sredobЗдоровье населения и среда обитания – ЗНиСОPublic Health and Life Environment – PH&LE2219-52382619-0788ФБУЗ ФЦГиЭ Роспотребнадзора10.35627/2219-5238/2023-31-11-94-100sredob-1822Research ArticleЭПИДЕМИОЛОГИЯEPIDEMIOLOGYАнализ антифаговых систем в штаммах Vibrio cholerae O1 биовара Эль ТорAnalysis of Antiphage Systems in Vibrio cholerae O1 El Tor Biotype Strainshttps://orcid.org/0000-0003-4366-0562ЗадноваС. П.ZadnovaS. P.

дения об авторах:Заднова Светлана Петровна – д.б.н., ведущий научный сотрудник лаборатории патогенных вибрионов

ул. Университетская, д. 46, г. Саратов, 410005

Svetlana P. Zadnova, Dr. Sci. (Biol.), Leading Researcher, Head of the Laboratory of Pathogenic Vibrios

46 Universitetskaya Street, Saratov, 410005

svetlanazadnova@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2355-7018ПлехановН. А.PlekhanovN. A.

Плеханов Никита Александрович – к.б.н., старший научный сотрудник лаборатории патогенных вибрионов

ул. Университетская, д. 46, г. Саратов, 410005

Nikita A. Plekhanov, Cand. Sci. (Biol.), Senior Researcher, Laboratory of Pathogenic Vibrios

46 Universitetskaya Street, Saratov, 410005

muscari.sp@icloud.comhttps://orcid.org/0000-0001-9779-166XСпиринаА. Ю.SpirinaA. Yu.

Спирина Алина Юрьевна – младший научный сотрудник лаборатории патогенных вибрионов

ул. Университетская, д. 46, г. Саратов, 410005

Alina Yu. Spirina, Junior Researcher, Laboratory of Pathogenic Vibrios

46 Universitetskaya Street, Saratov, 410005

rusrapi@microbe.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5759-3765ЧелдышоваН. Б.CheldyshovaN. B.

Челдышова Надежда Борисовна – к.м.н., старший научный сотрудник лаборатории патогенных вибрионов

ул. Университетская, д. 46, г. Саратов, 410005

Nadezhda B. Cheldyshova, Cand. Sci. (Med.), Senior Researcher, Laboratory of Pathogenic Vibrios

46 Universitetskaya Street, Saratov, 410005

rusrapi@microbe.ruФКУН «Российский научно-исследовательский противочумный институт “Микроб”» РоспотребнадзораРоссияRussian Research Anti-Plague Institute “Microbe”Russian Federation202312122023311194100Copyright © Заднова С.П., Плеханов Н.А., Спирина А.Ю., Челдышова Н.Б., 20232023Заднова С.П., Плеханов Н.А., Спирина А.Ю., Челдышова Н.Б.Zadnova S.P., Plekhanov N.A., Spirina A.Y., Cheldyshova N.B.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://zniso.fcgie.ru/jour/article/view/1822Введение

Введение. Холерные литические фаги способствуют генетическому разнообразию и эволюции Vibrio cholerae. Для защиты от фагов патоген приобрел различные механизмы устойчивости.

Цель исследования

Цель исследования: выявление антифаговых систем, расположенных на мобильных генетических элементах, в штаммах V. cholerae О1 серогруппы биовара Эль Тор.

Материалы и методы

Материалы и методы. Использовали нуклеотидные последовательности полных геномов 77 токсигенных штаммов V. cholerae О1 биовара Эль Тор, завезенных с 1970 по 2014 г. на территорию РФ и сопредельных стран. Для анализа применяли алгоритм Blast NCBI GenBank. Филогенетический анализ проводили с использованием сервера REALPHY.

Результаты

Результаты. Показано, что изученные штаммы в составе 5-й «горячей точки» ICE SXT элемента содержат два типа антифаговых систем – BREX, характерную для ICE VchBan9, и BREX с abi, специфичные для ICE VchInd5. Установлена прямая связь между наличием антифагового острова PLE4 и фага каппа. Штаммы V. cholerae О1 биовара Эль Тор, содержащие PLE4, за исключением одного изолята, имеют BREX ICE VchBan9 и при филогенетическом анализе группируются в отдельный кластер. Штаммы с ICE VchInd5, лишенные PLE4 и каппа фага, также образуют отдельную группу.

Заключение

Заключение. Получены данные о присутствии антифаговых систем в ранее завезенных штаммах V. cholerae О1 биовара Эль Тор, что расширяет сведения об их генетической организации. Изучение структуры антифаговых генов 5-й «горячей точки» ICE SXT элемента позволяет выявлять генетические различия между близкородственными штаммами V. cholerae О1 биовара Эль Тор, а также определять тип ICE SXT элемента.

Introduction

Introduction: Cholera lytic phages contribute to the genetic diversity and evolution of Vibrio cholerae. To protect against the phages, the pathogen has acquired various resistance mechanisms.

Objective

Objective: To identify antiphage systems located on mobile genetic elements in V. cholerae serogroup O1 El Tor biotype strains.

Materials and methods

Materials and methods: Nucleotide sequences of complete genomes of 77 toxigenic V. cholerae O1 El Tor strains imported to the Russian Federation and neighboring countries in 1970–2014 were analyzed using the Blast NCBI GenBank algorithm and REALPHY online tool.

Results

Results: We observed that the examined strains contained two types of anti-phage systems in hotspot 5 of the ICE SXT element: BREX, common for ICE VchBan9, and BREX with Abi typical of ICE VchInd5. We established a direct relationship between the presence of the PLE4 antiphage island and the kappa phage. V. cholerae O1 El Tor strains containing PLE4, except for one isolate, have BREX ICE VchBan9 and are grouped into a separate cluster in phylogenetic analysis. Strains with ICE VchInd5 lacking PLE4 and kappa phage also form a separate group.

Conclusions

Conclusions: The data obtained on the presence of antiphage systems in previously imported strains of V. cholerae O1 biotype El Tor expand knowledge of their genetic organization. The study of the structure of antiphage genes of hotspot 5 of the ICE SXT element makes it possible to reveal genetic differences between closely related strains of V. cholerae O1 biotype El Tor and to determine the type of ICE SXT element.

токсигенные штаммы V. choleraeантифаговые системы 5-й «горячей» точки ICE SXT элементаPLE островфилогенетический анализtoxigenic V. cholerae strainsanti-phage systemshotspot 5ICE SXT elementphage-inducible chromosomal island-like element (PLE)phylogenetic analysisReferencesBhandari M, Jennison AV, Rathnayake IU, Huygens F. Evolu- tion, distribution and genetics of atypical Vibrio cholerae – A review. Infect Genet Evol. 2021;89:104726. doi: 10.1016/j.meegid.2021.104726Bhandari M, Jennison AV, Rathnayake IU, Huygens F. Evolution, distribution and genetics of atypical Vibrio cholerae – A review. Infect Genet Evol. 2021;89:104726. doi: 10.1016/j.meegid.2021.104726Almagro-Moreno S, Pukatzki S, eds. Vibrio spp. Infections. Cham, Switzerland: Springer; 2023. doi: 10.1007/978-3-031-22997-8Almagro-Moreno S, Pukatzki S, eds. Vibrio spp. Infections. Cham, Switzerland: Springer; 2023. doi: 10.1007/978-3-031-22997-8Pukatzki S, Ma AT, Revel AT, Sturtevant D, Mekalanos JJ. Type VI secretion system translocates a phage tail spike-like protein into target cells where it cross-links actin. Proc Natl Acad Sci U S A. 2007;104(39):15508-15513. doi: 10.1073/pnas.0706532104Pukatzki S, Ma AT, Revel AT, Sturtevant D, Mekalanos JJ. Type VI secretion system translocates a phage tail spike-like protein into target cells where it cross-links actin. Proc Natl Acad Sci U S A. 2007;104(39):15508-15513. doi: 10.1073/pnas.0706532104Faruque SM, Mekalanos JJ. Phage-bacterial interactions in the evolution of toxigenic Vibrio cholerae. Virulence. 2012;3(7):556- 565. doi: 10.4161/viru.22351Faruque SM, Mekalanos JJ. Phage-bacterial interactions in the evolution of toxigenic Vibrio cholerae. Virulence. 2012;3(7):556565. doi: 10.4161/viru.22351Faruque SM, Naser IB, Islam MJ, et al. Seasonal epidemics of cholera inversely correlate with the prevalence of environmental cholera phages. Proc Natl Acad Sci U S A. 2005;102(5):1702- 1707. doi: 10.1073/pnas.0408992102Faruque SM, Naser IB, Islam MJ, et al. Seasonal epidemics of cholera inversely correlate with the prevalence of environmental cholera phages. Proc Natl Acad Sci U S A. 2005;102(5):17021707. doi: 10.1073/pnas.0408992102Seed KD, Bodi KL, Kropinski AM, et al. Evidence of a dominant lineage of Vibrio cholerae-specific lytic bacteriophages shed by cholera patients over a 10-year period in Dhaka, Bangladesh. mBio. 2011;2(1):e00334-10. doi: 10.1128/mbio.00334-10Seed KD, Bodi KL, Kropinski AM, et al. Evidence of a dominant lineage of Vibrio cholerae-specific lytic bacteriophages shed by cholera patients over a 10-year period in Dhaka, Bangladesh. mBio. 2011;2(1):e00334-10. doi: 10.1128/mbio.00334-10Gao L, Altae-Tran H, Böhning F, et al. Diverse enzymatic activities mediate antiviral immunity in prokaryotes. Science. 2020;369(6507):1077-1084. doi: 10.1126/science.aba0372Gao L, Altae-Tran H, Böhning F, et al. Diverse enzymatic activities mediate antiviral immunity in prokaryotes. Science. 2020;369(6507):1077-1084. doi: 10.1126/science.aba0372Погожова М.П., Гаевская Н.Е., Водопьянов А.С. и др. Биологические свойства и генетическая характеристика экспериментальных диагностических бактериофагов Vi- brio cholerae // Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2021. Т. 98. № 3. С. 290–297. doi: 10.36233/0372-9311-39Pogozhova MP, Gayevskaya NE, Vodopyanov AS, et al. Biological properties and genetic characteristics of experimental diagnostic Vibrio cholerae bacteriophages. Zhurnal Mikrobiologii, Epidemiologii i Immunobiologii. 2021;98(3):290–297. (In Russ.) doi: 10.36233/0372-9311-39Гумаюнова К.С., Зинина О.С., Овчинникова М.В., Гаевская Н.Е., Синягина Ю.В., Никифоров А.К. Оценка результатов испытаний экспериментального фага для диагностики холеры эльтор // Вестник биотехнологии и физико-химической биологии им. Ю.А. Овчинникова. 2021. Т. 17. № 4. С. 34–40.Gumayunova KS, Zinina OS, Ovchinnikova MV, Gaevskaya NE, Sinyagina YuV, Nikiforov AK. Evaluation of the test results of an experimental phage for the diagnosis of cholera El Tor. Vestnik Biotekhnologii i Fiziko-Khimicheskoy Biologii im. Yu.A. Ovchinnikova. 2021;17(4):34–40. (In Russ.)Yen M, Camilli A. Mechanisms of the evolutionary arms race between Vibrio cholerae and Vibriophage clinical isolates. Int Microbiol. 2017;20(3):116–120. doi: 10.2436/20.1501.01.292Yen M, Camilli A. Mechanisms of the evolutionary arms race between Vibrio cholerae and Vibriophage clinical isolates. Int Microbiol. 2017;20(3):116–120. doi: 10.2436/20.1501.01.292Oechslin F. Resistance development to bacteriophages oc- curring during bacteriophage therapy. Viruses. 2018;10(7):351. doi: 10.3390/v10070351Oechslin F. Resistance development to bacteriophages occurring during bacteriophage therapy. Viruses. 2018;10(7):351. doi: 10.3390/v10070351Аноприенко А.О., Тюрина А.В., Гаевская Н.Е., Погожова М.П. Создание экспериментального профилактического препарата на основе холерных бактериофагов // Вестник биотехнологии и физико-химической биологии имени Ю.А. Овчинникова. 2020. Т. 16. № 3. С. 10–13.Anoprienko AO, Tyurina AV, Gaevskaya NE, Pogozhova MP. Creation of an experimental preventive preparation based on cholera bacteriophages. Vestnik Biotekhnologii i Fiziko-Khimicheskoy Biologii im. Yu.A. Ovchinnikova. 2020;16(3):10-13. (In Russ.)O’Hara BJ, Barth ZK, McKitterick AC, Seed KD. 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.1006838O’Hara BJ, Barth ZK, McKitterick AC, Seed KD. 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.1006838Angermeyer A, Hays SG, Nguyen MHT, et al. 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):e03088-21. doi: 10.1128/mbio.03088-21Angermeyer A, Hays SG, Nguyen MHT, et al. 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):e03088-21. doi: 10.1128/mbio.03088-21Заднова С.П., Плеханов Н.А., Спирина А.Ю., Швиден ко И.Г., Савельев В.Н. Выявление фагоиндуцируемых мобильных генетических элементов в штаммах Vibrio cholerae O1 Эль Тор биовара. Проблемы особо опасных инфекций. 2023. № 2. С. 112–119. doi: 10.21055/0370-1069-2023-2-112-119Zadnova SP, Plekhanov NA, Spirina AYu, Shvidenko IG, Savel’ev VN. Detection of phage-induced mobile genetic elements in strains of Vibrio cholerae O1 biovar El Tor. Problemy Osobo Opasnykh Infektsiу. 2023;(2):112-119. (In Russ.) doi: 10.21055/0370-1069-2023-2-112-119Онищенко Г.Г., Москвитина Э.А., Водопьянов А.С. и др. Ретроспективный молекулярно-эпидемиологический анализ эпидемии холеры в Республике Дагестан в 1994 г. // Проблемы особо опасных инфекций. 2016. № 4. С. 33–41. doi: 10.21055/0370-1069-2016-4-33-41Onishchenko GG, Moskvitina EA, Vodop’janov AS, et al. Retrospective molecular-epidemiological analysis of cholera epidemic in the Republic of Dagestan in 1994. Problemy Osobo Opasnykh Infektsiу. 2016;(4):33–41. (In Russ.) doi: 10.21055/0370-1069-2016-4-33-41Gladkikh AS, Feranchuk SI, Ponomareva AS, Bochalgin NO, Mironova LV. Antibiotic resistance in Vibrio cholerae El Tor strains isolated during cholera complications in Siberia and the Far East of Russia. Infect Genet Evol. 2020;78:104096. doi: 10.1016/j.meegid.2019.104096Gladkikh AS, Feranchuk SI, Ponomareva AS, Bochalgin NO, Mironova LV. Antibiotic resistance in Vibrio cholerae El Tor strains isolated during cholera complications in Siberia and the Far East of Russia. Infect Genet Evol. 2020;78:104096. doi: 10.1016/j.meegid.2019.104096Kapfhammer D, Blass J, Evers S, Reidl J. Vibrio cholerae phage K139: complete genome sequence and comparative genomics of related phages. J Bacteriol. 2002;184(23):6592-6601. doi: 10.1128/JB.184.23.6592-6601.2002Kapfhammer D, Blass J, Evers S, Reidl J. Vibrio cholerae phage K139: complete genome sequence and comparative genomics of related phages. J Bacteriol. 2002;184(23):6592–6601. doi: 10.1128/JB.184.23.6592-6601.2002LeGault KN, Hays SG, Angermeyer A, et al. Temporal shifts in antibiotic resistance elements govern phage-pathogen conflicts. Science. 2021;373(6554):eabg2166. doi: 10.1126/science.abg2166LeGault KN, Hays SG, Angermeyer A, et al. Temporal shifts in antibiotic resistance elements govern phage-pathogen conflicts. Science. 2021;373(6554):eabg2166. doi: 10.1126/science.abg2166Wozniak RAF, Fouts DE, Spagnoletti M, et al. 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.1000786Wozniak RAF, Fouts DE, Spagnoletti M, et al. 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.1000786Смирнова Н.И., Рыбальченко Д.А., Щелканова Е.Ю., Лозовский Ю.В., Краснов Я.М., Кутырев В.В. Вариа бельность множественной резистентности к анти биотикам возбудителя холеры, связанная с разными типами мобильного SXT элемента и спонтанными хромосомными мутациями // Молекулярная генетика, микробиология и вирусология. 2022. Т. 40. № 2. С. 28–36. doi: 10.17116/molgen20224002128Smirnova NI, Rybal’chenko DA, Shchelkanova EYu, Lozovsky YuV, Krasnov YaM, Kutyrev VV. Variability of multiple resistance to antibiotics in cholera agent associated with different types of SXT element and spontaneous chromosome mutations. Molekulyarnaya Genetika, Mikrobiologiya i Virusologiya. 2022;40(2):28-36. (In Russ.) doi: 10.17116/molgen20224002128Смирнова Н.И., Заднова С.П., Агафонов Д.А., Шашко- ва А.В., Челдышова Н.Б., Черкасов А.В. Сравнительный молекулярно-генетический анализ мобильных элементов природных штаммов возбудителя холеры // Генетика. 2013. Т. 49. № 9. С. 1036–1047. doi: 10.7868/S0016675813090087Smirnova NI, Zadnova SP, Agafonov DA, Shashkova AV, Cheldyshova NB, Cherkasov AV. Comparative molecular-genetic analysis of mobile elements in natural strains of cholera agent. Genetika. 2013;49(9):1036-1047. (In Russ.) doi: 10.7868/S0016675813090087Савельев В.Н., Ковалев Д.А., Савельева И.В. и др. 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 (333). С. 56–61. doi: 10.35627/2219-5238/2020-333-12-56-61Savelyev VN, Kovalev DA, Savelyeva IV, et al. The evolution of phenotypic properties and molecular genetic organization of genomes of Vibrio cholerae O1 El Tor variant strains isolated from patients and environmental objects in the Caucasus in 1970–1998. Zdorov’e Naseleniya i Sreda Obitaniya. 2020;(12(333)):56–61. (In Russ.) doi: 10.35627/2219-5238/2020-333-12-56-61Bertels F, Silander OK, Pachkov M, Rainey PB, van Nimwegen E. Automated reconstruction of whole-genome phylogenies from short-sequence reads. Mol Biol Evol. 2014;31(5):1077–1088. doi: 10.1093/molbev/msu088Bertels F, Silander OK, Pachkov M, Rainey PB, van Nimwegen E. Automated reconstruction of whole-genome phylogenies from short-sequence reads. Mol Biol Evol. 2014;31(5):1077–1088. doi: 10.1093/molbev/msu088Заднова С.П., Смирнова Н.И. Выявление генов антибиотико- устойчивости в штаммах Vibrio cholerae О1 и О139 серогрупп // Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2015. № 3. С. 3–10.Zadnova SP, Smirnova NI. Isolation of antibiotics resistance genes in Vibrio cholerae O1 and O139 serogroup strains. Zhurnal Mikrobiologii, Epidemiologii i Immunobiologii. 2015;(3):3-10. (In Russ.)Водопьянов С.О., Водопьянов А.С., Олейников И.П., Титова С.В. Распространенность ICE элементов различных типов у V. cholerae // Здоровье населения и среда обитания. 2018. № 1 (298). С. 33–35. doi: 10.35627/2219-5238/2018-298-1-33-35Vodop’yanov SO, Vodop’yanov AS, Oleynikov IP, Titova SV. Prevalence of ice elements of different types in V. cholerae. Zdorov’e Naseleniya i Sreda Obitaniya. 2018;(1(298)):33-35. (In Russ.) doi: 10.35627/2219-5238/2018-298-1-33-35

The authors declare that there are no conflicts of interest present.