microbeПроблемы особо опасных инфекцийProblems of Particularly Dangerous Infections0370-10692658-719XRussian Research Anti-Plague Institute “Microbe”10.21055/0370-1069-2024-1-154-161microbe-1956Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИORIGINAL ARTICLESГенетическая характеристика штаммов Brucella melitensis, выделенных на территории Российской Федерации, на основе данных анализа единичных нуклеотидных полиморфизмов при полногеномном секвенированииGenetic Profile of Brucella melitensis Strains Isolated on the Territory of the Russian Federation, Based on Analysis of Single Nucleotide Polymorphisms Following Whole Genome Sequencinghttps://orcid.org/0000-0001-9513-0761КузнецоваИ. В.KuznetsovaI. V.

355035, Ставрополь, ул. Советская, 13–15

13–15, Sovetskaya St., Stavropol, 355035

stavnipchi@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9366-5647КовалевД. А.KovalevD. A.

Ковалев Дмитрий Анатольевич, 

355035, Ставрополь, ул. Советская, 13–15

Dmitry A. Kovalev, 

13–15, Sovetskaya St., Stavropol, 355035

kovalev_da.stv@list.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6458-6790ПисаренкоС. В.PisarenkoS. V.

355035, Ставрополь, ул. Советская, 13–15

13–15, Sovetskaya St., Stavropol, 355035

https://orcid.org/0000-0001-6338-4476БобрышеваО. В.BobryshevaO. V.

355035, Ставрополь, ул. Советская, 13–15

13–15, Sovetskaya St., Stavropol, 355035

https://orcid.org/0000-0001-9152-4026ШапаковН. А.ShapakovN. A.

355035, Ставрополь, ул. Советская, 13–15

13–15, Sovetskaya St., Stavropol, 355035

https://orcid.org/0000-0002-7698-7361ЖировА. М.ZhirovA. M.

355035, Ставрополь, ул. Советская, 13–15

13–15, Sovetskaya St., Stavropol, 355035

https://orcid.org/0000-0002-8974-1053СафоноваН. С.SafonovaN. S.

355035, Ставрополь, ул. Советская, 13–15

13–15, Sovetskaya St., Stavropol, 355035

https://orcid.org/0000-0003-0422-6755ПономаренкоД. Г.PonomarenkoD. G.

355035, Ставрополь, ул. Советская, 13–15

13–15, Sovetskaya St., Stavropol, 355035

https://orcid.org/0000-0002-7459-7204ХачатуроваА. А.KhachaturovaA. A.

355035, Ставрополь, ул. Советская, 13–15

13–15, Sovetskaya St., Stavropol, 355035

https://orcid.org/0000-0001-7180-1292ЖилченкоЕ. Б.ZhilchenkoE. B.

355035, Ставрополь, ул. Советская, 13–15

13–15, Sovetskaya St., Stavropol, 355035

СердюкН. С.SerdyukN. S.

355035, Ставрополь, ул. Советская, 13–15

13–15, Sovetskaya St., Stavropol, 355035

https://orcid.org/0000-0002-9362-3949КуличенкоА. Н.KulichenkoA. N.

355035, Ставрополь, ул. Советская, 13–15

13–15, Sovetskaya St., Stavropol, 355035

ФКУЗ «Ставропольский научно-исследовательский противочумный институт»РоссияStavropol Research Anti-Plague InstituteRussian Federation20240404202401154161Copyright © Кузнецова И.В., Ковалев Д.А., Писаренко С.В., Бобрышева О.В., Шапаков Н.А., Жиров А.М., Сафонова Н.С., Пономаренко Д.Г., Хачатурова А.А., Жилченко Е.Б., Сердюк Н.С., Куличенко А.Н., 20242024Кузнецова И.В., Ковалев Д.А., Писаренко С.В., Бобрышева О.В., Шапаков Н.А., Жиров А.М., Сафонова Н.С., Пономаренко Д.Г., Хачатурова А.А., Жилченко Е.Б., Сердюк Н.С., Куличенко А.Н.Kuznetsova I.V., Kovalev D.A., Pisarenko S.V., Bobrysheva O.V., Shapakov N.A., Zhirov A.M., Safonova N.S., Ponomarenko D.G., Khachaturova A.A., Zhilchenko E.B., Serdyuk N.S., Kulichenko A.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/1956

Цель работы – проведение сравнительного филогенетического анализа на основе gSNP полных геномов штаммов Brucella melitensis, циркулирующих на территории Российской Федерации.

Материалы и методы

Материалы и методы. Выполнено wgSNP-типирование 412 штаммов B. melitensis основных генетических линий бруцелл из разных регионов мира, включая 64 штамма, выделенных в регионах европейской и азиатской части Российской Федерации. Секвенирование ДНК проводили на платформе Ion GeneStudio S5 Plus (Life Technologies, США) при использовании набора для быстрой подготовки библиотек ДНК Ion Plus Fragment Library Kit (Life Technologies, США), по протоколу Ion 520™ & Ion 530™ Kit – Chef (Revision D.0).

Результаты и обсуждение

Результаты и обсуждение. Установлено, что штаммы, циркулирующие в России, принадлежат главным образом к генотипу II, который имеет широкое географическое распространение на территории Евразии. При этом в регионах Сибири преобладает подгенотип IIh, а на европейской территории страны – IIi. Впервые определены наборы специфичных SNP, позволяющие осуществлять внутривидовую дифференциацию штаммов B. melitensis. Полученные результаты позволили определить вероятные пути проникновения возбудителя бруцеллеза на территорию Российской Федерации из Китая и стран Ближнего Востока. Показана перспектива применения оптимизированной схемы wgSNP-типирования для решения актуальных задач в области молекулярной эпидемиологии бруцеллеза, в том числе определения генотипа и подгенотипа патогена, ассоциированного с вероятным географическим регионом происхождения инфекции, выявления генетической связи между штаммами с высокой точностью.

The aim of the work was to conduct a comparative phylogenetic analysis based on wgSNP of complete genomes of Brucella melitensis strains circulating in the territory of the Russian Federation.

Materials and methods

Materials and methods. wgSNP typing of 412 B. melitensis strains of the main genetic lineages of brucella from different regions of the world, including 64 strains isolated in the regions of the European and Asian parts of the Russian Federation, was performed. DNA sequencing was conducted on the “Ion GeneStudio S5 Plus” platform (“Life Technologies”, USA) using the “Ion Plus Fragment Library Kit library preparation” (“Life Technologies”, USA), according to the “Ion 520™ & Ion 530™ Kit – Chef” protocol (Revision D.0).

Results and discussion

Results and discussion. It has been established that the strains circulating in Russia belong mainly to genotype II, which has a wide geographical distribution across the territory of Eurasia. At the same time, subgenotype IIh prevails in the regions of Siberia, and Iii – in the European territory of the country. For the first time, sets of specific SNPs have been identified that allow for intraspecific differentiation of B. melitensis strains. The obtained results made it possible to determine the probable routes of introduction of the causative agent of brucellosis into the territory of the Russian Federation from China and the countries of the Middle East. The prospect of using an optimized wgSNP typing scheme to solve urgent problems in the field of molecular epidemiology of brucellosis is demonstrated. It includes determining the genotype and subgenotype of the pathogen associated with the probable geographical region of origin of infection, and identifying the genetic relations between strains with high accuracy.

Brucella melitensisполногеномное секвенированиеSNP-анализфилогенияBrucella melitensiswhole genome sequencingSNP analysisphylogenyReferencesПономаренко Д.Г., Скударева О.Н., Хачатурова А.А., Лукашевич Д.Е., Жаринова И.В., Даурова А.В., Германова А.Н., Логвиненко О.В., Ракитина Е.Л., Костюченко М.В., Манин Е.А., Малецкая О.В., Куличенко А.Н. Бруцеллез: тенденции развития ситуации в мире и прогноз на 2022 г. в Российской Федерации. Проблемы особо опасных инфекций. 2022; 2:36–45. DOI: 10.21055/0370-1069-2022-2-36-45.Ponomarenko D.G., Skudareva O.N., Khachaturova A.A., Lukashevich D.E., Zharinova I.V., Daurova A.V., Germanova A.N., Logvinenko O.V., Rakitina E.L., Kostyuchenko M.V., Manin E.A., Maletskaya O.V., Kulichenko A.N. [Brucellosis: trends in the development of situation in the world and forecast for 2022 in the Russian Federation]. Problemy Osobo Opasnykh Infektsii [Problems of Particularly Dangerous Infections]. 2022; (2):36–45. DOI: 10.21055/0370-1069-2022-2-36-45.Ющук Н.Д., Венгеров Ю.Я., редакторы. Инфекционные болезни: национальное руководство. 3-е изд., перераб. и доп. М.: ГЭОТАР-Медиа; 2021. 1104 с. DOI: 10.33029/9704-6122-8-INB2021-1-1104.Yushchuk N.D., Vengerov Yu.Ya., editors. [Infectious Diseases: National Guidelines]. 3rd ed., revised and updated. Moscow: GEOTAR-Media; 2021. 1104 p. DOI: 10.33029/9704-6122-8-INB2021-1-1104.Al Dahouk S., Tomaso H., Prenger-Berninghoff E., Splettstoesser W.D., Scholz H.C., Neubauer H. Identification of Bruicella species and biotypes using polymerase chain reactionrestriction fragment length polymorphism (PCR-RFLP). Crit. Rev. Microbiol. 2005; 31(4):191–6. DOI: 10.1080/10408410500304041.Al Dahouk S., Tomaso H., Prenger-Berninghoff E., Splettstoesser W.D., Scholz H.C., Neubauer H. Identification of Bruicella species and biotypes using polymerase chain reactionrestriction fragment length polymorphism (PCR-RFLP). Crit. Rev. Microbiol. 2005; 31(4):191–6. DOI: 10.1080/10408410500304041.Kumari G., Doimari S., Suman Kumar M., Singh M., Singh D.K. MLVA typing of Brucella melitensis and B. abortus isolates of animal and human origin from India. Anim. Biotechnol. 2023; 34(2):375–83. DOI: 10.1080/10495398.2021.1971685.Kumari G., Doimari S., Suman Kumar M., Singh M., Singh D.K. MLVA typing of Brucella melitensis and B. abortus isolates of animal and human origin from India. Anim. Biotechnol. 2023; 34(2):375–83. DOI: 10.1080/10495398.2021.1971685.Sayour A.E., Elbauomy E., Abdel-Hamid N.H., Mahrous A., Carychao D., Cooley M.B., Elhadidy M. MLVA fingerprinting of Brucella melitensis circulating among livestock and cases of sporadic human illness in Egypt. Transbound. Emerg. Dis. 2020; 67(6):2435– 45. DOI: 10.1111/tbed.13581.Sayour A.E., Elbauomy E., Abdel-Hamid N.H., Mahrous A., Carychao D., Cooley M.B., Elhadidy M. MLVA fingerprinting of Brucella melitensis circulating among livestock and cases of sporadic human illness in Egypt. Transbound. Emerg. Dis. 2020; 67(6):2435– 45. DOI: 10.1111/tbed.13581.Zhao Z.J., Li J.Q., Ma L., Xue H.M., Yang X.X., Zhao Y.B., Qin Y.M., Yang X.W., Piao D.R., Zhao H.Y., Tian G.Z., Li Q., Wang J.L., Tian G., Jiang H., Xu L.Q. Molecular characteristics of Brucella melitensis isolates from humans in Qinghai Province, China. Infect. Dis. Poverty. 2021; 10(1):42. DOI: 10.1186/s40249-021-00829-0.Zhao Z.J., Li J.Q., Ma L., Xue H.M., Yang X.X., Zhao Y.B., Qin Y.M., Yang X.W., Piao D.R., Zhao H.Y., Tian G.Z., Li Q., Wang J.L., Tian G., Jiang H., Xu L.Q. Molecular characteristics of Brucella melitensis isolates from humans in Qinghai Province, China. Infect. Dis. Poverty. 2021; 10(1):42. DOI: 10.1186/s40249-021-00829-0.Piao D.R., Liu X., Di D.D., Xiao P., Zhao Z.Z., Xu L.Q., Tian G.Z., Zhao H.Y., Fan W.X., Cui B.Y., Jiang H. Genetic polymorphisms identify in species/biovars of Brucella isolated in China between 1953 and 2013 by MLST. BMC Microbiol. 2018; 18(1):7. DOI: 10.1186/s12866-018-1149-0.Piao D.R., Liu X., Di D.D., Xiao P., Zhao Z.Z., Xu L.Q., Tian G.Z., Zhao H.Y., Fan W.X., Cui B.Y., Jiang H. Genetic polymorphisms identify in species/biovars of Brucella isolated in China between 1953 and 2013 by MLST. BMC Microbiol. 2018; 18(1):7. DOI: 10.1186/s12866-018-1149-0.Shome R., Krithiga N., Shankaranarayana P.B., Jegadesan S., Udayakumar S.V., Shome B.R., Saikia G.K., Sharma N.K., Chauhan H., Chandel B.S., Jeyaprakash R., Rahman H. Genotyping of Indian antigenic, vaccine, and field Brucella spp. using multilocus sequence typing. J. Infect. Dev. Ctries. 2016; 10(3):237–44. DOI: 10.3855/jidc.6617.Shome R., Krithiga N., Shankaranarayana P.B., Jegadesan S., Udayakumar S.V., Shome B.R., Saikia G.K., Sharma N.K., Chauhan H., Chandel B.S., Jeyaprakash R., Rahman H. Genotyping of Indian antigenic, vaccine, and field Brucella spp. using multilocus sequence typing. J. Infect. Dev. Ctries. 2016; 10(3):237–44. DOI: 10.3855/jidc.6617.Whatmore A.M., Koylass M.S., Muchowski J., EdwardsSmallbone J., Gopaul K.K., Perret L.L. Extended multilocus sequence analysis to describe the global population structure of the genus Brucella: phylogeography and relationship to biovars. Front. Microbiol. 2016; 7:2049. DOI: 10.3389/fmicb.2016.02049.Whatmore A.M., Koylass M.S., Muchowski J., EdwardsSmallbone J., Gopaul K.K., Perret L.L. Extended multilocus sequence analysis to describe the global population structure of the genus Brucella: phylogeography and relationship to biovars. Front. Microbiol. 2016; 7:2049. DOI: 10.3389/fmicb.2016.02049.Ковалев Д.А., Кузнецова И.В., Жиров А.М., Сердюк Н.С., Жилченко Е.Б., Пономаренко Д.Г., Водопьянов А.С., Водопьянов С.О., Куличенко А.Н. Генетическое типирование штаммов Brucella melitensis на основе анализа вариабельности INDEL-локусов. Эпидемиология и инфекционные болезни. Актуальные вопросы. 2022; 12(1):81–6. DOI: 10.18565/epidem.2022.12.1.81-6.Kovalev D.A., Kuznetsova I.V., Zhirov A.M., Serdyuk N.S., Zhilchenko E.B., Ponomarenko D.G., Vodop’yanov A.S., Vodop’yanov S.O., Kulichenko A.N. [Genetic typing of Brucella melitensis strains based on analysis of the variability of INDEL loci]. Epidemiologiya i Infektsionnye Bolezni. Aktual’nye Voprosy. [Epidemiology and Infectious Diseases. Current Items]. 2022; (1):81–6. DOI: 10.18565/epidem.2022.12.1.81-6.Moran-Gilad J. Whole genome sequencing (WGS) for food-borne pathogen surveillance and control-taking the pulse. Euro Surveill. 2017; 22(23):30547. DOI: 10.2807/1560-7917.ES.2017.22.23.30547.Moran-Gilad J. Whole genome sequencing (WGS) for food-borne pathogen surveillance and control-taking the pulse. Euro Surveill. 2017; 22(23):30547. DOI: 10.2807/1560-7917.ES.2017.22.23.30547.Besser J., Carleton H.A., Gerner-Smidt P., Lindsey R.L., Trees E. Next-generation sequencing technologies and their application to the study and control of bacterial infections. Clin. Microbiol. Infect. 2018; 24(4):335–41. DOI: 10.1016/j.cmi.2017.10.013.Besser J., Carleton H.A., Gerner-Smidt P., Lindsey R.L., Trees E. Next-generation sequencing technologies and their application to the study and control of bacterial infections. Clin. Microbiol. Infect. 2018; 24(4):335–41. DOI: 10.1016/j.cmi.2017.10.013.Collineau L., Boerlin P., Carson C.A., Chapman B., Fazil A., Hetman B., McEwen S.A., Parmley E.J., Reid-Smith R.J., Taboada E.N., Smith B.A. Integrating whole-genome sequencing data into quantitative risk assessment of foodborne antimicrobial resistance: a review of opportunities and challenges. Front. Microbiol. 2019; 10:1107. DOI: 10.3389/fmicb.2019.01107.Collineau L., Boerlin P., Carson C.A., Chapman B., Fazil A., Hetman B., McEwen S.A., Parmley E.J., Reid-Smith R.J., Taboada E.N., Smith B.A. Integrating whole-genome sequencing data into quantitative risk assessment of foodborne antimicrobial resistance: a review of opportunities and challenges. Front. Microbiol. 2019; 10:1107. DOI: 10.3389/fmicb.2019.01107.Carriço J.A., Sabat A.J., Friedrich A.W., Ramirez M. Bioinformatics in bacterial molecular epidemiology and public health: databases, tools and the next-generation sequencing revolution. Euro Surveill. 2013; 18(4):20382. DOI: 10.2807/ese.18.04.20382-en.Carriço J.A., Sabat A.J., Friedrich A.W., Ramirez M. Bioinformatics in bacterial molecular epidemiology and public health: databases, tools and the next-generation sequencing revolution. Euro Surveill. 2013; 18(4):20382. DOI: 10.2807/ese.18.04.20382-en.Janowicz A., De Massis F., Ancora M., Cammà C., Patavino C., Battisti A., Prior K., Harmsen D., Scholz H., Zilli K., Sacchini L., Di Giannatale E., Garofolo G. Core genome multilocus sequence typing and single nucleotide polymorphism analysis in the epidemiology of Brucella melitensis infections. J. Clin. Microbiol. 2018; 56(9):e00517-18. DOI: 10.1128/JCM.00517-18.Janowicz A., De Massis F., Ancora M., Cammà C., Patavino C., Battisti A., Prior K., Harmsen D., Scholz H., Zilli K., Sacchini L., Di Giannatale E., Garofolo G. Core genome multilocus sequence typing and single nucleotide polymorphism analysis in the epidemiology of Brucella melitensis infections. J. Clin. Microbiol. 2018; 56(9):e00517-18. DOI: 10.1128/JCM.00517-18.Abdel-Glil M.Y., Thomas P., Brandt C., Melzer F., Subbaiyan A., Chaudhuri P., Harmsen D., Jolley K.A., Janowicz A., Garofolo G., Neubauer H., Pletz M.W. Core genome multilocus sequence typing scheme for improved characterization and epidemiological surveillance of pathogenic Brucella. J. Clin. Microbiol. 2022; 60(8):e0031122. DOI: 10.1128/jcm.00311-22.Abdel-Glil M.Y., Thomas P., Brandt C., Melzer F., Subbaiyan A., Chaudhuri P., Harmsen D., Jolley K.A., Janowicz A., Garofolo G., Neubauer H., Pletz M.W. Core genome multilocus sequence typing scheme for improved characterization and epidemiological surveillance of pathogenic Brucella. J. Clin. Microbiol. 2022; 60(8):e0031122. DOI: 10.1128/jcm.00311-22.Tan K.K., Tan Y.C., Chang L.Y., Lee K.W., Nore S.S., Yee W.Y., Mat Isa M.N., Jafar F.L., Hoh C.C., AbuBakar S. Full genome SNP-based phylogenetic analysis reveals the origin and global spread of Brucella melitensis. BMC Genomics. 2015; 16(1):93. DOI: 10.1186/s12864-015-1294-x.Tan K.K., Tan Y.C., Chang L.Y., Lee K.W., Nore S.S., Yee W.Y., Mat Isa M.N., Jafar F.L., Hoh C.C., AbuBakar S. Full genome SNP-based phylogenetic analysis reveals the origin and global spread of Brucella melitensis. BMC Genomics. 2015; 16(1):93. DOI: 10.1186/s12864-015-1294-x.Pisarenko S.V., Kovalev D.A., Volynkina A.S., Ponomarenko D.G., Rusanova D.V., Zharinova N.V., Khachaturova A.A., Tokareva L.E., Khvoynova I.G., Kulichenko A.N. Global evolution and phylogeography of Brucella melitensis strains. BMC Genomics. 2018; 19(1):353. DOI: 10.1186/s12864-018-4762-2.Pisarenko S.V., Kovalev D.A., Volynkina A.S., Ponomarenko D.G., Rusanova D.V., Zharinova N.V., Khachaturova A.A., Tokareva L.E., Khvoynova I.G., Kulichenko A.N. Global evolution and phylogeography of Brucella melitensis strains. BMC Genomics. 2018; 19(1):353. DOI: 10.1186/s12864-018-4762-2.FastQC: A quality control tool for high throughput sequence data. 2010. [Электронный ресурс]. URL: http://www.bioinformatics.babraham.ac.uk/projects/fastqc/ (дата обращения 20.07.2023).FastQC: A quality control tool for high throughput sequence data. 2010. (Cited 20 Jul 2023). [Internet]. Available from: http://www.bioinformatics.babraham.ac.uk/projects/fastqc/.Bolger A.M., Lohse M., Usadel B. Trimmomatic: a flexible trimmer for Illumina sequence data. BioInformatics. 2014; 30(15):2114–20. DOI: 10.1093/bioinformatics/btu170.Bolger A.M., Lohse M., Usadel B. Trimmomatic: a flexible trimmer for Illumina sequence data. BioInformatics. 2014; 30(15):2114–20. DOI: 10.1093/bioinformatics/btu170.Gurevich A., Saveliev V., Vyahhi N., Tesler G. QUAST: quality assessment tool for genome assemblies. Bioinformatics. 2013; 29(8):1072–5. DOI: 10.1093/bioinformatics/btt086.Gurevich A., Saveliev V., Vyahhi N., Tesler G. QUAST: quality assessment tool for genome assemblies. Bioinformatics. 2013; 29(8):1072–5. DOI: 10.1093/bioinformatics/btt086.Kumar S., Stecher G., Li M., Knyaz C., Tamura K. MEGA X: Molecular evolutionary genetics analysis across computing platforms. Mol. Biol. Evol. 2018; 35(6):1547–9. DOI: 10.1093/molbev/msy096.Kumar S., Stecher G., Li M., Knyaz C., Tamura K. MEGA X: Molecular evolutionary genetics analysis across computing platforms. Mol. Biol. Evol. 2018; 35(6):1547–9. DOI: 10.1093/molbev/msy096.Letunic I., Bork P. Interactive Tree Of Life (iTOL): an online tool for phylogenetic tree display and annotation. Bioinformatics. 2007; 23(1):127–8. DOI: 10.1093/bioinformatics/btl529.Letunic I., Bork P. Interactive Tree Of Life (iTOL): an online tool for phylogenetic tree display and annotation. Bioinformatics. 2007; 23(1):127–8. DOI: 10.1093/bioinformatics/btl529.

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