microbeПроблемы особо опасных инфекцийProblems of Particularly Dangerous Infections0370-10692658-719XRussian Research Anti-Plague Institute “Microbe”10.21055/0370-1069-2026-2-101-107microbe-2350Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИORIGINAL ARTICLESВыявление новых особенностей структуры генома нетоксигенных штаммов Vibrio cholerae O1 биовара Эль Тор ctxAB-tcpA+Identification of New Genome Structure Features in Non-Toxigenic Strains of Vibrio cholerae O1 Biovar El Tor ctxAB-tcpA+https://orcid.org/0000-0002-8260-4670КатышевА. Д.KatyshevA. D.

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

https://orcid.org/0000-0001-9273-6063АгафоновД. А.AgafonovD. A.

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

https://orcid.org/0000-0002-3117-8229РыбальченкоД. А.Rybal’chenkoD. A.

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

https://orcid.org/0000-0003-4382-7254ЛозовскийЮ. В.LozovskyYu. V.

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

https://orcid.org/0000-0002-7115-6286СмирноваН. И.SmirnovaN. I.

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

rusrapi@microbe.ruРоссийский научно-исследовательский противочумный институт «Микроб»РоссияRussian Research Anti-Plague Institute “Microbe”Russian Federation20262207202602101107Copyright © Катышев А.Д., Агафонов Д.А., Рыбальченко Д.А., Лозовский Ю.В., Смирнова Н.И., 20262026Катышев А.Д., Агафонов Д.А., Рыбальченко Д.А., Лозовский Ю.В., Смирнова Н.И.Katyshev A.D., Agafonov D.A., Rybal’chenko D.A., Lozovsky Y.V., Smirnova N.I.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/2350

Цель исследования – сравнительный анализ структуры и распространенности генов патогенности, лекарственной устойчивости и персистенции среди природных нетоксигенных штаммов Vibrio cholerae биовара Эль Тор с генотипом ctxAB– tcpA+. Материалы и методы. Проанализированы полные геномы 73 токсигенных и 33 нетоксигенных штаммов холерных вибрионов с помощью методов мультилокусного сиквенс-типирования в онлайн-сервисе MLST2.0 на платформе CGE (Center Genomic Epidemiology) и филогенетического анализа с применением программы MrBayes v.3.2.7a. Результаты и обсуждение. Выявлены новые геномные особенности природных нетоксигенных штаммов V. cholerae Эль Тор с генотипом ctxAB−tcpA+, относящихся к филогенетической линии L3. Установлено, что по ST-типу, наличию мобильных элементов ICE и VSP-II, аллельному профилю генов патогенности (tcpA, rtxA) и лекарственной устойчивости (gyrA и parC), а также присутствию гена VC2346 ряд штаммов из этой группы имели значительное генетическое сходство с токсигенными и были, видимо, производными типичных или генетически измененных штаммов возбудителя холеры. Филогенетический анализ подтвердил явную генетическую близость этих изолятов с токсигенными и показал их принадлежность к филогенетической линии эпидемически опасных штаммов, а именно к L2. Таким образом, среди природных нетоксигенных холерных вибрионов Эль Тор ctxAB− tcpA+ обнаружены штаммы с генетическими маркерами возбудителя холеры, что указывает на их происхождение от этих штаммов и свидетельствует о необходимости разработки диагностических средств для дифференциации нетоксигенных штаммов с разным патогенным потенциалом.

The aim of the study was to comparatively analyze the structure and prevalence of pathogenicity, drug resistance, and persistence genes among non-toxigenic Vibrio cholerae O1 strains, biovar El Tor ctxAB−tcpA+. Materials and methods. Nucleotide sequences of whole genomes were assessed for 73 toxigenic and 33 non-toxigenic strains of cholera vibrios applying multilocus sequence typing of the strains using the MLST 2.0 online service on CGE (Center Genomic Epidemiology) platform and phylogenetic analysis using MrBayes v.3.2.7a. Results and discussion. New genomic features of non-toxigenic V. cholerae El Tor strains with the ctxAB−tcpA+ genotype, belonging to the L3 phylogenetic lineage, have been identified. Significant genetic differences were revealed between ctxAB−tcpA+ strains from L3 line. It has been established that, based on ST type, the presence of ICE and VSP-II mobile elements, the allelic profile of pathogenicity genes (tcpA, rtxA) and drug resistance genes (gyrA and parC), the presence of the VC2346 gene, a number of non-toxigenic strains are substantially genetically similar to toxigenic strains and are, presumably, derivatives of typical or genetically modified V. cholerae strains. Phylogenetic analysis has confirmed the pronounced genetic similatity of those isolates to toxigenic strains and demonstrated their affiliation to the phylogenetic lineage of epidemically dangerous strains, namely, L2. Thus, among the non-toxigenic cholera vibrios biovar El Tor ctxAB−tcpA+, strains with genetic markers of the cholera pathogen have been found, which indicates that they originated from toxigenic ones and that there is a need to develop diagnostic tools for differentiating non-toxigenic strains with different pathogenic potential.

Vibrio choleraeфилогенетические линиивариабельность геновпатогенностьперсистентностьлекарственная устойчивостьVibrio choleraephylogenetic lineagesgene variabilitypathogenicitypersistencedrug resistanceReferencesMutreja 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.Dziejman M., Balon E., Boyd D., Fraser C.M., Heidelberg J.F., Mekalanos J.J. Comparative genomic analysis of Vibrio cholerae: genes that correlate with cholera endemic and pandemic disease. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2002; 99(3):1556–61. DOI: 10.1073/pnas.042667999.Dziejman M., Balon E., Boyd D., Fraser C.M., Heidelberg J.F., Mekalanos J.J. Comparative genomic analysis of Vibrio cholerae: genes that correlate with cholera endemic and pandemic disease. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2002; 99(3):1556–61. DOI: 10.1073/pnas.042667999.Pant A., Das B., Bhadra R.K. CTX phage of Vibrio cholerae: Genomics and applications. Vaccine. 2020; 38 Suppl. 1:A7-A12. DOI: 10.1016/j.vaccine.2019.06.034.Pant A., Das B., Bhadra R.K. CTX phage of Vibrio cholerae: Genomics and applications. Vaccine. 2020; 38 Suppl. 1:A7-A12. DOI: 10.1016/j.vaccine.2019.06.034.Смирнова Н.И., Рыбальченко Д.А., Лозовский Ю.В., Кутырев В.В. Нестабильность генома возбудителя холеры: роль в эволюции патогенности, лекарственной устойчивости и адаптации к меняющейся среде обитания. Молекулярная генетика, микробиология и вирусология. 2025; 43(2):3–13. DOI: 10.17116/molgen2025430213.Smirnova N.I., Rybal’chenko D.A., Lozovsky Yu.V., Kutyrev V.V. [Genome instability of the cholera agent: role in the evolution of pathogenicity, drug resistance and adaptation to a changing environment]. Molekulyarnaya Genetika, Mikrobiologiya i Virusologiya [Molecular Genetics, Microbiology and Virology]. 2025; 43(2):3–13. DOI: 10.17116/molgen2025430213.Dolores J., Satchell K.J. Analysis of Vibrio cholerae genome sequences reveals unique rtxA variants in environmental strains and an rtxA-null mutation in recent altered El Tor isolates. mBio. 2013; 4(2):e00624. DOI: 10.1128/mBio.00624-12.Dolores J., Satchell K.J. Analysis of Vibrio cholerae genome sequences reveals unique rtxA variants in environmental strains and an rtxA-null mutation in recent altered El Tor isolates. mBio. 2013; 4(2):e00624. DOI: 10.1128/mBio.00624-12.Taviani E., Grim C.J., Choi J., Chun J., Haley B., Hasan N.A., Huq A., Colwell R.R. Discovery of novel Vibrio cholerae VSP-II genomic islands using comparative genomic analysis. FEMS Microbiol. Lett. 2010; 308(2):130–7. DOI: 10.1111/j.1574-6968. 2010.02008.x.Taviani E., Grim C.J., Choi J., Chun J., Haley B., Hasan N.A., Huq A., Colwell R.R. Discovery of novel Vibrio cholerae VSP-II genomic islands using comparative genomic analysis. FEMS Microbiol. Lett. 2010; 308(2):130–7. DOI: 10.1111/j.1574-6968. 2010.02008.x.O’Shea Y.A., Finnan S., Reen F.J., Morrissey J.P., O’Gara F., Boyd E.F. The Vibrio seventh pandemic island-II is a 26.9 kb genomic island present in Vibrio cholerae El Tor and O139 serogroup isolates that shows homology to a 43.4 kb genomic island in V. vulnificus. Microbiology. 2004; 150(Pt. 12):4053–63. DOI: 10.1099/mic.0.27172-0.O’Shea Y.A., Finnan S., Reen F.J., Morrissey J.P., O’Gara F., Boyd E.F. The Vibrio seventh pandemic island-II is a 26.9 kb genomic island present in Vibrio cholerae El Tor and O139 serogroup isolates that shows homology to a 43.4 kb genomic island in V. vulnificus. Microbiology. 2004; 150(Pt. 12):4053–63. DOI: 10.1099/mic.0.27172-0.Waldor M.K. Tschäpe H., Mekalanos J.J. A new type of conjugative transposon encodes resistance to sulfamethoxazole, trimethoprim, and streptomycin in Vibrio cholerae O139. J. Bacteriol. 1996; 178(14):4157–65. DOI: 10.1128/jb.178.14.4157-4165.1996.Waldor M.K. Tschäpe H., Mekalanos J.J. A new type of conjugative transposon encodes resistance to sulfamethoxazole, trimethoprim, and streptomycin in Vibrio cholerae O139. J. Bacteriol. 1996; 178(14):4157–65. DOI: 10.1128/jb.178.14.4157-4165.1996.Kim H.B., Wang M., Ahmed S., Park C.H., LaRocque R.C., Faruque A.S., Salam M.A., Khan W.A., Qadri F., Calderwood S.B., Jacoby G.A., Hooper D.C. Transferable quinolone resistance in Vibrio cholerae. Antimicrob. Agents Chemother. 2010; 54(2):799– 803. DOI: 10.1128/AAC.01045-09.Kim H.B., Wang M., Ahmed S., Park C.H., LaRocque R.C., Faruque A.S., Salam M.A., Khan W.A., Qadri F., Calderwood S.B., Jacoby G.A., Hooper D.C. Transferable quinolone resistance in Vibrio cholerae. Antimicrob. Agents Chemother. 2010; 54(2):799– 803. DOI: 10.1128/AAC.01045-09.Монахова Е.В., Кругликов В.Д., Водопьянов А.С., Гаевская Н.Е. Нетоксигенные штаммы Vibrio cholerae O1, вызвавшие гастроэнтероколиты в Запорожской и Херсонской областях: описание случаев и молекулярно-генетическая характеристика возбудителей. Инфекция и иммунитет. 2025; 15(3):575– 81. DOI: 10.15789/2220-7619-NVC-17787.Monakhova E.V., Kruglikov V.D., Vodop’yanov A.S., Gaevskaya N.E. [Non-toxigenic Vibrio cholerae O1 strains that caused gastroenterocolitis in Zaporozhe and Kherson regions: case reports and molecular-genetic characteristics of the pathogen]. Infektsiya i Immunitet [Russian Journal of Infection and Immunity]. 2025; 15(3):575–81. DOI: 10.15789/2220-7619-NVC-17787.Монахова Е.В., Кругликов В.Д., Подойницына О.А., Водопьянов А.С., Непомнящая Н.Б., Евтеев А.В., Гаевская Н.Е. Характеристика уникальных завозных штаммов холерных вибрионов, вызвавших в 2023 году в Москве случаи острой кишечной инфекции. Эпидемиология и инфекционные болезни. 2024; 29(6):407–14. DOI: 10.17816/EID654005.Monakhova E.V., Kruglikov V.D., Podoinitsyna O.A., Vodopyanov A.S., Nepomnyashchaya N.B., Evteev A.V., Gaevskaya N.E. [Characteristics of unique imported Vibrio cholerae strains which caused cases of acute intestinal infection in Moscow in 2023]. Epidemiologiya i Infektsionnye Bolezni [Epidemiology and Infectious Diseases]. 2024; 29(6):407–14. DOI: 10.17816/EID654005.Смирнова Н.И., Кульшань Т.А., Баранихина Е.Ю., Краснов Я.М., Агафонов Д.А., Кутырев В.В. Структура генома и происхождение нетоксигенных штаммов Vibrio cholerae биовара Эль Тор с различной эпидемиологической значимостью. Генетика. 2016; 52(9):1029–41. DOI: 10.7868/S0016675816060126.Smirnova N.I., Kul’shan’ T.A., Baranikhina E.Y., Krasnov Y.M., Agafonov D.A., Kutyrev V.V. [Genome structure and origin of nontoxigenic strains of Vibrio cholerae of El Tor biovar with different epidemiological significance]. Genetika [Russian Journal of Genetics]. 2016; 52(9):1029–41. DOI: 10.7868/S0016675816060126.Смирнова Н.И., Агафонова Е.Ю., Щелканова Е.Ю., Агафонов Д.А., Краснов Я.М., Ливанова Л.Ф., Кутырев В.В. Геномное разнообразие нетоксигенных штаммов Vibrio cholerae О1, выделенных на территории России и сопредельных стран. Молекулярная генетика, микробиология и вирусология. 2018; 36(2):76–84. DOI: 10.18821/0208-0613-2018-36-2-76-84.Smirnova N.I., Agafonova E.Yu., Shchelkanova E.Yu., Agafonov D.A., Krasnov Ya.M., Livanova L.F., Kutyrev V.V. [Genomic diversity of non-toxigenic Vibrio cholerae O1 strains isolated in the territory of Russia and neighboring states]. Molekulyarnaya Genetika, Mikrobiologiya i Virusologiya [Molecular Genetics, Microbiology and Virology]. 2018; 36(2):76–84. DOI: 10.18821/0208-0613-2018-36-2-76-84.Крицкий А.А., Смирнова Н.И., Каляева Т.Б., Оброткина Н.Ф., Грачева И.В., Катышев А.Д., Кутырев В.В. Сравнительный анализ молекулярно-генетических свойств нетоксигенных штаммов Vibrio cholerae O1 биовара Эль Тор, изолированных в России и на эндемичных по холере территориях. Проблемы особо опасных инфекций. 2021; (3):72–82. DOI: 10.21055/0370-1069-2021-3-72-82.Kritsky A.A., Smirnova N.I., Kalyaeva T.B., Obrotkina N.F., Gracheva I.V., Katyshev A.D., Kutyrev V.V. [Comparative analysis of molecular-genetic properties in non-toxigenic Vibrio cholerae O1 strains biovar El Tor, isolated in Russia and on cholera endemic territories]. Problemy Osobo Opasnykh Infektsii [Problems of Particularly Dangerous Infections]. 2021; (3):72–82. DOI: 10.21055/0370-1069-2021-3-72-82.Миронова Л.В., Федотова И.С., Галачьянц Ю.П., Пономарева А.С., Эрдынеев С.В., Хунхеева Ж.Ю., Басов Е.А., Фортунатова А.В., Балахонов С.В. Геномный анализ штаммов Vibrio cholerae, выделенных в Сибири и на Дальнем Востоке в период седьмой пандемии холеры: идентификация принадлежности к глобальным филогенетическим линиям. Проблемы особо опасных инфекций. 2024; (2):122–31. DOI: 10.21055/0370-1069-2024-2-122-131.Mironova L.V., Fedotova I.S., Galach’yants Yu.P., Ponomareva A.S., Erdyneev S.V., Khunkheeva Zh.Yu., Basov E.A., Fortunatova A.V., Balakhonov S.V. [Genomic analysis of Vibrio cholerae strains isolated in Siberia and the Far East during the seventh cholera pandemic: determining the appurtenance to global phylogenetic lines]. Problemy Osobo Opasnykh Infektsii [Problems of Particularly Dangerous Infections]. 2024; (2):122–31. DOI: 10.21055/0370-1069-2024-2-122-131.Wang H., Yang C., Sun Z., Zheng W., Zhang W., Yu H., Wu Y., Didelot X., Yang R., Pan J., Cui Y. Genomic epidemiology of Vibrio cholerae reveals the regional and global spread of two epidemic non-toxigenic lineages. PLoS Negl. Trop. Dis. 2020; 14(2):e0008046. DOI: 10.1371/journal.pntd.0008046.Wang H., Yang C., Sun Z., Zheng W., Zhang W., Yu H., Wu Y., Didelot X., Yang R., Pan J., Cui Y. Genomic epidemiology of Vibrio cholerae reveals the regional and global spread of two epidemic non-toxigenic lineages. PLoS Negl. Trop. Dis. 2020; 14(2):e0008046. DOI: 10.1371/journal.pntd.0008046.Siriphap A., Leekitcharoenphon P., Kaas R.S., Theethakaew C., Aarestrup F.M., Sutheinkul O., Hendriksen R.S. Characterization and genetic variation of Vibrio cholerae isolated from clinical and environmental sources in Thailand. PLoS One. 2017; 12(1):e0169324. DOI: 10.1371/journal.pone.0169324.Siriphap A., Leekitcharoenphon P., Kaas R.S., Theethakaew C., Aarestrup F.M., Sutheinkul O., Hendriksen R.S. Characterization and genetic variation of Vibrio cholerae isolated from clinical and environmental sources in Thailand. PLoS One. 2017; 12(1):e0169324. DOI: 10.1371/journal.pone.0169324.Talkington D., Bopp C., Tarr C., Parsons M.B., Dahourou G., Freeman M., Joyce K., Turnsek M., Garrett N., Humphrys M., Gomez G., Stroika S., Boncy J., Ochieng B., Oundo J., Klena J., Smith A., Keddy K., Gerner-Smidt P. Characterization of toxigenic Vibrio cholerae from Haiti, 2010–2011. Emerg. Infect. Dis. 2011; 17(11):2122–9. DOI: 10.3201/eid1711.110805.Talkington D., Bopp C., Tarr C., Parsons M.B., Dahourou G., Freeman M., Joyce K., Turnsek M., Garrett N., Humphrys M., Gomez G., Stroika S., Boncy J., Ochieng B., Oundo J., Klena J., Smith A., Keddy K., Gerner-Smidt P. Characterization of toxigenic Vibrio cholerae from Haiti, 2010–2011. Emerg. Infect. Dis. 2011; 17(11):2122–9. DOI: 10.3201/eid1711.110805.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.Титова С.В., Монахова Е.В. О потенциальной опасности нетоксигенных штаммов холерных вибрионов, содержащих гены токсин-корегулируемых пилей адгезии. Эпидемиология и инфекционные болезни. 2016; (5):65–72.Titova S.V., Monakhova E.V. [On the potential danger of non-toxigenic strains of cholera vibrios containing genes of toxin-coregulated pilli of adhesion]. Epidemiologiya i Infektsionnye Bolezni [Epidemiology and Infectious Diseases]. 2016; (5):65–72.Sinha-Ray S., Alam M.T., Bag S., Morris J.G. Jr, Ali A. Conversion of a recA-mediated non-toxigenic Vibrio cholerae O1 strain to a toxigenic strain using chitin-induced transformation. Front. Microbiol. 2019; 10:2562. DOI: 10.3389/fmicb.2019.02562.Sinha-Ray S., Alam M.T., Bag S., Morris J.G. Jr, Ali A. Conversion of a recA-mediated non-toxigenic Vibrio cholerae O1 strain to a toxigenic strain using chitin-induced transformation. Front. Microbiol. 2019; 10:2562. DOI: 10.3389/fmicb.2019.02562.Смирнова Н.И., Агафонов Д.А., Кульшань Т.А., Щелканова Е.Ю., Краснов Я.М., Лозовский Ю.В., Кутырев В.В. Влияние делеции профага CTXφ возбудителя холеры на экспрессию регуляторных генов, контролирующих вирулентность и образование биопленки. Генетика. 2017; 53(3):284–97. DOI: 10.7868/S0016675817020114.Smirnova N.I., Agafonov D.A., Kul’shan’ T.A., Shchelkanova E.Yu., Krasnov Ya.M., Lozovsky Yu.V., Kutyrev V.V. [Effect of CTXφ prophage deletion in cholera agent on expression of regulatory genes controlling virulence and biofilm formation]. Genetika [Russian Journal of Genetics]. 2017; 53(3):284–97. DOI: 10.7868/S0016675817020114.

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