Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2021; 98: 46-58
Генетическое типирование штаммов Vibrio cholerae биовара El Tor, выделенных на территории Кавказа в период 1970–1998 гг., с применением MLVA-5 и wgSNP
https://doi.org/10.36233/0372-9311-29Аннотация
Цель. Филогенетический анализ штаммов Vibrio cholerae O1 биовара El Tor, выделенных в разные годы на территории Кавказа, с использованием мультилокусного анализа числа вариабельных тандемных повторов (MLVA) и полногеномного анализа распределения единичных нуклеотидных полиморфизмов (wgSNP).
Материалы и методы. Объектами исследования служили геномные последовательности 16 клинических штаммов V. cholerae O1 биовара El Tor из коллекции Ставропольского противочумного института, выделенных на территории Кавказа с 1970 по 1998 г., а также 87 полногеномных последовательностей V. cholerae из базы данных NCBI. MLVA проводили по 5 VNTR-локусам. Полногеномное секвенирование осуществляли на платформе «Ion Torrent PGM».
Результаты. Исследуемые штаммы относятся к 15 MLVA-типам и делятся на 3 группы в составе одного кластера. Осуществлен анализ структуры основных островов вирулентности и патогенности, а также нуклеотидных полиморфизмов в генах ctxB, tcpA и RstR. Проведен филогенетический анализ штаммов на основе wgSNP-типирования, описаны SNP, специфичные для каждой филогенетической группы.
Заключение. Установлено поликлональное происхождение генетически измененных вариантов V. cholerae O1 биовара El Tor. Определено место штаммов V. cholerae биовара El Tor, выделенных с 1970 по 1998 г. на территории Кавказа, в глобальной популяции возбудителя. Показано, что в указанный период на территории Кавказа циркулировали штаммы, принадлежащие к 1-й и 2-й волнам 7-й пандемии холеры. Подтверждено, что случаи холеры на Кавказе являются завозными с территории эндемичных стран, определены наиболее вероятные источники инфекции.
Список литературы
1. ВОЗ. Международные медико-санитарные правила (2005 г.). Available at: https://www.who.int/ihr/IHR_2005_ru.pdf
2. Ramamurthy T., Mutreja A., Weill F.X., Das B., Ghosh A., Nair G.B. Revisiting the global epidemiology of cholera in conjuction with the genomics of Vibrio cholerae. Front. Public Health. 2019; 7: 203. https://doi.org/10.3389/fpubh.2019.00203
3. Greig D.R., Schaefer U., Octavia S., Hunter E., Chattaway M.A., Dallman T.J., et al. Evaluation of whole-genome sequencing for identification and typing of Vibrio cholerae. J. Clin. Microbiol. 2018; 56(11): e00831–18. https://doi.org/10.1128/JCM.00831-18
4. Москвитина Э.А., Тюленева Е.Г., Кругликов В.Д., Титова С.В., Водопьянов А.С., Куриленко М.Л. и др. Холера: оценка эпидемиологической обстановки в мире и России в 2008–2017 гг. Прогноз на 2018 г. Проблемы особо опасных инфекций. 2018; (1): 36–43. https://doi.org/10.21055/0370-1069-2018-1-36-43
5. Харченко Г.А., Кимирилова О.Г., Буркин В.С. Эпидемиология и клиника холеры 1970 года в Астраханской области. Детские инфекции. 2019; 18(1): 51–5. https://doi.org/10.22627/2072-8107-2019-18-1-51-55
6. Онищенко Г.Г., Москвитина Э.А., Водопьянов А.С., Монахова Е.В., Писанов Р.В., Водопьянов С.О. и др. Ретроспективный молекулярно-эпидемиологический анализ эпидемии холеры в Республике Дагестан в 1994 г. Проблемы особо опасных инфекций. 2016; (4): 33–41. https://doi.org/10.21055/0370-1069-2016-4-33-41
7. Челдышова Н.Б., Крицкий А.А., Лозовский Ю.В., Гусева Н.П. Сравнительный MLVA-анализ штаммов Vibrio cholerae классического биовара, выделенных в России и за рубежом. Проблемы особо опасных инфекций. 2016; (4): 88–92. https://doi.org/10.21055/0370-1069-2016-4-88-92
8. George C.M., Rashid M., Almeida M., Saif-Ur-Rahman K.M., Monira S., Bhuyian M.S.I., et al. Genetic relatedness of Vibrio cholerae isolates within and between households during outbreaks in Dhaka, Bangladesh. BMC Genomics. 2017; 18(1): 903. https://doi.org/10.1186/s12864-017-4254-9
9. Kachwamba Y., Mohammed A.A., Lukupulo H., Urio L., Majigo M., Mosha F., et al. Genetic characterization of Vibrio cholerae O1 isolates from outbreaks between 2011 and 2015 in Tanzania. BMC Infect. Dis. 2017; 17(1): 157. https://doi.org/10.1186/s12879-017-2252-9
10. Garrine M., Mandomando I., Vubil D., et al. Minimal genetic change in Vibrio cholerae in Mozambique over time: multilocus variable number tandem repeat analysis and whole genome sequencing. PLoS Negl. Trop. Dis. 2017; 11(6): e0005671. https://doi.org/10.1371/journal.pntd.0005671
11. 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. https://doi.org/10.18821/1560-9529-2017-22-4-195-200
12. Водопьянов А.С., Мазрухо А.Б., Водопьянов С.О., Мишанькин Б.Н., Кругликов В.Д., Архангельская И.В. и др. VNTR-генотипирование штаммов Vibrio cholerae, выделенных из объектов внешней среды на территории Российской Федерации в 2012 году. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2014; 91(2): 46–51.
13. Селянская Н.А., Архангельская И.В., Водопьянов А.С., Водопьянов С.О., Кругликов В.Д., Водяницкая С.Ю. и др. Типирование штаммов Vibrio cholerae не О1/не О139, изолированных в Ростовской области в 2014 году. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2016; 93(1): 3–9. https://doi.org/10.36233/0372-9311-2016-1-3-9
14. Водопьянов А.С., Водопьянов С.О., Олейников И.П., Мишанькин Б.Н., Кругликов В.Д., Архангельская И.В. и др. INDEL- и VNTR-типирование штаммов Vibrio cholerae, выделенных в 2013 году из объектов окружающей среды на территории Российской Федерации. Здоровье населения и среда обитания. 2015; (5): 41–4.
15. Van Boeckel T.P., Brower C., Gilbert M., Grenfell B.T., Levin S.A., Robinson T.P., et al. Global trends in antimicrobial use in food animals. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2015; 112(18): 5649–54. https://doi.org/10.1073/pnas.1503141112
16. Сизова Ю.В., Писанов Р.В., Водопьянов А.С., Черепахина И.Я., Бурлакова О.С. Фенотипический и генотипический анализ токсинопродукции типичных и атипичных штаммов холерных вибрионов в стрессовых условиях окружающей среды. Современные проблемы науки и образования. 2017; (3): 141.
17. Челдышова Н.Б., Смирнова Н.И., Заднова С.П., Краснов Я.М., Крицкий А.А., Буаро М.И. и др. Молекулярно-генетические свойства штаммов Vibrio cholerae биовара Эль Тор, циркулирующих на Африканском континенте. Молекулярная генетика, микробиология и вирусология. 2017; 35(1): 12–9. https://doi.org/10.18821/0208-0613-201735-1-12-1
18. Buroni S., Pollini S., Rossolini G.M., Perrin E. Editorial: evolution of genetic mechanisms of antibiotic resistance. Front. Genet. 2019; 10: 983. https://doi.org/10.3389/fgene.2019.00983
19. Andrews S. FastQC: a quality control tool for high throughput sequence data; 2010. Available at: http://www.bioinformatics.babraham.ac.uk/projects/fastqc
20. Bolger A.M., Lohse M., Usadel B. Trimmomatic: a flexible trimmer for Illumina sequence data. Bioinformatics. 2014; 30(15): 2114–20. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btu170
21. Gurevich A., Saveliev V., Vyahhi N., Tesler G. QUAST: quality assessment tool for genome assemblies. Bioinformatics. 2013; 29(8): 1072–5. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btt086
22. Bertels F., Silander O.K., Pachkov M., Rainey P.B., van Nimwegen E. Automated reconstruction of whole-genome phylogenies from short-sequence reads. Mol. Biol. Evol. 2014; 31(5): 1077–88. https://doi.org/10.1093/molbev/msu088
23. Dash H.R., Shrivastava P., Mohapatra B.K., Das S., eds. DNA Fingerprinting: Advancements and Future Endeavors. Singapore: Springer; 2018. https://doi.org/10.1007/978-98113-1583-1
24. Савельева И.В., Куличенко А.Н., Савельев В.Н., Ковалев Д.А., Васильева О.В., Жиров А.М. и др. MLVA-типирование клинических штаммов генетически измененных Vibrio cholerae biotype El tor, изолированных в России и Украине в период седьмой пандемии холеры. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2018; 95(6): 37–43. https://doi.org/10.36233/0372-9311-2018-6-37-43
25. Смирнова Н.И., Кульшань Т.А., Краснов Я.М. MLVA-типирование клинических штаммов Vibrio cholerae, изолированных в разные периоды текущей пандемии холеры. Молекулярная генетика, микробиология и вирусология. 2015; 33(1): 15–22.
26. Nguyen D.T., Ngo T.C., Le T.H., Nguyen H.T., Morita M., Arakawa E., et al. Molecular epidemiology of Vibrio cholerae O1 in Northern Vietnam (2007–2009), using multilocus variable-number tandem repeat analysis. J. Med. Microbiol. 2016; 65(9): 1007–12. https://doi.org/10.1099/jmm.0.000317
27. Bwire G., Sack D.A., Almeida M., Li S., Voeglein J.B., Debes A.K., et al. Molecular characterization of Vibrio cholerae responsible for cholera epidemics in Uganda by PCR, MLVA and WGS. PLoS Negl. Trop. Dis. 2018; 12(6): e0006492. https://doi.org/10.1371/journal.pntd.0006492
28. Mironova L.V., Gladkikh A.S., Ponomareva A.S., Feranchuk S.I., Bochalgin N.О., Basov E.A., et al. Comparative genomics of Vibrio cholerae El Tor strains isolated at epidemic complications in Siberia and at the Far East. Infect. Genet. Evol. 2018; 60: 80–8. https://doi.org/10.1016/j.meegid.2018.02.023
29. Hossain Z.Z., Leekitcharoenphon P., Dalsgaard A., Sultana R., Begum A., Jensen P.K.M., et al. Comparative genomics of Vibrio cholerae O1 isolated from cholera patients in Bangladesh. Lett. Appl. Microbiol. 2018; 67(4): 329–36. https://doi.org/10.1111/lam.13046
Journal of microbiology, epidemiology and immunobiology. 2021; 98: 46-58
Genetic typing of Vibrio cholerae strains biovar El Tor isolated from the Caucasus region during the 1970–1998 period using MLVA-5 and wgSNP
https://doi.org/10.36233/0372-9311-29Abstract
Materials and methods. We studied genomic sequences of 16 clinical V. cholerae O1 strains of El Tor biovar isolated on the territory of Caucasus from 1970 to 1998. These strains were obtained from the State Collection of Pathogenic Microorganisms of Stavropol Plague Control Research Institute. 87 whole genome sequences of V. cholerae strains, obtained from NCBI database, were also included in the analysis. MLVA-typing was carried out at 5 VNTR-loci. Whole genome sequencing was performed on Ion Torrent PGM platform.
Results. We determined that the studied strains belong to 15 MLVA-types and are divided in 3 groups of 1 cluster. We performed an analysis of the structure of the main virulence and pathogenicity islands, as well as nucleotide polymorphisms in ctxB, tcpA, RstR genes. We performed a wgSNP-based phylogenetic analysis of the strains, and described SNPs, specific for each phylogenetic group.
Conclusion. We confirmed the polyclonal origin of genetically modified variants of V. cholerae O1 biovar El Tor. We determined the place of V. cholerae strains of biovar El Tor, isolated from 1970 to 1998 on the territory of the Caucasus, in the global population of the pathogen. It is shown that during this period, strains belonging to the first and second waves of the seventh cholera pandemic circulated within the Caucasus. It was confirmed that cases of cholera in the Caucasus were imported from the territory of endemic countries, and the most probable sources of infection were identified.
References
1. VOZ. Mezhdunarodnye mediko-sanitarnye pravila (2005 g.). Available at: https://www.who.int/ihr/IHR_2005_ru.pdf
2. Ramamurthy T., Mutreja A., Weill F.X., Das B., Ghosh A., Nair G.B. Revisiting the global epidemiology of cholera in conjuction with the genomics of Vibrio cholerae. Front. Public Health. 2019; 7: 203. https://doi.org/10.3389/fpubh.2019.00203
3. Greig D.R., Schaefer U., Octavia S., Hunter E., Chattaway M.A., Dallman T.J., et al. Evaluation of whole-genome sequencing for identification and typing of Vibrio cholerae. J. Clin. Microbiol. 2018; 56(11): e00831–18. https://doi.org/10.1128/JCM.00831-18
4. Moskvitina E.A., Tyuleneva E.G., Kruglikov V.D., Titova S.V., Vodop'yanov A.S., Kurilenko M.L. i dr. Kholera: otsenka epidemiologicheskoi obstanovki v mire i Rossii v 2008–2017 gg. Prognoz na 2018 g. Problemy osobo opasnykh infektsii. 2018; (1): 36–43. https://doi.org/10.21055/0370-1069-2018-1-36-43
5. Kharchenko G.A., Kimirilova O.G., Burkin V.S. Epidemiologiya i klinika kholery 1970 goda v Astrakhanskoi oblasti. Detskie infektsii. 2019; 18(1): 51–5. https://doi.org/10.22627/2072-8107-2019-18-1-51-55
6. Onishchenko G.G., Moskvitina E.A., Vodop'yanov A.S., Monakhova E.V., Pisanov R.V., Vodop'yanov S.O. i dr. Retrospektivnyi molekulyarno-epidemiologicheskii analiz epidemii kholery v Respublike Dagestan v 1994 g. Problemy osobo opasnykh infektsii. 2016; (4): 33–41. https://doi.org/10.21055/0370-1069-2016-4-33-41
7. Cheldyshova N.B., Kritskii A.A., Lozovskii Yu.V., Guseva N.P. Sravnitel'nyi MLVA-analiz shtammov Vibrio cholerae klassicheskogo biovara, vydelennykh v Rossii i za rubezhom. Problemy osobo opasnykh infektsii. 2016; (4): 88–92. https://doi.org/10.21055/0370-1069-2016-4-88-92
8. George C.M., Rashid M., Almeida M., Saif-Ur-Rahman K.M., Monira S., Bhuyian M.S.I., et al. Genetic relatedness of Vibrio cholerae isolates within and between households during outbreaks in Dhaka, Bangladesh. BMC Genomics. 2017; 18(1): 903. https://doi.org/10.1186/s12864-017-4254-9
9. Kachwamba Y., Mohammed A.A., Lukupulo H., Urio L., Majigo M., Mosha F., et al. Genetic characterization of Vibrio cholerae O1 isolates from outbreaks between 2011 and 2015 in Tanzania. BMC Infect. Dis. 2017; 17(1): 157. https://doi.org/10.1186/s12879-017-2252-9
10. Garrine M., Mandomando I., Vubil D., et al. Minimal genetic change in Vibrio cholerae in Mozambique over time: multilocus variable number tandem repeat analysis and whole genome sequencing. PLoS Negl. Trop. Dis. 2017; 11(6): e0005671. https://doi.org/10.1371/journal.pntd.0005671
11. 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. https://doi.org/10.18821/1560-9529-2017-22-4-195-200
12. Vodop'yanov A.S., Mazrukho A.B., Vodop'yanov S.O., Mishan'kin B.N., Kruglikov V.D., Arkhangel'skaya I.V. i dr. VNTR-genotipirovanie shtammov Vibrio cholerae, vydelennykh iz ob\"ektov vneshnei sredy na territorii Rossiiskoi Federatsii v 2012 godu. Zhurnal mikrobiologii, epidemiologii i immunobiologii. 2014; 91(2): 46–51.
13. Selyanskaya N.A., Arkhangel'skaya I.V., Vodop'yanov A.S., Vodop'yanov S.O., Kruglikov V.D., Vodyanitskaya S.Yu. i dr. Tipirovanie shtammov Vibrio cholerae ne O1/ne O139, izolirovannykh v Rostovskoi oblasti v 2014 godu. Zhurnal mikrobiologii, epidemiologii i immunobiologii. 2016; 93(1): 3–9. https://doi.org/10.36233/0372-9311-2016-1-3-9
14. Vodop'yanov A.S., Vodop'yanov S.O., Oleinikov I.P., Mishan'kin B.N., Kruglikov V.D., Arkhangel'skaya I.V. i dr. INDEL- i VNTR-tipirovanie shtammov Vibrio cholerae, vydelennykh v 2013 godu iz ob\"ektov okruzhayushchei sredy na territorii Rossiiskoi Federatsii. Zdorov'e naseleniya i sreda obitaniya. 2015; (5): 41–4.
15. Van Boeckel T.P., Brower C., Gilbert M., Grenfell B.T., Levin S.A., Robinson T.P., et al. Global trends in antimicrobial use in food animals. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2015; 112(18): 5649–54. https://doi.org/10.1073/pnas.1503141112
16. Sizova Yu.V., Pisanov R.V., Vodop'yanov A.S., Cherepakhina I.Ya., Burlakova O.S. Fenotipicheskii i genotipicheskii analiz toksinoproduktsii tipichnykh i atipichnykh shtammov kholernykh vibrionov v stressovykh usloviyakh okruzhayushchei sredy. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya. 2017; (3): 141.
17. Cheldyshova N.B., Smirnova N.I., Zadnova S.P., Krasnov Ya.M., Kritskii A.A., Buaro M.I. i dr. Molekulyarno-geneticheskie svoistva shtammov Vibrio cholerae biovara El' Tor, tsirkuliruyushchikh na Afrikanskom kontinente. Molekulyarnaya genetika, mikrobiologiya i virusologiya. 2017; 35(1): 12–9. https://doi.org/10.18821/0208-0613-201735-1-12-1
18. Buroni S., Pollini S., Rossolini G.M., Perrin E. Editorial: evolution of genetic mechanisms of antibiotic resistance. Front. Genet. 2019; 10: 983. https://doi.org/10.3389/fgene.2019.00983
19. Andrews S. FastQC: a quality control tool for high throughput sequence data; 2010. Available at: http://www.bioinformatics.babraham.ac.uk/projects/fastqc
20. Bolger A.M., Lohse M., Usadel B. Trimmomatic: a flexible trimmer for Illumina sequence data. Bioinformatics. 2014; 30(15): 2114–20. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btu170
21. Gurevich A., Saveliev V., Vyahhi N., Tesler G. QUAST: quality assessment tool for genome assemblies. Bioinformatics. 2013; 29(8): 1072–5. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btt086
22. Bertels F., Silander O.K., Pachkov M., Rainey P.B., van Nimwegen E. Automated reconstruction of whole-genome phylogenies from short-sequence reads. Mol. Biol. Evol. 2014; 31(5): 1077–88. https://doi.org/10.1093/molbev/msu088
23. Dash H.R., Shrivastava P., Mohapatra B.K., Das S., eds. DNA Fingerprinting: Advancements and Future Endeavors. Singapore: Springer; 2018. https://doi.org/10.1007/978-98113-1583-1
24. Savel'eva I.V., Kulichenko A.N., Savel'ev V.N., Kovalev D.A., Vasil'eva O.V., Zhirov A.M. i dr. MLVA-tipirovanie klinicheskikh shtammov geneticheski izmenennykh Vibrio cholerae biotype El tor, izolirovannykh v Rossii i Ukraine v period sed'moi pandemii kholery. Zhurnal mikrobiologii, epidemiologii i immunobiologii. 2018; 95(6): 37–43. https://doi.org/10.36233/0372-9311-2018-6-37-43
25. Smirnova N.I., Kul'shan' T.A., Krasnov Ya.M. MLVA-tipirovanie klinicheskikh shtammov Vibrio cholerae, izolirovannykh v raznye periody tekushchei pandemii kholery. Molekulyarnaya genetika, mikrobiologiya i virusologiya. 2015; 33(1): 15–22.
26. Nguyen D.T., Ngo T.C., Le T.H., Nguyen H.T., Morita M., Arakawa E., et al. Molecular epidemiology of Vibrio cholerae O1 in Northern Vietnam (2007–2009), using multilocus variable-number tandem repeat analysis. J. Med. Microbiol. 2016; 65(9): 1007–12. https://doi.org/10.1099/jmm.0.000317
27. Bwire G., Sack D.A., Almeida M., Li S., Voeglein J.B., Debes A.K., et al. Molecular characterization of Vibrio cholerae responsible for cholera epidemics in Uganda by PCR, MLVA and WGS. PLoS Negl. Trop. Dis. 2018; 12(6): e0006492. https://doi.org/10.1371/journal.pntd.0006492
28. Mironova L.V., Gladkikh A.S., Ponomareva A.S., Feranchuk S.I., Bochalgin N.O., Basov E.A., et al. Comparative genomics of Vibrio cholerae El Tor strains isolated at epidemic complications in Siberia and at the Far East. Infect. Genet. Evol. 2018; 60: 80–8. https://doi.org/10.1016/j.meegid.2018.02.023
29. Hossain Z.Z., Leekitcharoenphon P., Dalsgaard A., Sultana R., Begum A., Jensen P.K.M., et al. Comparative genomics of Vibrio cholerae O1 isolated from cholera patients in Bangladesh. Lett. Appl. Microbiol. 2018; 67(4): 329–36. https://doi.org/10.1111/lam.13046
