microbeПроблемы особо опасных инфекцийProblems of Particularly Dangerous Infections0370-10692658-719XRussian Research Anti-Plague Institute “Microbe”10.21055/0370-1069-2024-2-76-82microbe-2001Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИORIGINAL ARTICLESОсобенности споруляции основных генетических линий Bacillus anthracisFeatures of Sporulation of the Main Genetic Lines of Bacillus anthracishttps://orcid.org/0000-0002-1117-1185ЕременкоЕ. И.EremenkoE. I.

Еременко Евгений Иванович,

355035, Ставрополь, ул. Советская, 13–15

Evgeny I. Eremenko,

13–15, Sovetskaya St., Stavropol, 355035

ejer@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5196-784XРязановаА. Г.RyazanovaA. G.

355035, Ставрополь, ул. Советская, 13–15

13–15, Sovetskaya St., Stavropol, 355035

stavnipchi@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7033-9972ПечковскийГ. А.PechkovskyG. A.

355035, Ставрополь, ул. Советская, 13–15

13–15, Sovetskaya St., Stavropol, 355035

stavnipchi@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6458-6790ПисаренкоС. В.PisarenkoS. 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.

355035, Ставрополь, ул. Советская, 13–15

13–15, Sovetskaya St., Stavropol, 355035

stavnipchi@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7744-3112АксеноваЛ. Ю.AksenovaL. Yu.

355035, Ставрополь, ул. Советская, 13–15

13–15, Sovetskaya St., Stavropol, 355035

stavnipchi@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0274-898XСеменоваО. В.SemenovaO. V.

355035, Ставрополь, ул. Советская, 13–15

13–15, Sovetskaya St., Stavropol, 355035

stavnipchi@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9362-3949КуличенкоА. Н.KulichenkoA. N.

355035, Ставрополь, ул. Советская, 13–15

13–15, Sovetskaya St., Stavropol, 355035

stavnipchi@mail.ruФКУЗ «Ставропольский научно-исследовательский противочумный институт»РоссияStavropol Research Anti-Plague InstituteRussian Federation202426062024027682Copyright © Еременко Е.И., Рязанова А.Г., Печковский Г.А., Писаренко С.В., Ковалев Д.А., Аксенова Л.Ю., Семенова О.В., Куличенко А.Н., 20242024Еременко Е.И., Рязанова А.Г., Печковский Г.А., Писаренко С.В., Ковалев Д.А., Аксенова Л.Ю., Семенова О.В., Куличенко А.Н.Eremenko E.I., Ryazanova A.G., Pechkovsky G.A., Pisarenko S.V., Kovalev D.A., Aksenova L.Y., Semenova O.V., 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/2001

Цель работы – характеристика генов и белков споруляции штаммов Bacillus anthracis основных генетических линий.

Материалы и методы

Материалы и методы. Анализ геномов проводили in silico, используя геномы: B. anthracis Ames Ancestor в качестве референсного, 47 штаммов B. anthracis из базы данных GenBank NCBI, относящихся к основным генетическим линиям A, B, C, геном штамма CI Bacillus cereus biovar anthracis, 7 штаммов из коллекции ФКУЗ Ставропольский противочумный институт Роспотребнадзора, а также ресурс NCBI Protein Database. Идентификацию полиморфизмов осуществляли в программах BLASTn, BLASTp, MEGA X, MAUVE, Tandem Repeat Finder. Последовательности генов и белков выравнивали в программе MEGA X.

Результаты и обсуждение

Результаты и обсуждение. Сравнение полиморфизмов белков и генов споруляции трех основных генетических линий показало, что количество всех форм у штаммов B. anthracis линий B, C и B. cereus biovar anthracis превышало таковые у штаммов линии A в 4,5–10, 6,8–92 и 160–2078 раз соответственно. Бóльшее количество несинонимичных SNP в генах споруляции c изменением аминокислотного состава и функции белков у штаммов B. anthracis основных генетических линий B, С и B. cereus biovar anthracis, чем у штаммов линии A, предполагает их ограниченные адаптационные возможности и может быть одним из объяснений меньшей распространенности по сравнению с линией A.

The aim of the work was to characterize sporulation genes and proteins in Bacillus anthracis strains of major genetic lineages.

Materials and methods

Materials and methods. Genome analysis was carried out in silico using the genome of the Ames Ancestor strain as a reference one, 47 B. anthracis strains from the GenBank NCBI database, belonging to the main lineages A, B, C, the genome of the CI strain Bacillus cereus biovar anthracis, 7 strains from the collection of Stavropol Research Anti-Plague Institute of the Rospotrebnadzor, as well as the NCBI Protein Database resource. Identification of polymorphisms was performed in BLASTn, BLASTp, MEGA X, MAUVE, and Tandem Repeat Finder software. Gene and protein sequences were aligned using MEGA X program.

Results and discussion

Results and discussion. A comparison of polymorphisms in sporulation proteins and genes of three major genetic lineages has showed that the number of all forms in B. anthracis strains of B, C lineages and Bacillus cereus biovar anthracis exceeds those in strains of lineage A by 4,5–10, 6,8–92 and 160–2078 times, respectively. A larger number of non-synonymous SNPs in sporulation genes with changes in the amino acid composition and function of proteins in B. anthracis strains of the major genetic lines B, C and B. cereus biovar anthracis than in strains of lineage A suggests their limited adaptive capabilities and may be one of the explanations for their lower prevalence as compared to line A.

Bacillus anthracisгенетические линиигены и белки прорастания спорBacillus anthracisgenetic lineagesgenes and proteins of spore germinationReferencesRotz L.D., Khan A.S., Lillibridge S.R., Ostroff S.M., Hughes J.M. Public health assessment of potential biological terrorism agents. Emerg. Infect. Dis. 2002; 8(2):225–30. DOI: 10.3201/eid0802.010164.Rotz L.D., Khan A.S., Lillibridge S.R., Ostroff S.M., Hughes J.M. Public health assessment of potential biological terro¬rism agents. Emerg. Infect. Dis. 2002; 8(2):225–30. DOI: 10.3201/eid0802.010164.Pearson T., Busch J.D., Ravel J., Read T.D., Rhoton S.D., U’Ren J.M., Simonson T.S., Kachur S.M., Leadem R.R., Cardon M.L., Van Ert M.N., Huynh L.Y., Fraser C.M., Keim P. Phylogenetic discovery bias in Bacillus anthracis using single-nucleotide polymorphisms from whole-genome sequencing. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2004; 101(37):13536–41. DOI: 10.1073/pnas.0403844101.Pearson T., Busch J.D., Ravel J., Read T.D., Rhoton S.D., U’Ren J.M., Simonson T.S., Kachur S.M., Leadem R.R., Cardon M.L., Van Ert M.N., Huynh L.Y., Fraser C.M., Keim P. Phylogenetic discovery bias in Bacillus anthracis using single-nucleotide polymorphisms from whole-genome sequencing. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2004; 101(37):13536–41. DOI: 10.1073/pnas.0403844101.Van Ert M.N., Easterday W.R., Huynh L.Y., Okinaka R.T., Hugh-Jones M.E., Ravel J., Zanecki S.R., Pearson T., Simonson T.S., U’Ren J.M., Kachur S.M., Leadem-Dougherty R.R., Rhoton S.D., Zinser G., Farlow J., Coker P.R., Smith K.L., Wang B., Kenefic L.J., Fraser-Liggett C.M., Wagner D.M., Keim P. Global genetic population structure of Bacillus anthracis. PLoS One. 2007; 2(5):e461. DOI: 10.1371/journal.pone.0000461.Van Ert M.N., Easterday W.R., Huynh L.Y., Okinaka R.T., Hugh-Jones M.E., Ravel J., Zanecki S.R., Pearson T., Simonson T.S., U’Ren J.M., Kachur S.M., Leadem-Dougherty R.R., Rhoton S.D., Zinser G., Farlow J., Coker P.R., Smith K.L., Wang B., Kenefic L.J., Fraser-Liggett C.M., Wagner D.M., Keim P. Global genetic population structure of Bacillus anthracis. PLoS One. 2007; 2(5):e461. DOI: 10.1371/journal.pone.0000461.Sahl J.W., Pearson T., Okinaka R., Schupp J.M., Gillece J.D., Heaton H., Birdsell D., Hepp C., Fofanov V., Noseda R., Fasanella A., Hoffmaster A., Wagner D.M., Keim P. A Bacillus anthracis genome sequence from the Sverdlovsk 1979 autopsy specimens. mBio. 2016; 7(5):e01501-16. DOI: 10.1128/mBio.01501-16.Sahl J.W., Pearson T., Okinaka R., Schupp J.M., Gillece J.D., Heaton H., Birdsell D., Hepp C., Fofanov V., Noseda R., Fasanella A., Hoffmaster A., Wagner D.M., Keim P. A Bacillus anthracis genome sequence from the Sverdlovsk 1979 autopsy specimens. mBio. 2016; 7(5):e01501-16. DOI: 10.1128/mBio.01501-16.Bruce S.A., Schiraldi N.J., Kamath P.L., Easterday W.R., Turner W.C. A classification framework for Bacillus anthracis defined by global genomic structure. Evol. Appl. 2020; 13(5):935–44. DOI: 10.1111/eva.12911.Bruce S.A., Schiraldi N.J., Kamath P.L., Easterday W.R., Turner W.C. A classification framework for Bacillus anthracis defined by global genomic structure. Evol. Appl. 2020; 13(5):935–44. DOI: 10.1111/eva.12911.Pilo P., Frey J. Pathogenicity, population genetics and dissemination of Bacillus anthracis. Infect. Genet. Evol. 2018; 64:115– 25. DOI: 10.1016/j.meegid.2018.06.024.Pilo P., Frey J. Pathogenicity, population genetics and dissemination of Bacillus anthracis. Infect. Genet. Evol. 2018; 64:115– 25. DOI: 10.1016/j.meegid.2018.06.024.Leendertz F.H., Ellerbrok H., Boesch C., Couacy-Hymann E., Mätz-Rensing K., Hakenbeck R., Bergmann C., Abaza P., Junglen S., Moebius Y., Vigilant L., Formenty P., Pauli G. Anthrax kills wild chimpanzees in a tropical rainforest. Nature. 2004; 430(6998):451–2. DOI: 10.1038/nature02722.Leendertz F.H., Ellerbrok H., Boesch C., Couacy-Hymann E., Mätz-Rensing K., Hakenbeck R., Bergmann C., Abaza P., Junglen S., Moebius Y., Vigilant L., Formenty P., Pauli G. Anthrax kills wild chimpanzees in a tropical rainforest. Nature. 2004; 430(6998):451–2. DOI: 10.1038/nature02722.Klee S.R., Brzuszkiewicz E.B., Nattermann H., Brüggemann H., Dupke S., Wollherr A., Franz T., Pauli G., Appel B., Liebl W., Couacy-Hymann E., Boesch C., Meyer F.D., Leendertz F.H., Ellerbrok H., Gottschalk G., Grunow R., Liesegang H. The genome of a bacillus isolate causing anthrax in chimpanzees combines chromosomal properties of B. cereus with B. anthracis virulence plasmids. PLoS One. 2010; 5(7):e10986. DOI: 10.1371/journal.pone.0010986.Klee S.R., Brzuszkiewicz E.B., Nattermann H., Brüggemann H., Dupke S., Wollherr A., Franz T., Pauli G., Appel B., Liebl W., Couacy-Hymann E., Boesch C., Meyer F.D., Leendertz F.H., Ellerbrok H., Gottschalk G., Grunow R., Liesegang H. The genome of a bacillus isolate causing anthrax in chimpanzees combines chromosomal properties of B. cereus with B. anthracis virulence plasmids. PLoS One. 2010; 5(7):e10986. DOI: 10.1371/journal.pone.0010986.Smith K.L., DeVos V., Bryden H., Price L.B., Hugh-Jones M.E., Keim P. Bacillus anthracis diversity in Kruger National Park. J. Clin. Microb. 2000; 38(10):3780–4. DOI: 10.1128/JCM.38.10.3780-3784.2000.Smith K.L., DeVos V., Bryden H., Price L.B., Hugh-Jones M.E., Keim P. Bacillus anthracis diversity in Kruger National Park. J. Clin. Microb. 2000; 38(10):3780–4. DOI: 10.1128/JCM.38.10.3780-3784.2000.Kassen R., Llewellyn M., Rainey P.B. Ecological constraints on diversification in a model adaptive radiation. Nature. 2004; 431(7011):984–8. DOI: 10.1038/nature02923.Kassen R., Llewellyn M., Rainey P.B. Ecological constraints on diversification in a model adaptive radiation. Nature. 2004; 431(7011):984–8. DOI: 10.1038/nature02923.Еременко Е.И., Печковский Г.А., Рязанова А.Г., Писаренко С.В., Ковалев Д.А., Аксенова Л.Ю., Семенова О.В., Куличенко А.Н. Анализ in silico геномов штаммов Bacillus anthracis главных генетических линий. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2023; 100(3):155–65. DOI: 10.36233/0372-9311-385.Eremenko E.I., Pechkovsky G.A., Ryazanova A.G., Pisarenko S.V., Kovalev D.A., Aksenova L.Yu., Semenova O.V., Kulichenko A.N. [In silico analysis of genomes of Bacillus anthracis strains belonging to major genetic lineages]. Zhurnal Mikrobiologii, Epidemiologii i Immunobiologii [Journal of Microbiology, Epidemiology and Immunobiology]. 2023; 100(3):155–65. DOI: 10.36233/0372-9311-385.Errington J. Bacillus subtilis sporulation: regulation of gene expression and control of morphogenesis. Microbiol. Rev. 1993; 57(1):1–33. DOI: 10.1128/mr.57.1.1-33.1993.Errington J. Bacillus subtilis sporulation: regulation of gene expression and control of morphogenesis. Microbiol. Rev. 1993; 57(1):1–33. DOI: 10.1128/mr.57.1.1-33.1993.Hoch J.A., Silhavy T.J., editors. Two-Component Signal Transduction. Washington, DC: American Society for Microbiology Press; 1995.Hoch J.A., Silhavy T.J., editors. Two-Component Signal Transduction. Washington, DC: American Society for Microbiology Press; 1995.Stephenson K., Hoch J.A. Evolution of signalling in the sporulation phosphorelay. Mol. Microbiol. 2002; 46(2):297–304. DOI: 10.1046/j.1365-2958.2002.03186.x.Stephenson K., Hoch J.A. Evolution of signalling in the sporulation phosphorelay. Mol. Microbiol. 2002; 46(2):297–304. DOI: 10.1046/j.1365-2958.2002.03186.x.Brunsing R.L., La Clair C., Tang S., Chiang C., Hancock L.E., Perego M., Hoch J.A. Characterization of sporulation histidine kinases of Bacillus anthracis. J. Bacteriol. 2005; 187(20):6972–81. DOI: 10.1128/JB.187.20.6972-6981.2005.Brunsing R.L., La Clair C., Tang S., Chiang C., Hancock L.E., Perego M., Hoch J.A. Characterization of sporulation histidine kinases of Bacillus anthracis. J. Bacteriol. 2005; 187(20):6972–81. DOI: 10.1128/JB.187.20.6972-6981.2005.Sastalla I., Rosovitz M.J., Leppla S.H. Accidental selection and intentional restoration of sporulation-deficient Bacillus anthracis mutants. Appl. Environ. Microbiol. 2010; 76(18):6318–21. DOI: 10.1128/AEM.00950-10.Sastalla I., Rosovitz M.J., Leppla S.H. Accidental selection and intentional restoration of sporulation-deficient Bacillus anthracis mutants. Appl. Environ. Microbiol. 2010; 76(18):6318–21. DOI: 10.1128/AEM.00950-10.Strauch M., Webb V., Spiegelman G., Hoch J.A. The Spo0A protein of Bacillus subtilis is a repressor of the abrB gene. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 1990; 87(5):1801–5. DOI: 10.1073/pnas.87.5.1801.Strauch M., Webb V., Spiegelman G., Hoch J.A. The Spo0A protein of Bacillus subtilis is a repressor of the abrB gene. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 1990; 87(5):1801–5. DOI: 10.1073/pnas.87.5.1801.

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