Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2020; 97: 587-593
Совершенствование методики SNP-типирования штаммов Vibrio cholerae на основе анализа первичных данных полногеномного секвенирования
https://doi.org/10.36233/0372-9311-2020-97-6-9Аннотация
Цель работы — совершенствование метода оценки качества единичных нуклеотидных замен, используемых для SNP-типирования, на основе анализа их распределения в первичных данных полногеномного секвенирования (ридах).
Материалы и методы. В работе использованы данные полногеномного секвенирования 56 штаммов Vibrio cholerae, полученные на секвенаторах разных типов. Программное обеспечение разрабатывали на языке программирования Java. Кластерный анализ и построение дендрограммы проведены с использованием авторского программного обеспечения по методу UPGMA.
Результаты и обсуждение. Показана «нестабильность» определения ряда SNP в геноме возбудителя холеры. Разработан метод подбора перечня SNP для филогенетического анализа на основе обработки первичных данных полногеномного секвенирования (ридов). Предложена методика использования «контрольных геномов» при проведении кластерного анализа данных полногеномного секвенирования.
Заключение. Составлен перечень из 3198 «стабильных SNP» для проведения филогенетического анализа. Показана генетическая близость нетоксигенных штаммов, содержащих ген tcpA (ctxAB–tcpA+), и preCTX-штаммов V. cholerae.
Список литературы
1. Водопьянов А.С., Водопьянов С.О., Олейников И.П., Мишанькин Б.Н. INDEL-типирование штаммов Vibrio cholerae. Эпидемиология и инфекционные болезни. 2017; 22(4): 195-200. http://doi.org/10.18821/1560-9529-2017-22-4-195-200
2. Kuleshov K.V., Vodop'ianov S.O., Dedkov V.G., Markelov M.L., Deviatkin A.A., Kruglikov V.D., et al. Travel-associated Vibrio cholerae O1 El Tor, Russia. Emerg. Infect. Dis. 2016; (11): 2006-8. https://dx.doi.org/10.3201/eid2211.151727.
3. Gardner S.N., Slezak T., Hall B.G. kSNP3.0: SNP detection and phylogenetic analysis of genomes without genome alignment or reference genomes. Bioinformatics. 2015; 31: 2877-8. https://dx.doi.org/10.1093/bioinformatics/btv271.
4. Irenge L.M., Ambroise J., Mitangala P.N., Bearzatto B., Kabangwa R.K.S., Durant J.F., Gala J.L. Genomic analysis of pathogenic isolates of Vibrio cholerae from eastern Democratic Republic of the Congo (2014–2017). PLoS Negl. Trop. Dis. 2020; 14(4): e0007642. https://dx.doi.org/10.1371/journal.pntd.0007642.
5. Миронова Л.В., Балахонов С.В. Полногеномный анализ однонуклеотидных полиморфизмов в изучении молекулярной эпидемиологии холеры и эволюционной истории возбудителя. Эпидемиология и вакцинопрофилактика. 2014; 4(77):10-8.
6. Tamura K., Peterson D., Peterson N., Stecher G., Nei M., Kumar S. MEGA5: Molecular Evolutionary Genetics Analysis using maximum likelihood, evolutionary distance, and maximum parsimony methods. Mol. Biol. Evol. 2011; 28: 2731-9. https://dx.doi.org/10.1093/molbev/msr121.
7. Водопьянов А.С., Писанов Р.В., Водопьянов С.О., Мишанькин Б.Н., Олейников И.П., Кругликов В.Д., Титова С.В. Молекулярная эпидемиология Vibrio cholerae — разработка алгоритма анализа данных полногеномного секвенирования. Эпидемиология и инфекционные болезни. 2016; 21(3): 146-52.
8. García D.F., Astudillo M. MIRU-VNTR genotyping of Mycobacterium tuberculosis in a population of patients in Cali, Colombia, 2013–2015. Biomedica. 2019; 39(s1): 71-85. https://dx.doi.org/10.7705/biomedica.v39i2.3924.
9. Shastri A.A., Ahuja K., Ratnaparkhe M.B., Shah A., Gagrani A., Lal A. Vector quantized spectral clustering applied to whole genome sequences of plants. Evol. Bioinform. Online. 2019; 15: 1176934319836997. https://dx.doi.org/10.1177/1176934319836997.
10. Singh R.B., Mahenderakar M.D., Jugran A.K., Singh R.K., Srivastava R.K. Assessing genetic diversity and population structure of sugarcane cultivars, progenitor species and genera using microsatellite (SSR) markers. Gene. 2020;753: 144800. https://dx.doi.org/10.1016/j.gene.2020.144800.
11. Subramanian S., Ramasamy U., Chen D. VCF2PopTree: a client-side software to construct population phylogeny from genome-wide SNPs. PeerJ. 2019; 7 :e8213. https://dx.doi.org/10.7717/peerj.8213.
12. Chatterjee S., Rudra S.K., Azmi S.A., Bandyopadhyay R. Phylogenetic study based on 28S rRNA gene sequencing of Wuchereria bancrofti isolated from the filaria endemic areas of Bankura district, West Bengal, India. J. Parasit. Dis. 2017; 41(4): 981-6. https://dx.doi.org/10.1007/s12639-017-0922-6.
13. Yokoyama E., Hirai S., Ishige T., Murakami S. Application of whole genome sequence data in analyzing the molecular epidemiology of Shiga toxin-producing Escherichia coli O157:H7/H. Int. J. Food Microbiol. 2018; 264: 39-45. https://dx.doi.org/10.1016/j.ijfoodmicro.2017.10.019.
14. Монахова Е.В., Миронова А.В., Алексеева Л.П., Мазрухо А.Б. Вирулентность холерных вибрионов, содержащих pre-CTXφ: генотипическая и фенотипическая характеристика. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2008; (4): 27-32.
15. 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.
16. Okada K., Roobthaisong A., Swaddiwudhipong W., Hamada S., Chantaroj S. Vibrio cholerae O1 isolate with novel genetic background, Thailand–Myanmar. Emerg. Infect. Dis. 2013; 19(6): 1015-7. https://dx.doi.org/10.3201/eid1906.120345
17. Онищенко Г.Г., Ломов Ю.М., Москвитина Э.А., Подосинникова Л.С., Водяницкая С.Ю., Прометной В.И. и др. Холера, обусловленная Vibrio cholerae О1 ctxAB– tcpA+. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2007; (1): 23-9.
18. Онищенко Г.Г., Водопьянов С.О., Ломов Ю.М., Мишанькин Б.Н., Сучков И.Ю., Черепахина И.Я. и др. Холерные вибрионы серогрупп неО1, выделенные в Узбекистане в 1987–1990 гг.: ретроспективный VNTR-анализ. Эпидемиология и инфекционные болезни. 2003; (6): 25-9.
Journal of microbiology, epidemiology and immunobiology. 2020; 97: 587-593
Improvement of the technique of SNP-typing of Vibrio cholerae strains on the basis of the analysis of the primary data of whole genome sequencing
https://doi.org/10.36233/0372-9311-2020-97-6-9Abstract
Aim. To improve the method of the quality assessment of single nucleotide polymorphisms, which are used for SNP-typing, based on the analysis of their distribution in the primary data of whole genome sequencing (reads).
Materials and methods. Data of the whole genome sequencing of 56 Vibrio cholerae strains obtained using different types of sequencers were used. The software was developed using Java programming language. Cluster analysis and construction of the dendrogram were performed with the author's software using the UPGMA method.
Results and discussion. The «instability» of detection the number of SNP in the genome of cholera causative agent was shown. The method of selection of the SNP list for phylogenetic analysis based on the analysis of the primary data of whole genome sequencing (reads), has been developed. The method of using «control genomes» for cluster analysis of whole genome sequencing data has been proposed.
Conclusion. The list of 3198 «stable SNP» for phylogenetic analysis has been composed. Genetic affinity between the non-toxigenic strains that contain the tcpA gene (ctxAB–tcpA+) and preCTX-strains of V. cholerae was shown.
References
1. Vodop'yanov A.S., Vodop'yanov S.O., Oleinikov I.P., Mishan'kin B.N. INDEL-tipirovanie shtammov Vibrio cholerae. Epidemiologiya i infektsionnye bolezni. 2017; 22(4): 195-200. http://doi.org/10.18821/1560-9529-2017-22-4-195-200
2. Kuleshov K.V., Vodop'ianov S.O., Dedkov V.G., Markelov M.L., Deviatkin A.A., Kruglikov V.D., et al. Travel-associated Vibrio cholerae O1 El Tor, Russia. Emerg. Infect. Dis. 2016; (11): 2006-8. https://dx.doi.org/10.3201/eid2211.151727.
3. Gardner S.N., Slezak T., Hall B.G. kSNP3.0: SNP detection and phylogenetic analysis of genomes without genome alignment or reference genomes. Bioinformatics. 2015; 31: 2877-8. https://dx.doi.org/10.1093/bioinformatics/btv271.
4. Irenge L.M., Ambroise J., Mitangala P.N., Bearzatto B., Kabangwa R.K.S., Durant J.F., Gala J.L. Genomic analysis of pathogenic isolates of Vibrio cholerae from eastern Democratic Republic of the Congo (2014–2017). PLoS Negl. Trop. Dis. 2020; 14(4): e0007642. https://dx.doi.org/10.1371/journal.pntd.0007642.
5. Mironova L.V., Balakhonov S.V. Polnogenomnyi analiz odnonukleotidnykh polimorfizmov v izuchenii molekulyarnoi epidemiologii kholery i evolyutsionnoi istorii vozbuditelya. Epidemiologiya i vaktsinoprofilaktika. 2014; 4(77):10-8.
6. Tamura K., Peterson D., Peterson N., Stecher G., Nei M., Kumar S. MEGA5: Molecular Evolutionary Genetics Analysis using maximum likelihood, evolutionary distance, and maximum parsimony methods. Mol. Biol. Evol. 2011; 28: 2731-9. https://dx.doi.org/10.1093/molbev/msr121.
7. Vodop'yanov A.S., Pisanov R.V., Vodop'yanov S.O., Mishan'kin B.N., Oleinikov I.P., Kruglikov V.D., Titova S.V. Molekulyarnaya epidemiologiya Vibrio cholerae — razrabotka algoritma analiza dannykh polnogenomnogo sekvenirovaniya. Epidemiologiya i infektsionnye bolezni. 2016; 21(3): 146-52.
8. García D.F., Astudillo M. MIRU-VNTR genotyping of Mycobacterium tuberculosis in a population of patients in Cali, Colombia, 2013–2015. Biomedica. 2019; 39(s1): 71-85. https://dx.doi.org/10.7705/biomedica.v39i2.3924.
9. Shastri A.A., Ahuja K., Ratnaparkhe M.B., Shah A., Gagrani A., Lal A. Vector quantized spectral clustering applied to whole genome sequences of plants. Evol. Bioinform. Online. 2019; 15: 1176934319836997. https://dx.doi.org/10.1177/1176934319836997.
10. Singh R.B., Mahenderakar M.D., Jugran A.K., Singh R.K., Srivastava R.K. Assessing genetic diversity and population structure of sugarcane cultivars, progenitor species and genera using microsatellite (SSR) markers. Gene. 2020;753: 144800. https://dx.doi.org/10.1016/j.gene.2020.144800.
11. Subramanian S., Ramasamy U., Chen D. VCF2PopTree: a client-side software to construct population phylogeny from genome-wide SNPs. PeerJ. 2019; 7 :e8213. https://dx.doi.org/10.7717/peerj.8213.
12. Chatterjee S., Rudra S.K., Azmi S.A., Bandyopadhyay R. Phylogenetic study based on 28S rRNA gene sequencing of Wuchereria bancrofti isolated from the filaria endemic areas of Bankura district, West Bengal, India. J. Parasit. Dis. 2017; 41(4): 981-6. https://dx.doi.org/10.1007/s12639-017-0922-6.
13. Yokoyama E., Hirai S., Ishige T., Murakami S. Application of whole genome sequence data in analyzing the molecular epidemiology of Shiga toxin-producing Escherichia coli O157:H7/H. Int. J. Food Microbiol. 2018; 264: 39-45. https://dx.doi.org/10.1016/j.ijfoodmicro.2017.10.019.
14. Monakhova E.V., Mironova A.V., Alekseeva L.P., Mazrukho A.B. Virulentnost' kholernykh vibrionov, soderzhashchikh pre-CTXφ: genotipicheskaya i fenotipicheskaya kharakteristika. Zhurnal mikrobiologii, epidemiologii i immunobiologii. 2008; (4): 27-32.
15. Smirnova N.I., Kul'shan' T.A., Baranikhina E.Yu., Krasnov Ya.M., Agafonov D.A., Kutyrev V.V. Struktura genoma i proiskhozhdenie netoksigennykh shtammov Vibrio cholerae biovara El' Tor s razlichnoi epidemiologicheskoi znachimost'yu. Genetika. 2016; 52(9): 1029-41.
16. Okada K., Roobthaisong A., Swaddiwudhipong W., Hamada S., Chantaroj S. Vibrio cholerae O1 isolate with novel genetic background, Thailand–Myanmar. Emerg. Infect. Dis. 2013; 19(6): 1015-7. https://dx.doi.org/10.3201/eid1906.120345
17. Onishchenko G.G., Lomov Yu.M., Moskvitina E.A., Podosinnikova L.S., Vodyanitskaya S.Yu., Prometnoi V.I. i dr. Kholera, obuslovlennaya Vibrio cholerae O1 ctxAB– tcpA+. Zhurnal mikrobiologii, epidemiologii i immunobiologii. 2007; (1): 23-9.
18. Onishchenko G.G., Vodop'yanov S.O., Lomov Yu.M., Mishan'kin B.N., Suchkov I.Yu., Cherepakhina I.Ya. i dr. Kholernye vibriony serogrupp neO1, vydelennye v Uzbekistane v 1987–1990 gg.: retrospektivnyi VNTR-analiz. Epidemiologiya i infektsionnye bolezni. 2003; (6): 25-9.
