microbeПроблемы особо опасных инфекцийProblems of Particularly Dangerous Infections0370-10692658-719XRussian Research Anti-Plague Institute “Microbe”10.21055/0370-1069-2026-2-113-122microbe-2352Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИORIGINAL ARTICLESМолекулярно-генетическая характеристика штаммов Yersinia pestis из Волго-Уральского песчаного очага чумыMolecular-Genetic Characteristics of Yersinia pestis Strains from the Volga-Ural Sandy Plague Focushttps://orcid.org/0000-0002-7752-6321КоврижниковА. В.KovrizhnikovA. V.

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

rusrapi@microbe.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3766-7979БалыковаА. Н.BalykovaA. N.

410005, Саратов, ул. Университетская, 46

46, Universitetskaya St., Saratov, 410005

https://orcid.org/0000-0001-7190-4427ФедоровА. В.FedorovA. V.

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/0000-0001-5403-989XЕрошенкоГ. А.EroshenkoG. A.

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

Российский научно-исследовательский противочумный институт «Микроб»РоссияRussian Research Anti-Plague Institute “Microbe”Russian Federation20262207202602113122Copyright © Коврижников А.В., Балыкова А.Н., Федоров А.В., Червякова Н.С., Ерошенко Г.А., Кутырев В.В., 20262026Коврижников А.В., Балыкова А.Н., Федоров А.В., Червякова Н.С., Ерошенко Г.А., Кутырев В.В.Kovrizhnikov A.V., Balykova A.N., Fedorov A.V., Chervyakova N.S., Eroshenko G.A., 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/2352

Цель работы – определение филогенетического разнообразия субпопуляций штаммов Yersinia pestis из ВолгоУральского песчаного природного очага чумы (ВУППО) за периоды эпизоотической и эпидемической активности с 1912 по 2002 г. и определение их географического распространения. Материалы и методы. В работе исследовано 103 штамма, выделенных на территории ВУППО с 1912 по 2002 г. Высокопроизводительное секвенирование проводили на платформе MGI (секвенатор DNBSEQ-G50RS, Китай) с использованием наборов реактивов MGIEasy Fast FS Library Prep Set и MGIEasy UDB Primers Adapter Kit A. Для обработки данных и сборки необработанных коротких прочтений генома de novo использовали Unicycler v0.4.9, FastQC v0.11.9. Анализ VNTR-локусов осуществляли с помощью программы TandemReapeatFinder, для иерархической кластеризации использовался метод агломеративной кластеризации (AgglomerativeClustering, бибилиотека scikit-learn v1.7.0). SNP-типирование осуществляли с помощью программы Snippy v4.6.0. Построение филогенетического дерева выполняли методом Maximum Likelihood с применением программы PhyML 3.1 с 500 бутстреп-репликами. Результаты и обсуждение. По данным полногеномного SNP-анализа и филогенетической реконструкции популяционной структуры выявлены основные распространенные в ВУППО субпопуляции, установлены SNP-генотипы штаммов Y. pestis, определены их маркерные SNPs. На основании полученных данных предположено, что причиной вспышки в 1945 г. на территории ВУППО в Казахстане могли быть штаммы Y. pestis, относящиеся к SNP-генотипу Pricasp 2. По данным анализа локусов VNTR выявлены 57 MLVA25-генотипов, определены наиболее вариабельные локусы (ms46 и ms62) для штаммов возбудителя чумы с территорий ВУППО. Результаты SNP- и MLVA25-типирования штаммов, выделенных в ВУППО с 1912 по 2002 г., указывают на активное изменение внутриочаговых зон циркуляции штаммов Y. pestis, а также на последовательную эволюцию штаммов средневекового биовара филогенетической ветви 2.MED1 возбудителя чумы в этом очаге.

The aim of the work was to establish the phylogenetic diversity of subpopulations of Yersinia pestis strains from the Volga-Ural sandy natural plague focus during the period of epizootic and epidemic activity between 1912 and 2002 and to determine their geographic distribution. Material and methods. One hundred and three samples from Volga-Ural sandy focus (1912–2002) were studied. High-throughput sequencing was performed on the MGI platform (DNBSEQ-G50RS, China) using MGIEasy Fast FS Library Prep Set and MGIEasy UDB Primers Adapter Kit A. To process the data and carry out the assembly of obtained raw short reads, Unicycler v0.4.9, FastQC v0.11.9 software was used. The analysis of VNTR loci was conducted using the TandemReapeatFinder program; the agglomerative clustering method was applied for hierarchical clustering (AgglomerativeClustering, scikit-learn v1.7.0 library). The SNP-typing was performed via Snippy v4.6.0. To construct phylogenetic tree we used the method of Maximum Likelihood in PhyML 3.1 (500 bootstrap replicas). Results and discussion. Whole-genome SNP-analysis and phylogenetic reconstruction of the population structure have identified the main subpopulations common in the Volga-Ural sandy focus; the SNP genotypes of Y. pestis strains have been established, and their marker SNPs determined. It has been suggested that the cause of plague outbreak in 1945 could be genotype Pricasp 2. VNTR-analysis has revealed 57 MLVA25-genotypes and the most variable VNTR-loci (ms46 и ms62). Results of conducted SNP- and VNTR-analysis indicate active changes in the zones of intra-focal circulation as well as the consistent evolution of the medieval biovar of Y. pestis strains, the phylogenetic branch 2.MED1 in Volga-Ural sandy focus.

Yersinia pestisприродные очагиMLVA25-типированиеSNP-типированиеYersinia pestisnatural fociMLVA25 typingSNP typingReferencesКутырев В.В., Попова А.Ю., редакторы. Кадастр эпидемических и эпизоотических проявлений чумы на территории Российской Федерации и ближнего зарубежья (с 1876 по 2016 год). Саратов: Амирит; 2016. 248 с.Kutyrev V.V., Popova A.Yu., editors. [Cadastre of Epidemic and Epizootic Manifestations of Plague in the Territory of the Russian Federation and Former Soviet Union (1876–2016)]. Saratov: LLC “Amirit”; 2016. 248 p.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: LLC “RA Poligrafych”; 2022. 348 p.Попов Н.В., Безсмертный В.Е., Матросов А.Н., Князева Т.В., Кузнецов А.А., Федоров Ю.М., Попов В.П., Вержуцкий Д.Б., Корзун В.М., Косилко С.А., Чипанин Е.В., Дубянский В.М., Малецкая О.В., Григорьев М.П., Зенкевич Е.С., Топорков В.П., Балахонов С.В., Куличенко А.Н., Кутырев В.В. Эпизоотическая активность природных очагов чумы Российской Федерации в 2015 г. и прогноз на 2016 г. Проблемы особо опасных инфекций. 2016; (1):13–9. DOI: 10.21055/0370-1069-2016-1-13-19.Popov N.V., Bezsmertny V.E., Matrosov A.N., Knyazeva T.V., Kuznetsov A.A., Fedorov Yu.M., Popov V.P., Verzhutsky D.B., Korzun V.M., Kosilko S.A., Chipanin E.V., Dubyansky V.M., Maletskaya O.V., Grigor’ev M.P., Zenkevich E.S., Toporkov V.P., Balakhonov S.V., Kulichenko A.N., Kutyrev V.V. [Epizootic activity of natural plague foci of the Russian Federation in 2015, and prognosis for 2016]. Problemy Osobo Opasnykh Infektsii [Problems of Particularly Dangerous Infections]. 2016; (1):13–9. DOI: 10.21055/0370-1069-2016-1-13-19.Попов Н.В., Карнаухов И.Г., Кузнецов А.А., Матросов А.Н., Иванова А.В., Марцоха К.С., Магеррамов Ш.В., Поспелов М.В., Корзун В.М., Вержуцкий Д.Б., Чипанин Е.В., Холин А.В., Лопатин А.А., Дубянский В.М., Ашибоков У.М., Газиева А.Ю., Кутырев И.В., Аязбаев Т.З., Бамматов Д.М., Балахонов С.В., Куличенко А.Н., Кутырев В.В. Эпидемиологическая обстановка по чуме в мире и прогноз ее развития на 2025 г. в Российской Федерации. Проблемы особо опасных инфекций. 2025; (1):74–83. DOI: 10.21055/0370-1069-2025-1-74-83.Popov N.V., Karnaukhov I.G., Kuznetsov A.A., Matrosov A.N., Ivanova A.V., Martsokha K.S., Magerramov Sh.V., Pospelov M.V., Korzun V.M., Verzhutsky D.B., Chipanin E.V., Kholin A.V., Lopatin A.A., Dubyansky V.M., Ashibokov U.M., Gazieva A.Yu., Kutyrev I.V., Ayazbaev T.Z., Bammatov D.M., Balakhonov S.V., Kulichenko A.N., Kutyrev V.V. [The epidemiological situation on plague in the world and the forecast of its development in the Russian Federation for 2025]. Problemy Osobo Opasnykh Infektsii [Problems of Particularly Dangerous Infections]. 2025; (1):74–83. DOI: 10.21055/0370-1069-2025-1-74-83.Achtman M., Morelli G., Zhu P., Wirth T., Diehl I., Kusecek B., Vogler A.J., Wagner D.M., Allender C.J., Easterday W.R., Chenal-Francisque V., Worsham P., Thomson N.R., Parkhill J., Lindler L.E., Carniel E., Keim P. Microevolution and history of the plague bacillus, Yersinia pestis. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2004; 101(51):17837–42. DOI: 10.1073/pnas.0408026101.Achtman M., Morelli G., Zhu P., Wirth T., Diehl I., Kusecek B., Vogler A.J., Wagner D.M., Allender C.J., Easterday W.R., ChenalFrancisque V., Worsham P., Thomson N.R., Parkhill J., Lindler L.E., Carniel E., Keim P. Microevolution and history of the plague bacillus, Yersinia pestis. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2004; 101(51):17837–42. DOI: 10.1073/pnas.0408026101.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.Балыкова А.Н., Куклева Л.М., Горюнова П.А., Шевченко К.С., Коврижников А.В., Краснов Я.М., Червякова Н.С., Ерошенко Г.А., Кутырев В.В. SNP-профили штаммов Yersinia pestis средневекового биовара из очагов чумы Прикаспия. Проблемы особо опасных инфекций. 2022; (4):41–9. DOI: 10.21055/0370-1069-2022-4-41-49.Balykova A.N., Kukleva L.M., Goryunova P.A., Shevchenko K.S., Kovrizhnikov A.V., Krasnov Ya.M., Chervyakova N.S., Eroshenko G.A., Kutyrev V.V. [SNP-profiles of Yersinia pestis strains of the medieval biovar from the Caspian Sea region plague foci]. Problemy Osobo Opasnykh Infektsii [Problems of Particularly Dangerous Infections]. 2022; (4):41–9. DOI: 10.21055/0370-1069-2022-4-41-49.Коврижников А.В., Балыкова А.Н., Куклева Л.М., Нарышкина Е.А., Федоров А.В., Червякова Н.С., Ерошенко Г.А., Кутырев В.В. Молекулярно-генетический анализ штаммов Yersinia pestis, выделенных в различные эпизоотические периоды на территории Урало-Эмбенского пустынного природного очага чумы в ХХ веке. Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Химия. Биология. Экология. 2023; 23(4):437–46. DOI: 10.18500/1816-9775-2023-23-4-437-446.Kovrizhnikov A.V., Balykova A.N., Kukleva L.M., Naryshkina E.A., Fedorov A.V., Chervyakova N.S., Eroshenko G.A., Kutyrev V.V. [Molecular-genetic analysis of Yersinia pestis strains isolated in different epizootic periods on the territory of the UralEmba desert natural plague focus in the twentieth century]. Izvestiya Saratovskogo Universiteta. Novaya Seriya. Seriya: Khimiya. Biologiya. Ekologiya. [Bulletin of the Saratov University. New series. Series: Chemistry. Biology. Ecology]. 2023; 23(4):437–46. DOI: 10.18500/1816-9775-2023-23-4-437-446.Онищенко Г.Г., Кутырев В.В., редакторы. Лабораторная диагностика опасных инфекционных болезней. Практическое руководство. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Шико; 2013. 560 с.Onishchenko G.G., Kutyrev V.V., editors. [Laboratory Diagnostics of Dangerous Infectious Diseases. Practice Guidelines]. 2nd edition, revised and updated. Moscow: “Shiko”; 2013. 560 p.Wick R.R., Judd L.M., Gorrie C.L., Holt K.E. Unicycler: resolving bacterial genome assemblies from short and long sequencing reads. PLoS Comput. Biol. 2017; 23(4):e1005595. DOI: 10.1371/journal.pcbi.1005595.Wick R.R., Judd L.M., Gorrie C.L., Holt K.E. Unicycler: resolving bacterial genome assemblies from short and long sequencing reads. PLoS Comput. Biol. 2017; 23(4):e1005595. DOI: 10.1371/journal.pcbi.1005595.Benson G. Tandem repeats finder: a program to analyze DNA sequences. Nucleic Acids Res. 1999; 27(2):573–80. DOI: 10.1093/nar/27.2.573.Benson G. Tandem repeats finder: a program to analyze DNA sequences. Nucleic Acids Res. 1999; 27(2):573–80. DOI: 10.1093/nar/27.2.573.Virtanen P., Gommers R., Oliphant T.E., Haberland M., Reddy T., Cournapeau D., Burovski E., Peterson P., Weckesser W., Bright J., van der Walt S.J., Brett M., Wilson J., Millman K.J., Mayorov N., Nelson A.R.J., Jones E., Kern R., Larson E., Carey C.J., Polat İ., Feng Y., Moore E.W., VanderPlas J., Laxalde D., Perktold J., Cimrman R., Henriksen I., Quintero E.A., Harris C.R., Archibald A.M., Ribeiro A.H., Pedregosa F., van Mulbregt P.; SciPy 1.0 Contributors. SciPy 1.0: fundamental algorithms for scientific computing in Python. Nat. Methods. 2020; 17(3):261–72. DOI: 10.1038/s41592-019-0686-2.Virtanen P., Gommers R., Oliphant T.E., Haberland M., Reddy T., Cournapeau D., Burovski E., Peterson P., Weckesser W., Bright J., van der Walt S.J., Brett M., Wilson J., Millman K.J., Mayorov N., Nelson A.R.J., Jones E., Kern R., Larson E., Carey C.J., Polat İ., Feng Y., Moore E.W., VanderPlas J., Laxalde D., Perktold J., Cimrman R., Henriksen I., Quintero E.A., Harris C.R., Archibald A.M., Ribeiro A.H., Pedregosa F., van Mulbregt P.; SciPy 1.0 Contributors. SciPy 1.0: fundamental algorithms for scientific computing in Python. Nat. Methods. 2020; 17(3):261–72. DOI: 10.1038/s41592-019-0686-2.Akiba T., Sano S., Yanase T., Ohta T., Koyama M. Optuna: a next-generation hyperparameter optimization framework. In: KDD’19: Proceedings of the 25th ACM SIGKDD International Conference on Knowledge Discovery and Data Mining. New York; 2019. P. 2623–31. DOI: 10.1145/3292500.3330701.Akiba T., Sano S., Yanase T., Ohta T., Koyama M. Optuna: a next-generation hyperparameter optimization framework. In: KDD’19: Proceedings of the 25th ACM SIGKDD International Conference on Knowledge Discovery and Data Mining. New York; 2019. P. 2623–31. DOI: 10.1145/3292500.3330701.Rousseeuw P.J. Silhouettes: A graphical aid to the interpretation and validation of cluster analysis. J. Comput. Appl. Math. 1987; 20:53–65. DOI: 10.1016/0377-0427(87)90125-7.Rousseeuw P.J. Silhouettes: A graphical aid to the interpretation and validation of cluster analysis. J. Comput. Appl. Math. 1987; 20:53–65. DOI: 10.1016/0377-0427(87)90125-7.Posada D., editor. Bioinformatics for DNA Sequence Analysis. Totowa, N.J.: Humana Press; 2009. 354 p. DOI: 10.1007/978-1-59745-251-9.Posada D., editor. Bioinformatics for DNA Sequence Analysis. Totowa, N.J.: Humana Press; 2009. 354 p. DOI: 10.1007/978-1-59745-251-9.Waskom M.L. Seaborn: statistical data visualization. J. Open Source Softw. 2021; 6(60):3021. DOI: 10.21105/joss.03021.Waskom M.L. Seaborn: statistical data visualization. J. Open Source Softw. 2021; 6(60):3021. DOI: 10.21105/joss.03021.

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