Геномный анализ штаммов Vibrio cholerae, выделенных в Сибири и на Дальнем Востоке в период седьмой пандемии холеры: идентификация принадлежности к глобальным филогенетическим линиям

Цель исследования – определение филогенетического положения и особенностей организации геномов отдельных групп штаммов Vibrio cholerae, изолированных в Сибири и на Дальнем Востоке при разных эпидемиологических ситуациях в период седьмой пандемии холеры.

Материалы и методы. В исследование включено 275 штаммов V. cholerae, изолированных при эпидемических осложнениях или в благополучный по холере период в Сибири и на Дальнем Востоке, с разными профилями по основным геномным локусам патогенности. Для филогенетического анализа использованы геномы 969 изолятов V. cholerae из GenBank. Реконструкция филогении осуществлена методом расчета дистанций между штаммами на основе встречаемости k-меров. Поиск, анализ и визуализация структуры локусов мобильных генетических элементов в геномах V. cholerae осуществлены программами blastn и Prokka, а также авторскими скриптами R и Python.

Результаты и обсуждение. Выделенные на территории Сибири и Дальнего Востока штаммы холерного вибриона вошли в состав трех глобальных филогенетических линий – L2, L3, L4. Распределение штаммов на филогенетические линии согласуется с эпидемиологической ситуацией, при которой они были изолированы. Прослеживается распределение штаммов на группы с дифференциацией на глобальные волны распространения этиологического агента седьмой пандемии холеры и предварительным определением потенциальных направлений завоза возбудителя на территорию. Выявлено, что, наряду с токсигенными вибрионами Эль Тор, к филогенетической линии L2 относятся и спонтанные мутанты, утратившие гены холерного токсина при хранении и пассаже на питательных средах. Структурный анализ подтверждает различия их геномной организации со штаммами, не имеющими профага СТХ при первичном ПЦРскрининге. Целесообразен двухэтапный алгоритм филогенетического анализа в рамках геномного мониторинга возбудителя холеры: первый этап – упрощенный подход на основе встречаемости k-меров для оперативного эпидемиологического анализа; второй этап – углубленный анализ геномов с применением комплекса филогенетических методов для реконструкции звеньев эпидемической цепи в пределах отдельных эпидосложнений, установления закономерностей происхождения и времени дивергенции клонов возбудителя.

1. Онищенко Г.Г., Марамович А.С., Голубинский Е.П., Маслов Д.В., Вершкова Т.И., Урбанович Л.Я., Алленов А.В., Мурначев Г.П., Гарковенко Л.Е., Воронок В.М. Холера на Дальнем Востоке России. Сообщение 1. Эпидемиологическая характеристика вспышки холеры эльтор в г. Владивосток. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2000; 5:26–31.

2. Онищенко Г.Г., Марамович А.С., Голубинский Е.П., Папиренко Е.В., Ганин В.С., Бурый В.Л., Морозова И.В., Мартынова Т.М. Холера на Дальнем Востоке России. Сообщение 2. Эпидемиологическая характеристика вспышки холеры эльтор в г. Южно-Сахалинск. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2000; 5:31–35.

3. Марамович А.С., Пинигин А.Ф. Современные эпидемиологические аспекты холеры Эль Тор. Журнал инфекционной патологии. 1994; 1:6–11.

4. Faruque S.M., Asadulghani, Rahman M.M., Waldor M.K., Sack D.A. Sunlight-induced propagation of the lysogenic phage encoding cholera toxin. Infect. Immun. 2000; 68(8):4795–801. DOI: 10.1128/IAI.68.8.4795-4801.2000.

5. 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.

6. Karaolis D.K., Somara S., Maneval D.R. Jr, Johnson J.A., Kaper J.B. A bacteriophage encoding a pathogenicity island, a typeIV pilus and a phage receptor in cholera bacteria. Nature. 1999; 399(6734):375–9. DOI: 10.1038/20715.

7. 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.

8. Wang H., Yang C., Sun Z., Zheng W., Zhang 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.

9. Breurec S., Franck T., Njamkepo E., Mbecko J.R., Rauzier J., Sanke-Waïgana H., Kamwiziku G., Piarroux R., Quilici M.L., Weill F.X. Seventh pandemic Vibrio cholerae O1 sublineages, Central African Republic. Emerg. Infect. Dis. 2021; 27(1):262–6. DOI: 10.3201/eid2701.200375.

10. Smith A.M., Sekwadi P., Erasmus L.K., Lee C.C., Stroika S.G., Ndzabandzaba S., Alex V., Nel J., Njamkepo E., Thomas J., Weill F.-X. Imported cholera cases, South Africa, 2023. Emerg. Infect. Dis. 2023; 29(8):1687–90. DOI: 10.3201/eid2908.230750.

11. Weill F.-X., Domman D., Njamkepo E., Almesbahi A.A., Naji M., Nasher S.S., Rakesh A., Assiri A.M., Sharma N.C., Kariuki S., Pourshafie M.R., Rauzier J., Abubakar A., Carter J.Y., Wamala J.F., Seguin C., Bouchier C., Malliavin T., Bakhshi B., Abulmaali H.H.N., Kumar D., Njoroge S.M., Malik M.R., Kiiru J., Luquero F.J., Azman A.S., Ramamurthy T., Thomson N.R., Quilici M.-L. Genomic insights into the 2016–2017 cholera epidemic in Yemen. Nature. 2019; 565(7738):230–3. DOI: 10.1038/s41586-018-0818-3.

12. Hao T., Zheng W., Wu Y., Yu H., Qian X., Yang C., Zheng Z., Zhang X., Guo Y., Cui M., Wang H., Pan J., Cui Y. Population genomics implies potential public health risk of two non-toxigenic Vibrio cholerae lineages. Infect. Genet. Evol. 2023; 112:105441. DOI: 10.1016/j.meegid.2023.105441.

13. Yan H., Pang B., Lu X., Gao Z., Lu P., Zhang X., Wang M., Shen L., Zhao W., Zhao J., Liang W., Jia L., Zhou H., Cui Z., Du X., Kan B., Wang Q. Cholera caused by a new clone of serogroup O1 Vibrio cholerae – Beijing Municipality, China, June 2021. China CDC Wkly. 2022; 4(2):31–2. DOI: 10.46234/ccdcw2021.279.

14. Kolmogorov M., Armstrong J., Raney B.J., Streeter I., Dunn M., Yang F., Odom D., Flicek P., Keane T.M., Thybert D., Paten B., Pham S. Chromosome assembly of large and complex genomes using multiple references. Genome Res. 2018; 28(11):1720–32. DOI: 10.1101/gr.236273.118.

15. Kolmogorov M., Raney B., Paten B., Pham S. Ragout – a reference-assisted assembly tool for bacterial genomes. Bioinformatics. 2014; 30(12):i302-9. DOI: 10.1093/bioinformatics/btu280.

16. Lees J.A., Harris S.R., Tonkin-Hill G., Gladstone R.A., Lo S.W., Weiser J.N., Corander J., Bentley S.D., Croucher N.J. Fast and flexible bacterial genomic epidemiology with PopPUNK. Genome Res. 2019; 29(2):304–16. DOI: 10.1101/gr.241455.118.

17. GitHub – tseemann/snippy::scissors: Rapid haploid variant calling and core genome alignment. [Электронный ресурс]. URL: https://github.com/tseemann/snippy (дата обращения 15.08.2023).

18. 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.

19. 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. Biol. Evol. 2015; 32(1):268– 74. DOI: 10.1093/molbev/msu300.

20. Kimura M. Estimation of evolutionary distances between homologous nucleotide sequences. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 1981; 78(1):454–8. DOI: 10.1073/pnas.78.1.454.

21. Lewis P.O. A likelihood approach to estimating phylogeny from discrete morphological character data. Syst. Biol. 2001; 50(6):913–25. DOI: 10.1080/106351501753462876.

22. Camacho C., Coulouris G., Avagyan V., Ma N., Papadopoulos J., Bealer K., Madden T.L. BLAST+: Architecture and applications. BMC Bioinformatics. 2009; 10:421. DOI: 10.1186/1471-2105-10-421.

23. Seemann T. Prokka: rapid prokaryotic genome annotation. Bioinformatics. 2014; 30(14):2068–9. DOI: 10.1093/bioinformatics/btu153.

24. pyGenomeViz: A genome visualization python package for comparative genomics. [Электронный ресурс]. URL: https://github.com/moshi4/pyGenomeViz (дата обращения 07.08.2023).

25. 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.

26. 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):E7730-E7739. DOI: 10.1073/pnas.1608732113.