Сравнительный анализ молекулярно-генетических свойств нетоксигенных штаммов Vibrio cholerae O1 биовара Эль Тор, изолированных в России и на эндемичных по холере территориях

Цель – сравнительный анализ молекулярно-генетических свойств нетоксигенных штаммов Vibrio cholerae O1 биовара Эль Тор, изолированных в Республике Калмыкия и на эндемичных по холере территориях, и установление их филогенетических связей с токсигенными изолятами.

Материалы и методы. Проведен биоинформационный анализ полногеномных последовательностей 60 штаммов холерных вибрионов из эндемичных по холере регионов и Калмыкии. Определено присутствие в их геномах островов патогенности и пандемичности. Показаны их ST-типы и проведен полногеномный SNP-анализ.

Результаты и обсуждение. Показано, что нетоксигенные холерные вибрионы Эль Тор, изолированные в Калмыкии, относятся к двум основным генотипам: ctxA^–tcpA⁺VPI-2⁺VSP^– и ctxA^–tcpA^–VPI-2Δ+VSP^–, где VPI-2Δ⁺ означает наличие делеций разной протяженности в геноме этого острова патогенности. Среди них лишь последние обнаружены в регионах, эндемичных по холере. Кроме того, в эндемичных очагах холеры циркулируют популяции вибрионов ctxA^–tcpA⁺VPI-2⁺VSP⁺, не обнаруженные в Калмыкии. Среди всех изученных штаммов выявлено 17 сиквенс-типов (по семи локусам генов «домашнего хозяйства»). Филогенетический анализ, проведенный с помощью SNP-типирования, показал отсутствие тесной генетической связи вибрионов из Калмыкии ctxA^–tpA⁺VPI-2⁺VSP^– как с токсигенными, так и с нетоксигенными вибрионами с иным составом островов патогенности и пандемичности. В то же время выявлена генетическая близость холерных вибрионов ctxA^–tcpA^–VPI-2Δ⁺VSP^– из эндемичных очагов холеры с таковыми, изолированными в Калмыкии, что может указывать на возможность их периодического завоза на территорию России. Нетоксигенные штаммы V. cholerae, циркулирующие на территории Калмыкии, отличаются высоким генетическим разнообразием. Циркулирование штаммов уникальных сиквенс-типов позволяет сделать предположение об их способности к длительной персистенции на данной территории. Вместе с тем филогенетическая близость и идентичность некоторых штаммов со штаммами эндемичных территорий могут свидетельствовать о периодическом заносе.

1. Hu D., Liu B., Feng L., Ding P., Guo X., Wang M., Cao B., Reeves P.R., Wang L. Origins of the current seventh cholera pandemic. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2016; 113(48):Е7730–Е7739. DOI: 10.1073/pnas.1608732113.

2. Москвитина Э.А., Янович Е.Г., Куриленко М.Л., Кругликов В.Д., Титова С.В., Левченко Д.А., Водопьянов А.С., Лопатин А.А., Иванова С.М., Мишанькин Б.М., Кривенко А.С., Анисимова Г.Б., Носков А.К. Холера: мониторинг эпидемиологической обстановки в мире и России (2010–2019 гг.). Прогноз на 2020 г. Проблемы особо опасных инфекций. 2020; 2:38–47. DOI: 10.21055/0370-1069-2020-2-38-47.

3. Миронова Л.В. Современные представления о закономерностях эпидемического процесса при холере: экологические и молекулярно-биологические аспекты. Эпидемиология и инфекционные болезни. 2018; 23(5):242–50. DOI: 10.18821/1560-9525-2018-23-5-242-250.

4. Karaolis D.K., Johnson J.A., Bailey C.C., Boedeker E.C., Kaper J.B., Reeves P.R. A Vibrio cholerae pathogenicity island associated with epidemic and pandemic strains. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 1998; 95(6):3134–9. DOI: 10.1073/pnas.95.6.3134.

5. Waldor M.K., Mekalanos J.J. Lysogenic conversion by a flamentous phage encoding cholera toxin. Science. 1996; 272(5270):1910–4. DOI: 10.1126/science.272.5270.1910.

6. Jermyn W.S., Boyd E.F. Characterization of a novel Vibrio pathogenicity island (VPI-2) encoding neuraminidase (nanH) among toxigenic Vibrio cholerae isolates. Microbiology (Reading). 2002; 148(Pt 11):3681–93. DOI: 10.1099/00221287-148-11-3681.

7. 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.

8. 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 choleraе биовара Эль Тор с различной эпидемиологической значимостью. Генетика. 2016; 52(9):1029–41. DOI: 10.7868/S0016675816060126.

9. Siriphap A., Leekitcharoenphon P., Kaas R.S., Theethakaew Ch., 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):eb169324. DOI: 10.1371/journal.pone.0169324.

10. Wang H., Yang Ch., Sun Z., Zheng 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 nontoxigenic lineages. PLoS Negl. Trop. Dis. 2020; 14(2):e0008046. DOI: 10.1371/journal.pntd.0008046.

11. Левченко Д.А., Кругликов В.Д., Водопьянов А.С., Титова С.В., Архангельская И.В., Непомнящая Н.Б., Ежова М.И. ГИС: возможности анализа данных фено- и генотипирования холерных вибрионов О1 серогруппы Эль Тор, изолированных из водных объектов окружающей среды на территории Российской Федерации. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2016; 6:19–25. DOI: 10.36233/0372-9311-2016-6-19-25.

12. Кулешов К.В., Маркелов М.Л., Дедков В.Г., Водопьянов С.О., Водопьянов А.С., Керманов А.В., Писанов Р.В., Кругликов В.Д., Мазрухо А.Б., Малеев В.В., Шипулин Г.А. Филогенетический анализ геномов штаммов Vibrio cholerae, выделенных на территории Ростовской области. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2013; 6:13–20.

13. Зубкова Д.А., Кругликов В.Д., Архангельская И.В., Водопьянов А.С., Непомнящая Н.Б., Водопьянов С.О. Генетические особенности штаммов холерных вибрионов О1 серогруппы ctxA–tcpA+, выделенных из водных объектов Российской Федерации, охарактеризованные с помощью новой геоинформационной системы. Здоровье населения и среда обитания. 2014; 9:32–5.

14. Титова С.В., Монахова Е.В. О потенциальной опасности нетоксигенных штаммов холерных вибрионов, содержащих гены токсин-коррегулируемых пилей адгезии. Эпидемиология и инфекционные болезни. Актуальные вопросы. 2016; 5:65–72.

15. Миронова Л.В., Пономарева А.С., Хунхеева Ж.Ю., Гладких А.С., Балахонов С.В. Генетическое разнообразие Vibrio cholerae О1 El Tor при эпидемических осложнениях в Сибирском и Дальневосточном регионах. Молекулярная генетика, микробиология и вирусология. 2019; 37(4):165–72. DOI: 10.17116/molgen201937041165.

16. MukhopadhyayA.K., Chakraborty S., Takeda Y., Nair G.B., Berg D.E. Characterization of VPI pathogenicity island and CTXphi prophage in environmental strains of Vibrio cholerae. J. Bacteriol. 2001; 183(16):4737–46. DOI: 10.1128/JB.183.16.4737-4746.2001.

17. Faruque S.M., Chowdhury N., Kamruzzaman M., Dziejman M., Rahman M.H., Sack D.A., Nair G.B., Mekalanos J.J. Genetic diversity and virulence potential of environmental Vibrio cholerae population in a cholera-endemic area. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2004; 101(7):2123–8. DOI: 10.1073/pnas.0308485100.

18. O’Shea Y.A., Reen F.J., Quirke A.M., Boyd E.F. Evolutionary genetic analysis of the emergence of epidemic Vibrio cholerae isolates on the basis of comparative nucleotide sequence analysis and multilocus virulence gene profles. J. Clin. Microbiol. 2004; 42(10):4657–71. DOI: 10.1128/JCM.42.10.4657-4671.2004.

19. Pang B., Yan M., Cui Z., Ye X., Diao B., Ren Y., Gao S., Zhang L., Kan B. Genetic diversity of toxigenic and nontoxigenic Vibrio cholerae serogrups O1 and O139 revealed by array-based comparative genomic hybridization. J. Bacteriol. 2007; 189(13):4837–49. DOI: 10.1128/JB.01959-06.

20. Водопьянов А.С., Водопьянов С.О., Мишанькин М.Б., Сучков И.Ю., Мишанькин Б.Н. Вариабельные тандемные повторы, выявленные при компьютерном анализе генома Vibrio choleraе. Биотехнология. 2001; 6:85–8.

21. Водопьянов А.С., Водопьянов С.О., Олейников И.П., Мишанькин Б.Н. INDEL-типирование штаммов Vibrio cholerae. Эпидемиология и инфекционные болезни. 2017; 22(4):195–200. DOI: 10.18821/1560-9529-2017-22-4-195-200.

22. Baddam R., Sarker N., Ahmed D., Mazumder R., Abdullah A., Morshed R., Hussain A., Begum S., Shahrin L., Khan A.I., Islam M.S., Ahmed T., Alam M., Clemens J.D., Ahmed N. Genome dynamics of Vibrio cholerae isolates linked to seasonal outbreaks of cholera in Dhaka, Bangladesh. mBio. 2020; 11(1):e03339-19. DOI: 10.1128/mBio.03339-19.

23. Mavian C., Paisie T.K., Alam M.T., Browne C., Beau De Rochars V.M., Nembrini S., Cash M.N., Nelson E.J., Azarian T., Ali A., Morris J.G. Jr, Salemi M. Toxigenic Vibrio cholerae evolution and establishment of reservoirs in aquatic ecosystems. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2020; 117(14):7897–904. DOI: 10.1073/pnas.1918763117.

24. Левченко Д.А., Архангельская И.В., Кругликов В.Д., Гаевская Н.Е., Ежова М.И., Ренгач М.В. Результаты мониторинга холерных вибрионов на территории Республики Калмыкия в 2013–2017 гг. Эпидемиология и инфекционные болезни. Актуальные вопросы. 2019; 9(4):6–11. DOI: 10.18565/epidem.2019.94.6-11.

25. 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 O1, выделенных на территории России и сопредельных стран. Молекулярная генетика, микробиология и вирусология. 2018; 36(2):76–86. DOI: 10.18821/0208-0613-2018-36-2-76-84.

26. Миронова Л.В., Афанасьев М.В., Гольдапель Э.Г., Балахонов С.В. Мультилокусное сиквенс-типирование штаммов Vibrio cholerae разной эпидемической значимости. Молекулярная генетика, микробиология и вирусология. 2015; 33(2):26–32.

27. Миронова Л.В., Бочалгин Н.О., Гладких А.С., Феранчук С.И., Пономарева А.С., Балахонов С.В. Филогенетическое положение и особенности структуры геномов ctxAB–tcpA+ Vibrio cholerae из поверхностных водоемов на неэндемичной по холере территории. Проблемы особо опасных инфекций. 2020; 1:115–23. DOI: 10.21055/0370-1069-2020-1-115-123.