Выявление фагоиндуцируемых мобильных генетических элементов в штаммах Vibrio cholerae О1 биовара Эль Тор

Приобретение новых мобильных генетических элементов способствует генетическому разнообразию штаммов Vibrio cholerae. Важная роль в данном процессе принадлежит генетическому материалу, получаемому от фагов.
Цель работы – выявление фагоиндуцируемых PLE-островов в штаммах V. cholerae О1-серогруппы и определение устойчивости изолятов, содержащих и не имеющих данные мобильные генетические элементы, к литическому действию бактериофага холерного диагностического эльтор.
Материалы и методы. Использовали нуклеотидные последовательности полных геномов токсигенных и нетоксигенных штаммов V. cholerae О1, представленных в NCBI GenBank. Биоинформационный анализ проводили с применением алгоритма BLAST, MEGA X (или BioEdit v. 7.0.9.0). Тест с фагами ставили по методу А. Грациа.
Результаты и обсуждение. При анализе 39 токсигенных штаммов, завезенных на территорию РФ и сопредельных стран, выявлен штамм V. cholerae О1 классического биовара, содержащий остров PLE5, и 13 штаммов V. cholerae О1 биовара Эль Тор, включающих остров PLE4. В нетоксигенных штаммах PLE-острова не обнаружены. Показано, что штаммы с PLE4 относятся к геновариантам V. cholerae О1 биовара Эль Тор и имеют аллель гена ctxB1. Изоляты с данным мобильным элементом вызвали единичные случаи (1994–1999 гг.), а также вспышки холеры на территории РФ (1993–1994 гг., 1998 г. – Дагестан; 1993 г. – Татарстан) и Украины (1994–1995 гг.). Высказано предположение, что, возможно, присутствие острова PLE4 вносит определенный вклад в обеспечение устойчивости штаммов V. cholerae О1 биовара Эль Тор к холерному диагностическому фагу эльтор (выявлено 55,6 % фагоустойчивых изолятов), но существуют и другие, пока не выявленные, механизмы. Таким образом, получены данные о присутствии новых мобильных генетических элементов в геноме ранее завезенных токсигенных штаммов V. cholerae О1 биовара Эль Тор, что расширяет сведения об их генетической организации. 

1. Nair G.B., Faruque S.M., Bhuiyan N.A., Kamruzzaman M., Siddique A.K., Sack D.A. New variants of Vibrio cholerae O1 biotype El Tor with attributes of the classical biotype from hospitalized patients with acute diarrhea in Bangladesh. J. Clin. Microbiol. 2002; 40(9):3296–9. DOI: 10.1128/JCM.40.9.3296-3299.2002.

2. Safa A., Nair G.B., Kong R.Y. Evolution of new variants of Vibrio cholerae O1. Trends Microbiol. 2010; 18(1):46–54. DOI: 10.1016/j.tim.2009.10.003.

3. Bhandari M., Jennison A.V., Rathnayake I.U., Huygens F. Evolution, distribution and genetics of atypical Vibrio cholerae – A review. Infect. Genet. Evol. 2021; 89:104726. DOI: 10.1016/j.meegid.2021.104726.

4. 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.

5. Faruque S.M., Naser I.B., Islam M.J., Faruque A.S.G., Ghosh A.N., Nair G.B., Sack D.A., Mekalanos J.J. Seasonal epidemics of cholera inversely correlate with the prevalence of environmental cholera phages. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2005; 102(5):1702–7. DOI: 10.1073/pnas.0408992102. 6. Seed K.D., Bodi K.L., Kropinski A.M., Ackermann H.-W., Calderwood S.B., Qadri F., Camilli A. Evidence of a dominant lineage of Vibrio cholerae-specific lytic bacteriophages shed by cholera patients over a 10-year period in Dhaka, Bangladesh. mBio. 2011;

6. (1):e00334-10. DOI: 10.1128/mBio.00334-10.

7. 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.

8. Angermeyer A., Das M.М., Singh D.V., Seed K.D. Analysis of 19 highly conserved Vibrio cholerae bacteriophages isolated from environmental and patient sources over a twelve-year period. Viruses. 2018; 10(6):299–310. DOI: 10.3390/v10060299.

9. Boyd C.M., Angermeyer A., Hays S.G., Barth Z.K., Patel K.M., Seed K.D. Bacteriophage ICP1: a persistent predator of Vibrio cholerae. Annu. Rev. Virol. 2021; 8(1):285–304. DOI: 10.1146/annurev-virology-091919-072020.

10. O’Hara B.J., Barth Z.K., McKitterick A.C., Seed K.D. A highly specific phage defense system is a conserved feature of the Vibrio cholerae mobilome. PLoS Genet. 2017; 13(6):e1006838. DOI: 10.1371/journal.pgen.1006838.

11. Angermeyer A., Hays S.G., Nguyen M.H.T., Johura F.T., Sultana M., Alam M., Seed K.D. Evolutionary sweeps of subviral parasites and their phage host bring unique parasite variants and disappearance of a phage CRISPR-Cas system. mBio. 2022; 13(1):e03088-21. DOI: 10.1128/mbio.03088-21.

12. Barth Z.K., Silvas T.V., Angermeyer A., Seed K.D. Genome replication dynamics of a bacteriophage and its satellite reveal strategies for parasitism and viral restriction. Nucl. Acids Res. 2020; 48(1):249–63. DOI: 10.1093/nar/gkz1005.

13. McKitterick A.C., Seed K.D. Anti-phage islands force their target phage to directly mediate island excision and spread. Nat. Commun. 2018; 9(1):e2348. DOI: 10.1038/s41467-018-04786-5.

14. Смирнова Н.И., Агафонов Д.А., Щелканова Е.Ю., Рыбальченко Д.А., Крицкий А.А., Альхова Ж.В., Краснов Я.М., Агафонова Е.Ю., Кутырев В.В. Структурные и функциональные изменения генома авирулентных штаммов Vibrio cholerae биовара Эль Тор ctxA+tcpA+. Молекулярная генетика, микробиология и вирусология. 2020; 38(3):108–19. DOI: 10.17116/molgen202038031108.

15. Смирнова Н.И., Заднова С.П., Агафонов Д.А., Шашкова А.В., Челдышова Н.Б., Черкасов А.В. Сравнительный молекулярно-генетический анализ мобильных элементов природных штаммов возбудителя холеры. Генетика. 2013; 49(9):1036–47. DOI: 10.7868/SOO16675813090087.

16. Онищенко Г.Г., Москвитина Э.А., Водопьянов А.С., Монахова Е.В., Писанов Р.В., Водопьянов С.О., Чемисова О.С., Кругликов В.Д., Титова С.В. Ретроспективный молекулярноэпидемиологический анализ эпидемии холеры в Республике Дагестан в 1994 г. Проблемы особо опасных инфекций. 2016; 4:33–41. DOI: 10.21055/0370-1069-2016-4-33-41.

17. Gladkikh A.S., Feranchuk S.I., Ponomareva A.S., Bochalgin N.O., Mironova L.V. Antibiotic resistance in Vibrio cholerae El Tor strains isolated during cholera complications in Siberia and the Far East of Russia. Infect. Genet. Evol. 2020; 78:104096. DOI: 10.1016/j.meegid.2019.104096.

18. Монахова Е.В., Ghosh A., Mutreja A., Weill F.-X., Ramamurthy T. Эндемичная холера в Индии и завозная холера в России: что общего? Проблемы особо опасных инфекций. 2020; 3:17–26. DOI: 10.21055/0370-1069-2020-3-17-26.

19. Гаевская Н.Е., Македонова Л.Д. Использование бактериофагов в лабораторной диагностике холеры. Клиническая лабораторная диагностика. 2016; 61(12):849–52. DOI: 10/1882/0869-2084-2016-61-12-849-852.

20. Погожова М.П., Гаевская Н.Е., Водопьянов А.С., Писанов Р.В., Аноприенко А.О., Романова Л.В., Тюрина А.В. Биологические свойства и генетическая характеристика экспериментальных диагностических бактериофагов Vibrio cholerae. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2021; 98(3):290–7. DOI: 10.36233/0372-9311-39.

21. Гумаюнова К.С., Зинина О.С., Овчинникова М.В., Гаевская Н.Е., Синягина Ю.В., Никифоров А.К. Оценка результатов испытаний экспериментального фага для диагностики холеры эльтор. Вестник биотехнологии и физико-химической биологии им. Ю.А. Овчинникова. 2021; 17(4):34–40.

22. Савельев В.Н., Ковалев Д.А., Савельева И.В., Таран Т.В., Подопригора Е.И., Васильева О.В., Шапаков Н.А., Алехина Ю.А., Куличенко А.Н. Эволюция фенотипических свойств и молекулярно-генетической организации геномов штаммов Vibrio cholerae O1 биовара Эль Тор, выделенных от больных и из объектов окружающей среды на Кавказе с 1970 по 1998 год. Здоровье населения и среда обитания. 2020; 12:56–61. DOI: 10.35627/2219-5238/2020-333-12-56-61.

23. Alam M.T., Mavian C., Paisie T.K., Tagliamonte M.S., Cash M.N., Angermeyer A., Seed K.D., Camilli A., Maisha F.M., Senga R.K.K., Salemi M., Morris J.G. Jr, Ali A. Emergence and evolutionary response of Vibrio cholerae to novel bacteriophage, Democratic Republic of the Congo. Emerg. Infect. Dis. 2022; 28(12):2482–90. DOI: 10.3201/eid2812.220572.