microbeПроблемы особо опасных инфекцийProblems of Particularly Dangerous Infections0370-10692658-719XRussian Research Anti-Plague Institute “Microbe”10.21055/0370-1069-2026-2-148-155microbe-2356Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИORIGINAL ARTICLESМолекулярно-генетическая характеристика штаммов Brucella abortus из Джидинского района Республики Бурятия, изолированных при эпизоотической активизации бруцеллеза в 2023–2024 гг.Molecular-Genetic Characteristics of Brucella abortus Strains from the Dzhida Region of the Republic of Buryatia under Conditions of Epizootic Activation of Brucellosis in 2023–2024https://orcid.org/0009-0003-9778-3485ЛященкоС. М.LyashchenkoS. M.

664047, Иркутск, ул. Трилиссера, 78

78, Trilissera St., Irkutsk, 664047

lsh.smn15@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-5710-5311ТолмачёваМ. И.TolmachevaM. I.

664047, Иркутск, ул. Трилиссера, 78

78, Trilissera St., Irkutsk, 664047

https://orcid.org/0009-0007-8555-0683ТаликинаТ. О.TalikinaT. O.

664047, Иркутск, ул. Трилиссера, 78

78, Trilissera St., Irkutsk, 664047

https://orcid.org/0000-0003-4422-0497БондарюкА. Н.BondaryukA. N.

664047, Иркутск, ул. Трилиссера, 78

78, Trilissera St., Irkutsk, 664047

https://orcid.org/0000-0001-7034-5125КуликаловаЕ. С.KulikalovaE. S.

664047, Иркутск, ул. Трилиссера, 78

78, Trilissera St., Irkutsk, 664047

https://orcid.org/0000-0003-4201-5828БалахоновС. В.BalakhonovS. V.

664047, Иркутск, ул. Трилиссера, 78

78, Trilissera St., Irkutsk, 664047

Иркутский научно-исследовательский противочумный институт Сибири и Дальнего ВостокаРоссияIrkutsk Research Anti-Plague Institute of Siberia and the Far eastRussian Federation20262207202602148155Copyright © Лященко С.М., Толмачёва М.И., Таликина Т.О., Бондарюк А.Н., Куликалова Е.С., Балахонов С.В., 20262026Лященко С.М., Толмачёва М.И., Таликина Т.О., Бондарюк А.Н., Куликалова Е.С., Балахонов С.В.Lyashchenko S.M., Tolmacheva M.I., Talikina T.O., Bondaryuk A.N., Kulikalova E.S., Balakhonov S.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/2356

Цель исследования – выявление генетических особенностей и возможного происхождения штаммов Brucella abortus, вызвавших эпизоотическую вспышку бруцеллеза в Республике Бурятия в 2023–2024 гг. Материалы и методы. Исследуемые штаммы B. abortus, выделенные из патологоанатомического материала от крупного рогатого скота в Республике Бурятия в 2023–2024 гг. на территории, пограничной с Монголией, изучили бактериологически, с последующим секвенированием ДНК возбудителя и биоинформатическим анализом геномов. Проведен байесовский филогенетический анализ в BEAST v2.7.5. Результаты и обсуждение. Геномы штаммов охарактеризованы, проведен сравнительный анализ вариабельности штаммов с вакцинным B. abortus 82 и штаммами, выделенными в Монголии в 1999 и 2014 гг. Установлено, что все исследуемые штаммы относятся к одной клональной ветви B. abortus сиквенс-типа 2. Группа штаммов B. abortus вспышки 2023–2024 гг. появилась около 58 лет назад (95% HPD: 31,2–86,7) и близкородственна штаммам, выделенным на территории Монголии в 1999 и 2014 гг. Эволюционная скорость этой группы составила 1,8·10–7 замен на сайт в год (95% HPD: 2,5·10–8 – 1,84·10–6 замен на сайт в год). Уникальной мутацией, отличающей группу штаммов вспышки от штаммов B. abortus 82 и штаммов из Монголии, является дефект гена rbsB, вызванный мутацией с появлением стоп-кодона внутри рамки считывания. Этот ген участвует в энергозависимом переносе внеклеточной D-рибозы внутрь клетки и потенциально может снижать способность бактерии размножаться внутри клеток хозяина. В результате проведенного молекулярно-генетического исследования установлены причины и пути возникновения вспышки бруцеллеза среди крупного рогатого скота в Республике Бурятия в 2023–2024 гг.

The aim of the study was to identify genetic features and possible origin of Brucella abortus strains that caused the epizootic outbreak of brucellosis in the Republic of Buryatia in 2023–2024. Materials and methods. The studied B. abortus strains, isolated from pathoanatomical material from cattle in the Republic of Buryatia in 2023–2024 in the area adjacent to Mongolia, were examined bacteriologically, followed by pathogen DNA sequencing and bioinformatic genome analysis. Bayesian phylogenetic analysis was performed in BEAST v2.7.5. Results and discussion. The genomes of the strains have been characterized; a comparative analysis of strain variability has been conducted in relation to the vaccine strain B. abortus 82 and strains isolated in Mongolia in 1999 and 2014. It was established that all studied strains belong to a single clonal branch of B. abortus with sequence type 2. The 2023–2024 outbreak B. abortus group emerged approximately 58 years ago (95% HPD: 31.2–86.7) and is closely related to strains isolated in Mongolia in 1999 and 2014. The evolution rate of this group was 1.8·10–7 substitutions per site per year (95% HPD: 2.5·10–8 – 1.84·10–6 substitutions per site per year). The unique mutation distinguishing this group of strains from B. abortus 82 and Mongolian strains is a defect in the rbsB gene caused by a mutation resulting in a stop codon within the reading frame. This gene is involved in energy-dependent transport of extracellular D-ribose into the cell and may potentially reduce the bacterium’s ability to reproduce inside host cells. As a result of the molecular-genetic study, the causes and patterns of occurrence of the brucellosis outbreak among cattle in the Republic of Buryatia in 2023–2024 has been established.

Brucella abortusэпизоотияполногеномное секвенированиебайесовский филогенетический анализBrucella abortusepizootywhole genome sequencingBayesian phylogenetic analysisReferencesОнищенко Г.Г., Куличенко А.Н., редакторы. Бруцеллез. Современное состояние проблемы. Изд. 2-е, доп. Н. Новгород: Союзполиграф: Кириллица; 2021. 356 c.Onishchenko G.G., Kulichenko A.N., editors. [Brucellosis. Current State of the Issue]. 2nd ed., suppl. Nizhny Novgorod: “Soyuzpoligraf”: “Cyrillic”; 2021. 356 p.Захарова О.И., Бурова О.А., Яшин И.В., Блохин А.А. Эпизоотическая ситуация по бруцеллезу животных в Российской Федерации (обзор). Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2023; 24(1):20–9. DOI: 10.30766/2072-9081.2023.24.1.20-29.Zakharova O.I., Burova O.A., Yashin I.V., Blokhin A.A. [Epizootic situation on animal brucellosis in the Russian Federation (review)]. Agrarnaya Nauka Evro-Severo-Vostoka [Agrarian Science of the Euro-North-East]. 2023; 24(1):20–9. DOI: 10.30766/2072-9081.2023.24.1.20-29.Пономаренко Д.Г., Матвиенко А.Д., Хачатурова А.А., Жаринова И.В., Скударева О.Н., Транквилевский Д.В., Логвиненко О.В., Ракитина Е.Л., Костюченко М.В., Кондратьева Ю.В., Малецкая О.В., Куличенко А.Н. Анализ ситуации по бруцеллезу в мире и Российской Федерации. Проблемы особо опасных инфекций. 2024; (2):36–50. DOI: 10.21055/0370-1069-2024-2-36-50.Ponomarenko D.G., Matvienko A.D., Khachaturova A.A., Zharinova I.V., Skudareva O.N., Trankvilevsky D.V., Logvinenko O.V., Rakitina E.L., Kostyuchenko M.V., Kondrat’eva Yu.V., Maletskaya O.V., Kulichenko A.N. [Analysis of the situation on brucellosis around the world and in the Russian Federation]. Problemy Osobo Opasnykh Infektsii [Problems of Particularly Dangerous Infections]. 2024; (2):36-50. DOI: 10.21055/0370-1069-2024-2-36-50.De Coster W., Rademakers R. NanoPack2: population-scale evaluation of long-read sequencing data. Bioinformatics. 2023; 39(5):btad311. DOI: 10.1093/bioinformatics/btad311.De Coster W., Rademakers R. NanoPack2: population-scale evaluation of long-read sequencing data. Bioinformatics. 2023; 39(5):btad311. DOI: 10.1093/bioinformatics/btad311.Kolmogorov M., Yuan J., Lin Y., Pevzner P.A. Assembly of long, error-prone reads using repeat graphs. Nat. Biotechnol. 2019; 37(5):540–6. DOI: 10.1038/s41587-019-0072-8.Kolmogorov M., Yuan J., Lin Y., Pevzner P.A. Assembly of long, error-prone reads using repeat graphs. Nat. Biotechnol. 2019; 37(5):540–6. DOI: 10.1038/s41587-019-0072-8.Manni M., Berkeley M.R., Seppey M., Simão F.A., Zdobnov E.M. BUSCO update: Novel and streamlined workflows along with broader and deeper phylogenetic coverage for scoring of eukaryotic, prokaryotic, and viral genomes. Mol. Biol. Evol. 2021; 38(10):4647– 54. DOI: 10.1093/molbev/msab199.Manni M., Berkeley M.R., Seppey M., Simão F.A., Zdobnov E.M. BUSCO update: Novel and streamlined workflows along with broader and deeper phylogenetic coverage for scoring of eukaryotic, prokaryotic, and viral genomes. Mol. Biol. Evol. 2021; 38(10):4647– 54. DOI: 10.1093/molbev/msab199.Schwengers O., Jelonek L., Dieckmann M.A., Beyvers S., Blom J., Goesmann A. Bakta: rapid and standardized annotation of bacterial genomes via alignment-free sequence identification. Microb. Genom. 2021; 7(11):000685. DOI: 10.1099/mgen.0.000685.Schwengers O., Jelonek L., Dieckmann M.A., Beyvers S., Blom J., Goesmann A. Bakta: rapid and standardized annotation of bacterial genomes via alignment-free sequence identification. Microb. Genom. 2021; 7(11):000685. DOI: 10.1099/mgen.0.000685.Cingolani P., Platts A., Wang L.L., Coon M., Nguyen T., Wang L., Land S.J., Lu X., Ruden D.M. A program for annotating and predicting the effects of single nucleotide polymorphisms, SnpEff: SNPs in the genome of Drosophila melanogaster strain w1118; iso-2; iso-3. Fly (Austin). 2012; 6(2):80–92. DOI: 10.4161/fly.19695.Cingolani P., Platts A., Wang L.L., Coon M., Nguyen T., Wang L., Land S.J., Lu X., Ruden D.M. A program for annotating and predicting the effects of single nucleotide polymorphisms, SnpEff: SNPs in the genome of Drosophila melanogaster strain w1118; iso-2; iso-3. Fly (Austin). 2012; 6(2):80–92. DOI: 10.4161/fly.19695.Jolley K.A., Bray J.E., Maiden M.C.J. Open-access bacterial population genomics: BIGSdb software, the PubMLST.org website and their applications. Wellcome Open Res. 2018; 3:124. DOI: 10.12688/wellcomeopenres.14826.1.Jolley K.A., Bray J.E., Maiden M.C.J. Open-access bacterial population genomics: BIGSdb software, the PubMLST.org website and their applications. Wellcome Open Res. 2018; 3:124. DOI: 10.12688/wellcomeopenres.14826.1.Janke N.R., Williamson C.H.D., Drees K.P., Suárez-Esquivel M., Allen A.R., Ladner J.T., Quance C.R., Robbe-Austerman S., O’Callaghan D., Whatmore A.M., Foster J.T. Global phylogenomic diversity of Brucella abortus: spread of a dominant lineage. Front. Microbiol. 2023; 14:1287046. DOI: 10.3389/fmicb.2023.1287046.Janke N.R., Williamson C.H.D., Drees K.P., Suárez-Esquivel M., Allen A.R., Ladner J.T., Quance C.R., Robbe-Austerman S., O’Callaghan D., Whatmore A.M., Foster J.T. Global phylogenomic diversity of Brucella abortus: spread of a dominant lineage. Front. Microbiol. 2023; 14:1287046. DOI: 10.3389/fmicb.2023.1287046.Croucher N.J., Page A.J., Connor T.R., Delaney A.J., Keane J.A., Bentley S.D., Parkhill J., Harris S.R. Rapid phylogenetic analysis of large samples of recombinant bacterial whole genome sequences using Gubbins. Nucleic Acids Res. 2015; 43(3):e15. DOI: 10.1093/nar/gku1196.Croucher N.J., Page A.J., Connor T.R., Delaney A.J., Keane J.A., Bentley S.D., Parkhill J., Harris S.R. Rapid phylogenetic analysis of large samples of recombinant bacterial whole genome sequences using Gubbins. Nucleic Acids Res. 2015; 43(3):e15. DOI: 10.1093/nar/gku1196.Schliep K.P. Phangorn: phylogenetic analysis in R. Bioinformatics. 2011; 27(4):592–3. DOI: 10.1093/bioinformatics/btq706.Schliep K.P. Phangorn: phylogenetic analysis in R. Bioinformatics. 2011; 27(4):592–3. DOI: 10.1093/bioinformatics/btq706.Bouckaert R., Vaughan T.G., Barido-Sottani J., Duchêne S., Fourment M., Gavryushkina A., Heled J., Jones G., Kühnert D., De Maio N., Matschiner M., Mendes F.K., Müller N.F., Ogilvie H.A., du Plessis L., Popinga A., Rambaut A., Rasmussen D., Siveroni I., Suchard M.A., Wu C.H., Xie D., Zhang C., Stadler T., Drummond A.J. BEAST 2.5: An advanced software platform for Bayesian evolutionary analysis. PLoS Comput. Biol. 2019; 15(4):e1006650. DOI: 10.1371/journal.pcbi.1006650.Bouckaert R., Vaughan T.G., Barido-Sottani J., Duchêne S., Fourment M., Gavryushkina A., Heled J., Jones G., Kühnert D., De Maio N., Matschiner M., Mendes F.K., Müller N.F., Ogilvie H.A., du Plessis L., Popinga A., Rambaut A., Rasmussen D., Siveroni I., Suchard M.A., Wu C.H., Xie D., Zhang C., Stadler T., Drummond A.J. BEAST 2.5: An advanced software platform for Bayesian evolutionary analysis. PLoS Comput. Biol. 2019; 15(4):e1006650. DOI: 10.1371/journal.pcbi.1006650.Nguyen L.T., Schmidt H.A., von Haeseler A., Minh B.Q. IQ-TREE: a fast and effective stochastic algorithm for estimating maximum-likelihood phylogenies. Mol. Boil. Evol. 2015; 32(1):268– 74. DOI: 10.1093/molbev/msu300.Nguyen L.T., Schmidt H.A., von Haeseler A., Minh B.Q. IQ-TREE: a fast and effective stochastic algorithm for estimating maximum-likelihood phylogenies. Mol. Boil. Evol. 2015; 32(1):268– 74. DOI: 10.1093/molbev/msu300.Duchene S., Lemey P., Stadler T., Ho S.Y.W., Duchene D.A., Dhanasekaran V., Baele G. Bayesian evaluation of temporal signal in measurably evolving populations. Mol. Biol. Evol. 2020; 37(11):3363–79. DOI: 10.1093/molbev/msaa163.Duchene S., Lemey P., Stadler T., Ho S.Y.W., Duchene D.A., Dhanasekaran V., Baele G. Bayesian evaluation of temporal signal in measurably evolving populations. Mol. Biol. Evol. 2020; 37(11):3363–79. DOI: 10.1093/molbev/msaa163.Kass R.E., Raftery A.E. Bayes factors. J. Am. Stat. Assoc. 1995; 90(430):773–95. DOI: 10.1080/01621459.1995.10476572.Kass R.E., Raftery A.E. Bayes factors. J. Am. Stat. Assoc. 1995; 90(430):773–95. DOI: 10.1080/01621459.1995.10476572.Whatmore A.M., Perrett L.L., MacMillan A.P. Characterisation of the genetic diversity of Brucella by multilocus sequencing. BMC Microbiol. 2007; 7:34. DOI: 10.1186/1471-2180-7-34.Whatmore A.M., Perrett L.L., MacMillan A.P. Characterisation of the genetic diversity of Brucella by multilocus sequencing. BMC Microbiol. 2007; 7:34. DOI: 10.1186/1471-2180-7-34.Yang C., Gao J., Xian R., Liu X., Kuai W., Yin C., Fan H., Tian J., Ma X., Ma J. Molecular epidemiology of Brucella abortus isolated from the environment in Ningxia Hui autonomous region, China. Infect. Genet. Evol. 2024; 123:105635. DOI: 10.1016/j.meegid.2024.105635.Yang C., Gao J., Xian R., Liu X., Kuai W., Yin C., Fan H., Tian J., Ma X., Ma J. Molecular epidemiology of Brucella abortus isolated from the environment in Ningxia Hui autonomous region, China. Infect. Genet. Evol. 2024; 123:105635. DOI: 10.1016/j.meegid.2024.105635.Tan Q., Wang Y., Liu Y., Tao Z., Yu C., Huang Y., Yang X., Ying X., Hu Y., Li S. Molecular epidemiological characteristics of Brucella in Guizhou Province, China, from 2009 to 2021. Front. Microbiol. 2023; 14:1188469. DOI: 10.3389/fmicb.2023.1188469.Tan Q., Wang Y., Liu Y., Tao Z., Yu C., Huang Y., Yang X., Ying X., Hu Y., Li S. Molecular epidemiological characteristics of Brucella in Guizhou Province, China, from 2009 to 2021. Front. Microbiol. 2023; 14:1188469. DOI: 10.3389/fmicb.2023.1188469.Xue H., Li J., Ma L., Yang X., Ren L., Zhao Z., Wang J., Zhao Y., Zhao Z., Zhang X., Liu Z., Li Z. Seroprevalence and molecular characterization of Brucella abortus from the himalayan marmot in Qinghai, China. Infect. Drug Resist. 2023; 16:7721–34. DOI: 10.2147/IDR.S436950.Xue H., Li J., Ma L., Yang X., Ren L., Zhao Z., Wang J., Zhao Y., Zhao Z., Zhang X., Liu Z., Li Z. Seroprevalence and molecular characterization of Brucella abortus from the himalayan marmot in Qinghai, China. Infect. Drug Resist. 2023; 16:7721–34. DOI: 10.2147/IDR.S436950.Kamath P.L., Foster J.T., Drees K.P., Luikart G., Quance C., Anderson N.J., Clarke P.R., Cole E.K., Drew M.L., Edwards W.H., Rhyan J.C., Treanor J.J., Wallen R.L., White P.J., Robbe-Austerman S., Cross P.C. Genomics reveals historic and contemporary transmission dynamics of a bacterial disease among wildlife and livestock. Nat. Commun. 2016; 7:11448. DOI: 10.1038/ncomms11448.Kamath P.L., Foster J.T., Drees K.P., Luikart G., Quance C., Anderson N.J., Clarke P.R., Cole E.K., Drew M.L., Edwards W.H., Rhyan J.C., Treanor J.J., Wallen R.L., White P.J., Robbe-Austerman S., Cross P.C. Genomics reveals historic and contemporary transmission dynamics of a bacterial disease among wildlife and livestock. Nat. Commun. 2016; 7:11448. DOI: 10.1038/ncomms11448.Duchêne S., Holt K.E., Weill F.X., Le Hello S., Hawkey J., Edwards D.J., Fourment M., Holmes E.C. Genome-scale rates of evolutionary change in bacteria. Microb. Genom. 2016; 2(11):e000094. DOI: 10.1099/mgen.0.000094.Duchêne S., Holt K.E., Weill F.X., Le Hello S., Hawkey J., Edwards D.J., Fourment M., Holmes E.C. Genome-scale rates of evolutionary change in bacteria. Microb. Genom. 2016; 2(11):e000094. DOI: 10.1099/mgen.0.000094.Salmakov K.M., Fomin A.M., Plotnikova E.M., Safina G.M., Galimova G.M., Salmakova A.V., Ivanov A.V., Panin A.N., Sklyarov O.D., Shumilov K.V., Klimanov A.I. Comparative study of the immunobiological properties of live brucellosis vaccines. Vaccine. 2010; 28 Suppl 5:F35-40. DOI: 10.1016/j.vaccine.2010.03.050.Salmakov K.M., Fomin A.M., Plotnikova E.M., Safina G.M., Galimova G.M., Salmakova A.V., Ivanov A.V., Panin A.N., Sklyarov O.D., Shumilov K.V., Klimanov A.I. Comparative study of the immunobiological properties of live brucellosis vaccines. Vaccine. 2010; 28 Suppl 5:F35-40. DOI: 10.1016/j.vaccine.2010.03.050.Reimer A., Maffenbeier V., Dubey M., Sentchilo V., Tavares D., Gil M.H., Beggah S., van der Meer J.R. Complete alanine scanning of the Escherichia coli RbsB ribose binding protein reveals residues important for chemoreceptor signaling and periplasmic abundance. Sci. Rep. 2017; 7(1):8245. DOI: 10.1038/s41598-017-08035-5.Reimer A., Maffenbeier V., Dubey M., Sentchilo V., Tavares D., Gil M.H., Beggah S., van der Meer J.R. Complete alanine scanning of the Escherichia coli RbsB ribose binding protein reveals residues important for chemoreceptor signaling and periplasmic abundance. Sci. Rep. 2017; 7(1):8245. DOI: 10.1038/s41598-017-08035-5.

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