Молекулярно-генетическая характеристика штаммов Yersinia pestis из Волго-Уральского песчаного очага чумы

Цель работы – определение филогенетического разнообразия субпопуляций штаммов Yersinia pestis из ВолгоУральского песчаного природного очага чумы (ВУППО) за периоды эпизоотической и эпидемической активности с 1912 по 2002 г. и определение их географического распространения.
Материалы и методы. В работе исследовано 103 штамма, выделенных на территории ВУППО с 1912 по 2002 г. Высокопроизводительное секвенирование проводили на платформе MGI (секвенатор DNBSEQ-G50RS, Китай) с использованием наборов реактивов MGIEasy Fast FS Library Prep Set и MGIEasy UDB Primers Adapter Kit A. Для обработки данных и сборки необработанных коротких прочтений генома de novo использовали Unicycler v0.4.9, FastQC v0.11.9. Анализ VNTR-локусов осуществляли с помощью программы TandemReapeatFinder, для иерархической кластеризации использовался метод агломеративной кластеризации (AgglomerativeClustering, бибилиотека scikit-learn v1.7.0). SNP-типирование осуществляли с помощью программы Snippy v4.6.0. Построение филогенетического дерева выполняли методом Maximum Likelihood с применением программы PhyML 3.1 с 500 бутстреп-репликами.
Результаты и обсуждение. По данным полногеномного SNP-анализа и филогенетической реконструкции популяционной структуры выявлены основные распространенные в ВУППО субпопуляции, установлены SNP-генотипы штаммов Y. pestis, определены их маркерные SNPs. На основании полученных данных предположено, что причиной вспышки в 1945 г. на территории ВУППО в Казахстане могли быть штаммы Y. pestis, относящиеся к SNP-генотипу Pricasp 2. По данным анализа локусов VNTR выявлены 57 MLVA25-генотипов, определены наиболее вариабельные локусы (ms46 и ms62) для штаммов возбудителя чумы с территорий ВУППО. Результаты SNP- и MLVA25-типирования штаммов, выделенных в ВУППО с 1912 по 2002 г., указывают на активное изменение внутриочаговых зон циркуляции штаммов Y. pestis, а также на последовательную эволюцию штаммов средневекового биовара филогенетической ветви 2.MED1 возбудителя чумы в этом очаге.

1. Кутырев В.В., Попова А.Ю., редакторы. Кадастр эпидемических и эпизоотических проявлений чумы на территории Российской Федерации и ближнего зарубежья (с 1876 по 2016 год). Саратов: Амирит; 2016. 248 с.

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

3. Попов Н.В., Безсмертный В.Е., Матросов А.Н., Князева Т.В., Кузнецов А.А., Федоров Ю.М., Попов В.П., Вержуцкий Д.Б., Корзун В.М., Косилко С.А., Чипанин Е.В., Дубянский В.М., Малецкая О.В., Григорьев М.П., Зенкевич Е.С., Топорков В.П., Балахонов С.В., Куличенко А.Н., Кутырев В.В. Эпизоотическая активность природных очагов чумы Российской Федерации в 2015 г. и прогноз на 2016 г. Проблемы особо опасных инфекций. 2016; (1):13–9. DOI: 10.21055/0370-1069-2016-1-13-19.

4. Попов Н.В., Карнаухов И.Г., Кузнецов А.А., Матросов А.Н., Иванова А.В., Марцоха К.С., Магеррамов Ш.В., Поспелов М.В., Корзун В.М., Вержуцкий Д.Б., Чипанин Е.В., Холин А.В., Лопатин А.А., Дубянский В.М., Ашибоков У.М., Газиева А.Ю., Кутырев И.В., Аязбаев Т.З., Бамматов Д.М., Балахонов С.В., Куличенко А.Н., Кутырев В.В. Эпидемиологическая обстановка по чуме в мире и прогноз ее развития на 2025 г. в Российской Федерации. Проблемы особо опасных инфекций. 2025; (1):74–83. DOI: 10.21055/0370-1069-2025-1-74-83.

5. Achtman M., Morelli G., Zhu P., Wirth T., Diehl I., Kusecek B., Vogler A.J., Wagner D.M., Allender C.J., Easterday W.R., Chenal-Francisque V., Worsham P., Thomson N.R., Parkhill J., Lindler L.E., Carniel E., Keim P. Microevolution and history of the plague bacillus, Yersinia pestis. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2004; 101(51):17837–42. DOI: 10.1073/pnas.0408026101.

6. Cui Y., Yu C., Yan Y., Li D., Li Y., Jombart T., Weinert L.A., Wang Z., Guo Z., Xu L., Zhang Y., Zheng H., Qin N., Xiao X., Wu M., Wang X., Zhou D., Qi Z., Du Z., Wu H., Yang X., Cao H., Wang H., Wang J., Yao S., Rakin A., Li Y., Falush D., Balloux F., Achtman M., Song Y., Wang J., Yang R. Historical variations in mutation rate in an epidemic pathogen, Yersinia pestis. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2013; 110(2):577–82. DOI: 10.1073/pnas.1205750110.

7. Балыкова А.Н., Куклева Л.М., Горюнова П.А., Шевченко К.С., Коврижников А.В., Краснов Я.М., Червякова Н.С., Ерошенко Г.А., Кутырев В.В. SNP-профили штаммов Yersinia pestis средневекового биовара из очагов чумы Прикаспия. Проблемы особо опасных инфекций. 2022; (4):41–9. DOI: 10.21055/0370-1069-2022-4-41-49.

8. Коврижников А.В., Балыкова А.Н., Куклева Л.М., Нарышкина Е.А., Федоров А.В., Червякова Н.С., Ерошенко Г.А., Кутырев В.В. Молекулярно-генетический анализ штаммов Yersinia pestis, выделенных в различные эпизоотические периоды на территории Урало-Эмбенского пустынного природного очага чумы в ХХ веке. Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Химия. Биология. Экология. 2023; 23(4):437–46. DOI: 10.18500/1816-9775-2023-23-4-437-446.

9. Онищенко Г.Г., Кутырев В.В., редакторы. Лабораторная диагностика опасных инфекционных болезней. Практическое руководство. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Шико; 2013. 560 с.

10. Wick R.R., Judd L.M., Gorrie C.L., Holt K.E. Unicycler: resolving bacterial genome assemblies from short and long sequencing reads. PLoS Comput. Biol. 2017; 23(4):e1005595. DOI: 10.1371/journal.pcbi.1005595.

11. 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.

12. Virtanen P., Gommers R., Oliphant T.E., Haberland M., Reddy T., Cournapeau D., Burovski E., Peterson P., Weckesser W., Bright J., van der Walt S.J., Brett M., Wilson J., Millman K.J., Mayorov N., Nelson A.R.J., Jones E., Kern R., Larson E., Carey C.J., Polat İ., Feng Y., Moore E.W., VanderPlas J., Laxalde D., Perktold J., Cimrman R., Henriksen I., Quintero E.A., Harris C.R., Archibald A.M., Ribeiro A.H., Pedregosa F., van Mulbregt P.; SciPy 1.0 Contributors. SciPy 1.0: fundamental algorithms for scientific computing in Python. Nat. Methods. 2020; 17(3):261–72. DOI: 10.1038/s41592-019-0686-2.

13. Akiba T., Sano S., Yanase T., Ohta T., Koyama M. Optuna: a next-generation hyperparameter optimization framework. In: KDD’19: Proceedings of the 25th ACM SIGKDD International Conference on Knowledge Discovery and Data Mining. New York; 2019. P. 2623–31. DOI: 10.1145/3292500.3330701.

14. Rousseeuw P.J. Silhouettes: A graphical aid to the interpretation and validation of cluster analysis. J. Comput. Appl. Math. 1987; 20:53–65. DOI: 10.1016/0377-0427(87)90125-7.

15. Posada D., editor. Bioinformatics for DNA Sequence Analysis. Totowa, N.J.: Humana Press; 2009. 354 p. DOI: 10.1007/978-1-59745-251-9.

16. Waskom M.L. Seaborn: statistical data visualization. J. Open Source Softw. 2021; 6(60):3021. DOI: 10.21105/joss.03021.