Tukhbatova R.I., Feldman M., Drath J., Kacki S., Beltrán de Heredia J., Arnold S., Sitdikov A.G., Castex D., Wahl J., Gazimzyanov I.R., Nurgaliev D.K., Herbig A., Bos K.I., Krause J. Historical Y. pestis genomes reveal the European Black Death as the source of ancient and modern plague pandemics. Cell Host Microbe. 2016; 19(6):874–81. DOI: 10.1016/j.chom.2016.05.012.Попова А.Ю., Кутырев В.В., редакторы. Атлас природных очагов чумы России и зарубежных государств. Калининград: РА Полиграфычъ; 2022. 348 с.Popova A.Yu., Kutyrev V.V., editors. [Atlas of Natural Plague Foci in Russia and Foreign Countries]. Kaliningrad; 2022. 348 p.Куклева Л.М., Одиноков Г.Н., Шавина Н.Ю., Ерошенко Г.А., Кутырев В.В. Сравнительный анализ питательных потребностей штаммов Yersinia pestis основного и неосновных подвидов и генетические причины их ауксотрофности. Проблемы особо опасных инфекций. 2013; 2:33–6. DOI: 10.21055/0370-1069-2013-2-33-36.Kukleva L.M., Odinokov G.N., Shavina N.Yu., Eroshenko G.A., Kutyrev V.V. [Comparative analysis of the nutrient requirements among Yersinia pestis strains of the main and non-main subspecies as well as genetic causes of their auxotrophy]. Problemy Problemy Osobo Opasnykh Infektsii [Problems of Particularly Dangerous Infections]. 2013; (2):33–6. DOI: 10.21055/0370-1069-2013-2-33-36.Bearden S.W., Sexton C., Pare J., Fowler J.M., Arvidson C.G., Yerman L., Viola R.E., Brubaker R.R. Attenuated enzootic (pestoides) isolates of Yersinia pestis express active aspartase. Microbiology (Reading). 2009; 155(Pt. 1):198–209. DOI: 10.1099/mic.0.021170-0.Bearden S.W., Sexton C., Pare J., Fowler J.M., Arvidson C.G., Yerman L., Viola R.E., Brubaker R.R. Attenuated enzoo¬ tic (pestoides) isolates of Yersinia pestis express active aspartase. Microbiology (Reading). 2009; 155(Pt. 1):198–209. DOI: 10.1099/mic.0.021170-0.Brubaker R.R. Interconversion of purine mononucleotides in Pasteurella pestis. Infect. Immun. 1970; 1(5):446–54. DOI: 10.1128/iai.1.5.446-454.1970.Brubaker R.R. Interconversion of purine mononucleotides in Pasteurella pestis. Infect. Immun. 1970; 1(5):446–54. DOI: 10.1128/iai.1.5.446-454.1970.Kanehisa M., Goto S. KEGG: kyoto encyclopedia of genes and genomes. Nucleic Acids Res. 2000; 28(1):27–30. DOI: 10.1093/nar/28.1.27.Kanehisa M., Goto S. KEGG: kyoto encyclopedia of genes and genomes. Nucleic Acids Res. 2000; 28(1):27–30. DOI: 10.1093/nar/28.1.27.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 variability of the nitrate reduction feature in Yersinia pestis strains]. Genetika [Russian Journal of Genetics]. 2014; 50(5):522–30. DOI: 10.7868/S001667581405004X.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 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.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.Eroshenko G.A., Nosov N.Y., Krasnov Y.M., Oglodin Y.G., Kukleva L.M., Guseva N.P., Kuznetsov A.A., Abdikarimov S.T., Dzhaparova A.K., Kutyrev V.V. Yersinia pestis strains of ancient phylogenetic branch 0.ANT are widely spread in the high-mountain plague foci of Kyrgyzstan. PLoS One. 2017; 12(10):e0187230. DOI: 10.1371/journal.pone.0187230.Eroshenko G.A., Nosov N.Y., Krasnov Y.M., Oglodin Y.G., Kukleva L.M., Guseva N.P., Kuznetsov A.A., Abdikarimov S.T., Dzhaparova A.K., Kutyrev V.V. Yersinia pestis strains of ancient phylogenetic branch 0.ANT are widely spread in the high-mountain plague foci of Kyrgyzstan. PLoS One. 2017; 12(10):e0187230. DOI: 10.1371/journal.pone.0187230.Parkhill J., Wren B.W., Thomson N.R., Titball R.W., Holden M.T., Prentice M.B., Sebaihia M., James K.D., Churcher C., Mungall K.L., Baker S., Basham D., Bentley S.D., Brooks K., Cerdeño-Tárraga A.M., Chillingworth T., Cronin A., Davies R.M., Davis P., Dougan G., Feltwell T., Hamlin N., Holroyd S., Jagels K., Karlyshev A.V., Leather S., Moule S., Oyston P.C., Quail M., Rutherford K., Simmonds M., Skelton J., Stevens K., Whitehead S., Barrell B.G. Genome sequence of Yersinia pestis, the causative agent of plague. Nature. 2001; 413(6855):523–7. DOI: 10.1038/35097083.Parkhill J., Wren B.W., Thomson N.R., Titball R.W., Holden M.T., Prentice M.B., Sebaihia M., James K.D., Churcher C., Mungall K.L., Baker S., Basham D., Bentley S.D., Brooks K., CerdeñoTárraga A.M., Chillingworth T., Cronin A., Davies R.M., Davis P., Dougan G., Feltwell T., Hamlin N., Holroyd S., Jagels K., Karlyshev A.V., Leather S., Moule S., Oyston P.C., Quail M., Rutherford K., Simmonds M., Skelton J., Stevens K., Whitehead S., Barrell B.G. Genome sequence of Yersinia pestis, the causative agent of plague. Nature. 2001; 413(6855):523–7. DOI: 10.1038/35097083.Одиноков Г.Н., Ерошенко Г.А., Краснов Я.М., Куклева Л.М., Шавина Н.Ю., Павлова А.И., Кутырев В.В. Генетические основы метионинзависимости штаммов Yersinia pestis основного и неосновных подвидов. Генетика. 2011; 47(3):332–8.Odinokov G.N., Eroshenko G.A., Krasnov Ya.M., Kukleva L.M., Shavina N.Yu., Pavlova A.I., Kutyrev V.V. [Genetic basis of methionine dependence of Yersinia pestis strains of the main and non-main subspecies]. Genetika [Russian Journal of Genetics]. 2011; 47(3):332–8.Charusanti P., Chauhan S., McAteer K., Lerman J.A., Hyduke D.R., Motin V.L., Ansong C., Adkins J.N., Palsson B.O. An experimentally-supported genome-scale metabolic network reconstruction for Yersinia pestis CO92. BMC Syst. Biol. 2011; 5:163. DOI: 10.1186/1752-0509-5-163.Charusanti P., Chauhan S., McAteer K., Lerman J.A., Hyduke D.R., Motin V.L., Ansong C., Adkins J.N., Palsson B.O. An experimentally-supported genome-scale metabolic network reconstruction for Yersinia pestis CO92. BMC Syst. Biol. 2011; 5:163. DOI: 10.1186/1752-0509-5-163.Chain P.S., Carniel E., Larimer F.W., Lamerdin J., Stoutland P.O., Regala W.M., Georgescu A.M., Vergez L.M., Land M.L., Motin V.L., Brubaker R.R., Fowler J., Hinnebusch J., Marceau M., Medigue C., Simonet M., Chenal-Francisque V., Souza B., Dacheux D., Elliott J.M., Derbise A., Hauser L.J., Garcia E. Insights into the evolution of Yersinia pestis through whole-genome comparison with Yersinia pseudotuberculosis. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2004; 101(38):13826–31. DOI: 10.1073/pnas.0404012101.Chain P.S., Carniel E., Larimer F.W., Lamerdin J., Stoutland P.O., Regala W.M., Georgescu A.M., Vergez L.M., Land M.L., Motin V.L., Brubaker R.R., Fowler J., Hinnebusch J., Marceau M., Medigue C., Simonet M., Chenal-Francisque V., Souza B., Dacheux D., Elliott J.M., Derbise A., Hauser L.J., Garcia E. Insights into the evolution of Yersinia pestis through whole-genome comparison with Yersinia pseudotuberculosis. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2004; 101(38):13826–31. DOI: 10.1073/pnas.0404012101.Сучков Ю.Г., Розанова Г.Н., Елкин Ю.М., Грамотина Л.И. Естественная генетическая маркировка штаммов чумного микроба из природных очагов Кавказа. Проблемы природной очаговости чумы. 1980; 2:35–7.Suchkov Yu.G., Rozanova G.N., Elkin Yu.M., Gramotina L.I. [Natural genetic marking of plague microbe strains from natural foci of the Caucasus]. Problemy Prirodnoy Ochagovosti Chumy [Problems of Natural Focality of Plague]. 1980; (2):35–7.Мартиневский И.Л. К изучению особенностей штаммов чумного микроба, выделенных в некоторых районах Африки. Проблемы особо опасных инфекций. 1975; 42(2):10–3.Martinevsky I.L. [Regarding the study of features of plague microbe strains isolated in some regions of Africa]. Problemy Osobo Opasnykh Infektsii [Problems of Particularly Dangerous Infections]. 1975; 42(2):10–3.Turnbull A.L., Surette M.G. Cysteine biosynthesis, oxidative stress and antibiotic resistance in Salmonella typhimurium. Res. Microbiol. 2010; 161(8):643–50. DOI: 10.1016/j.resmic.2010.06.004.Turnbull A.L., Surette M.G. Cysteine biosynthesis, oxidative stress and antibiotic resistance in Salmonella typhi¬ murium. Res. Microbiol. 2010; 161(8):643–50. DOI: 10.1016/j.resmic.2010.06.004.Brunner K., Maric S., Reshma R.S., Almqvist H., Seashore-Ludlow B., Gustavsson A.L., Poyraz Ö., Yogeeswari P., Lundbäck T., Vallin M., Sriram D., Schnell R., Schneider G. Inhibitors of the cysteine synthase CysM with antibacterial potency against dormant Mycobacterium tuberculosis. J. Med. Chem. 2016; 59(14):6848–59. DOI: 10.1021/acs.jmedchem.6b00674.Brunner K., Maric S., Reshma R.S., Almqvist H., Seashore-Ludlow B., Gustavsson A.L., Poyraz Ö., Yogeeswari P., Lundbäck T., Vallin M., Sriram D., Schnell R., Schneider G. Inhibitors of the cysteine synthase CysM with antibacterial potency against dormant Mycobacterium tuberculosis. J. Med. Chem. 2016; 59(14):6848–59. DOI: 10.1021/acs.jmedchem.6b00674.Онищенко 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.

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