MLVA25- и CRISPR-генотипы штаммов Yersinia pestis из Прикаспийского песчаного очага чумы

Цель работы – изучение генетического разнообразия и пространственно-временной структуры Yersinia pestis в Прикаспийском песчаном очаге чумы с использованием методов MLVA25- и CRISPR-типирования.

Материалы и методы. В работе использовано 98 штаммов Y. pestis, выделенных на территории Прикаспийского песчаного очага чумы в 1925–2015 гг. Полногеномное секвенирование выполняли на платформах Ion GeneStudio S5 System (ThermoFisher Scientific) и MGI (DNBSEQ-G50RS). Фрагментное секвенирование проводили с помощью ABI PRISM 3500XL. Поиск VNTR- и CRISPR-локусов с последующим выравниванием нуклеотидных последовательностей осуществляли в программе MEGA X. Полученные последовательности вносили в созданную базу данных в программе Bionumerics v7.6 (Applied Maths). Построение филогенетического дерева осуществляли методом UPGMA.

Результаты и обсуждение. По результатам проведенного MLVA25- и CRISPR-анализа 98 штаммов Y. pestis разделились на 60 генотипов (CS1 – CS60). Выявлена вариабельность по 23 VNTR-локусам. Описаны 7 новых CRISPR-спейсеров: 5 – в YPa и 2 – в YPb (размер – 31–33 п.н., GC-состав – 34–58 %). Описанные спейсеры получили названия а108, а109, а110, а111, a112, b53, b54. Выявлена взаимосвязь изменения копийности VNTRлокусов в зависимости от места и времени выделения штаммов. Полученные данные могут быть использованы для проведения молекулярно-генетической паспортизации территории Прикаспийского песчаного очага чумы и для изучения направлений и закономерностей эволюции и пространственно-временной циркуляции популяций Y. pestis в очагах чумы Прикаспия.

1. Попова А.Ю., Кутырев В.В., редакторы. Атлас природных очагов чумы России и зарубежных государств. Калининград: РА Полиграфычъ; 2022. 348 с.

2. Kutyrev V.V., Eroshenko G.A., Motin V.L., Nosov N.Y., Krasnov J.M., Kukleva L.M., Nikiforov K.A., Al’khova Z.V., Oglodin E.G., Guseva N.P. Phylogeny and classification of Yersinia pestis through the lens of strains from the plague foci of Commonwealth of Independent States. Front. Microbiol. 2018; 9:1106. DOI: 10.3389/fmicb.2018.01106.

3. Adair D.M., Worsham P.L., Hill K.K., Klevytska A.M., Jackson P.J., Friedlander A.M., Keim P. Diversity in a variablenumber tandem repeat from Yersinia pestis. J. Clin. Microbiol. 2000; 38(4):1516–9. DOI: 10.1128/JCM.38.4.1516-1519.2000.

4. Vogler A.J., Keim P., Wagner D.M. A review of methods for subtyping Yersinia pestis: From phenotypes to whole genome sequencing. Infect. Genet. Evol. 2016; 37:21–36. DOI: 10.1016/j.meegid.2015.10.024.

5. Al-Attar S., Westra E.R., van der Oost J., Brouns S.J. Clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPRs): the hallmark of an ingenious antiviral defense mechanism in prokaryotes. Biol. Chem. 2011; 392(4):277–89. DOI: 10.1515/BC.2011.042.

6. Barrangou R., Horvath P. CRISPR: new horizons in phage resistance and strain identification. Annu. Rev. Food Sci. Technol. 2012; 3:143–62. DOI: 10.1146/annurev-food-022811-101134.

7. Pourcel C., Salvignol G., Vergnaud G. CRISPR elements in Yersinia pestis acquire new repeats by preferential uptake of bacteriophage DNA, and provide additional tools for evolutionary studies. Microbiology. 2005; 151(Pt. 3):653–63. DOI: 10.1099/mic.0.27437-0.

8. Cui Y., Li Y., Gorgé O., Platonov M.E., Yan Y., Guo Z., Pourcel C., Dentovskaya S.V., Balakhonov S.V., Wang X., Song Y., Anisimov A.P., Vergnaud G., Yang R. Insight into microevolution of Yersinia pestis by clustered regularly interspaced short palindromic repeats. PLoS One. 2008; 3(7):e2652. DOI: 10.1371/journal. pone.0002652.

9. Riehm J.M., Projahn M., Vogler A.J., Rajerison M., Andersen G., Hall C.M., Zimmermann T., Soanandrasana R., Andrianaivoarimanana V., Straubinger R.K., Nottingham R., Keim P., Wagner D.M., Scholz H.C. Diverse genotypes of Yersinia pestis caused plague in Madagascar in 2007. PLoS Negl. Trop. Dis. 2015; 9(6):e0003844. DOI: 10.1371/journal.pntd.0003844.

10. He J., Jin J., Xin Y., Yang X., Li S., Zhang Q., Bai J., Li G., Dai R., Li W. CRISPR genotyping of Yersinia pestis in the plague natural foci of Qinghai-Tibet Plateau. Chin. J. Endemiol. 2022; 41(9):703–8. DOI: 10.3760/cma.j.cn231583-20220304-00063.

11. Klevytska A.M., Price L.B., Schupp J.M., Worsham P.L., Wong J., Keim P. Identification and characterization of variable-number tandem repeats in the Yersinia pestis genome. J. Clin. Microbiol. 2001; 39(9):3179–85. DOI: 10.1128/JCM.39.9.3179-3185.2001.

12. Le Flèche P., Hauck Y., Onteniente L., Prieur A., Denoeud F., Ramisse V., Sylvestre P., Benson G., Ramisse F., Vergnaud G. A tandem repeats database for bacterial genomes: application to the genotyping of Yersinia pestis and Bacillus anthracis. BMC Microbiol. 2001; 1:2. DOI: 10.1186/1471-2180-1-2.

13. 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.

14. Hunter P.R., Gaston M.A. Numerical index of the discriminatory ability of typing systems: an application of Simpson’s index of diversity. J. Clin. Microbiol. 1988; 26(11):2465–6. DOI: 10.1128/jcm.26.11.2465-2466.1988.

15. Botstein D., White R.L., Skolnick M., Davis R.W. Construction of a genetic linkage map in man using restriction fragment length polymorphisms. Am. J. Hum. Genet. 1980; 32(3):314–31.

16. Derbise A., Chenal-Francisque V., Pouillot F., Fayolle C., Prévost M.C., Médigue C., Hinnebusch B.J., Carniel E. A horizontally acquired filamentous phage contributes to the pathogenicity of the plague bacillus. Mol. Microbiol. 2007; 63(4):1145–57. DOI: 10.1111/j.1365-2958.2006.05570.x.

17. Li Y., Dai E., Cui Y., Li M., Zhang Y., Wu M., Zhou D., Guo Z., Dai X., Cui B., Qi Z., Wang Z., Wang H., Dong X., Song Z., Zhai J., Song Y., Yang R. Different region analysis for genotyping Yersinia pestis isolates from China. PLoS One. 2008; 3(5):e2166. DOI: 10.1371/journal.pone.0002166.

18. Barrangou R., Horvath P. The CRISPR system protects microbes against phages, plasmids. Palindromic DNA repeat sequences immunize microorganisms against phages and plasmids, while also directing their evolution. Microbe. 2009; 4(5):224–30. DOI: 10.1128/MICROBE.4.224.1.