Изучение устойчивости нетоксигенных штаммов Vibrio cholerae О1 биовара Эль Тор, с разной структурой антифаговых систем, к литическому действию холерного диагностического бактериофага эльтор

Цель работы – изучить присутствие антифаговых систем в геноме нетоксигенных штаммов Vibrio cholerae О1 биовара Эль Тор и определить устойчивость штаммов с разной структурой данных систем к холерному диагностическому бактериофагу эльтор. Материалы и методы. В работе использовали 126 нетоксигенных (ctxА^– tcpА⁺ и ctxА^– tcpА^– ) штаммов V. cholerae О1 Эль Тор, выделенных на территории Российской Федерации и сопредельных стран из внешней среды и от больных острыми кишечными инфекциями с 1972 по 2018 г. Секвенирование проводили на платформе MGI DNBSEQ-G50. Для биоинформационного анализа использовали программы fastp v0.23, unicycler v0.4.7, Blast 2.16.0 и MEGA X. Взаимодействие холерного диагностического бактериофага эльтор с поверхностью бактерий исследовали методом атомно-силовой микроскопии. Результаты и обсуждение. В геноме изученных штаммов не выявлены фагоиндуцируемые острова PLE и BREX-системы. В то же время 75 % ctxА^– tcpА⁺ штаммов содержат гены рестрикции-модификации I типа, у ctxА^– tcpА^– штаммов данные гены не обнаружены. Гены CBASS-системы присутствуют у единичных штаммов обеих групп. Установлено наличие системы CRISPR-Cas I типа в геноме 36 (33 %) ctxА^– tcpА^– штаммов, выделенных в разных регионах нашей страны. При этом 78 % штаммов, содержащих данную систему, резистентны к холерному диагностическому бактериофагу эльтор. Таким образом, установлена гетерогенность изученных нетоксигенных штаммов V. cholerae О1 Эль Тор по наличию антифаговых систем, что расширяет сведения об их генетической организации. Нетоксигенные ctxAB^– tcpA^– штаммы V. cholerae О1 Эль Тор более устойчивы к литическому действию холерного диагностического бактериофага эльтор, чем ctxAB^– tcpA⁺. Одной из причин их резистентности может быть присутствие системы CRISPR-Cas I типа.

1. 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:e104726. DOI: 10.1016/j. meegid.2021.104726.

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

3. Кругликов В.Д., Левченко Д.А., Титова С.В., Москвитина Э.А., Архангельская И.В., Гаевская Н.Е., Ежова М.И. Холерные вибрионы в водоёмах Российской Федерации. Гигиена и санитария. 2019; 98(4):393–9. DOI: 10.18821/0016-9900-2019-98-4-393-399.

4. Левченко Д.А., Кругликов В.Д., Гаевская Н.Е., Водопьянов А.С., Непомнящая Н.Б. Фенои генотипические особенности нетоксигенных штаммов холерных вибрионов различного происхождения, изолированных на территории России. Проблемы особо опасных инфекций. 2020; (3):89–96. DOI: 10.21055/0370-1069-2020-3-89-96.

5. 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.

6. Монахова Е.В., Носков А.К., Кругликов В.Д., Водопьянов А.С., Селянская Н.А., Меньшикова Е.А., Ежова М.И., Непомнящая Н.Б., Швиденко И.Г., Подойницына О.А., Писанов Р.В. Генотипическая характеристика клональных комплексов CTX–VPI+ Vibrio cholerae О1, обнаруживаемых в водоемах Ростовской области. Проблемы особо опасных инфекций. 2023; (3):99–107. DOI: 10.21055/0370-1069-2023-3-99-107.

7. Попова А.Ю., Носков А.К., Ежлова Е.Б., Кругликов В.Д., Монахова Е.В., Чемисова О.С., Лопатин А.А., Иванова С.М., Подойницына О.А., Водопьянов А.С., Левченко Д.А., Савина И.В. Эпидемиологическая ситуация по холере в Российской Федерации в 2023 г. и прогноз на 2024 г. Проблемы особо опасных инфекций. 2024; (1):76–88. DOI: 10.21055/0370-1069-2024-1-76-88.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

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. 2021; 13(1):e0308821. DOI: 10.1128/mbio.03088-21.

12. Tumban E., editor. Bacteriophages. Methods and Protocols. New York: Humana Press; 2024. 429 p.

13. Labrie S.J., Samson J.E., Moineau S. Bacteriophage resistance mechanisms. Nat. Rev. Microbiol. 2010; 8(5):317–27. DOI: 10.1038/nrmicro2315.

14. 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.

15. McDonald N.D., Regmi A., Morreale D.P., Borowski J.D., Boyd E.F. CRISPR-Cas systems are present predominantly on mobile genetic elements in Vibrio species. BMC Genomics. 2019; 20(1):105. DOI: 10.1186/s12864-019-5439-1.

16. 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.

17. Заднова С.П., Плеханов Н.А., Спирина А.Ю., Швиденко И.Г., Савельев В.Н. Выявление фагоиндуцируемых мобильных генетических элементов в штаммах Vibrio cholerae О1 биовара Эль Тор. Проблемы особо опасных инфекций. 2023; (2):112–9. DOI: 10.21055/0370-1069-2023-2-112-119.

18. Заднова С.П., Плеханов Н.А., Спирина А.Ю., Челдышова Н.Б. Анализ антифаговых систем в штаммах Vibrio cholerae O1 биовара Эль Тор. Здоровье населения и среда обитания. 2023; 31(11):94–100. DOI: 10.35627/2219-5238/2023-31-11-94-100.

19. 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.

20. 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. Nucleic Acids Res. 2020; 48(1):249–63. DOI: 10.1093/nar/gkz1005.

21. Wozniak R.A.F., Fouts D.E., Spagnoletti M., Colombo M.M., Ceccarelli D., Garriss G., Déry C., Burrus V., Waldor M.K. Comparative ICE genomics: insights into the evolution of the SXT/R391 family of ICEs. PLoS Genet. 2009; 5(12):e1000786. DOI: 10.1371/journal.pgen.1000786.

22. LeGault K.N., Hays S.G., Angermeyer A., McKitterick A.C., Johura F.T., Sultana M., Ahmed T., Alam M., Seed K.D. Temporal shifts in antibiotic resistance elements govern phage-pathogen conflicts. Science. 2021; 373(6554):eabg2166. DOI: 10.1126/science.abg2166.

23. Brenzinger S., Airoldi M., Ogunleye A.J., Jugovic K., Amstalden M.K., Brochado A.R. The Vibrio cholerae CBASS phage defence system modulates resistance and killing by antifolate antibiotics. Nat. Microbiol. 2024; 9(1):251–62. DOI: 10.1038/s41564-023-01556-y.

24. Уткин Д.В., Ерохин П.С., Осина Н.А., Коннов Н.П. Оценка фаголизабельности штаммов холерных вибрионов с использованием атомно-силовой микроскопии. Известия Саратовского университета. Новая сер. Сер. Химия. Биология. Экология. 2013; 13(3):81–4.

25. Chun J., Grim C.J., Hasan N.A., Lee J.H., Choi S.Y., Haley B.J., Taviani E., Jeon Y.S., Kim D.W., Lee J.H., Brettin T.S., Bruce D.C., Challacombe J.F., Detter J.C., Han C.S., Munk A.C., Chertkov O., Meincke L., Saunders E., Walters R.A., Huq A., Nairh G.B., Colwell R.R. Comparative genomics reveals mechanism for shortterm and long-term clonal transitions in pandemic Vibrio cholerae. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2009; 106(36):15442–7. DOI: 10.1073/pnas.0907787106.

26. Смирнова Н.И., Кульшань Т.А., Челдышова Н.Б., Осин А.В. Структурные и функциональные изменения генома возбудителя холеры в водной среде. Эпидемиология и инфекционные болезни. 2007; (5):22–8.

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

28. Крицкий А.А., Смирнова Н.И., Каляева Т.Б., Оброткина Н.Ф., Грачева И.В., Катышев А.Д., Кутырев В.В. Сравнительный анализ молекулярно-генетических свойств нетоксигенных штаммов Vibrio cholerae О1 биовара Эль Тор, изолированных в России и на эндемичных по холере территориях. Проблемы особо опасных инфекций. 2021; (3):72–82. DOI: 10.21055/0370-1069-2021-3-72-82.

29. 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.