Молекулярно­генетические методы и компьютерные технологии в системе эпидемиологического надзора за сальмонеллезной инфекцией

Введение. Сальмонеллезная инфекция занимает лидирующие позиции в структуре острых кишечных инфекций, вызванных бактериальными патогенами. В последние годы в связи с развитием молекулярно-генетических методов и внедрением технологий компьютерной обработки полученных данных особое значение приобретает совершенствование системы эпидемиологического надзора в соответствии с мировыми научными достижениями. Цель исследования. В настоящем обзоре представлены историческая справка по развитию молекулярно-генетических методов и компьютерных технологий в изучении сальмонеллезной инфекции и современное положение в изучении данного вопроса в Российской Федерации на примере Научно-исследовательского института эпидемиологии и микробиологии имени Г.П. Сомова Роспотребнадзора – одного из ведущих российских центров по изучению сальмонелл. Материалы и методы. Использовались базы данных лаборатории молекулярной эпидемиологии НИИ эпидемиологии и микробиологии им. Г.П. Сомова Роспотребнадзора, базы данных Web of Science, PubMed, Scopus, Elsevier, Springer и Google Scholar. Результаты. Со второй половины 1980­х годов был введен в практическое использование метод анализа плазмидных ДНК бактерий рода Salmonella. С 1990 года данный метод является основой микробиологического молекулярно­генетического мониторинга за возбудителями сальмонеллеза. География исследуемых штаммов, в 1990­х годах охватывавшая только Приморский край, в 2000­х годах выросла до Дальневосточного и Сибирского федеральных округов Российской Федерации. Исследования, проведенные в лаборатории молекулярной эпидемиологии, позволили усовершенствовать систему эпидемиологического надзора за возбудителем сальмонеллеза на Дальнем Востоке и выявить структуру популяции сальмонелл на основе метода анализа плазмид, содержащихся в штаммах Salmonella. Заключение. Таким образом, в процессе проводимых исследований был решен ряд вопросов, относящихся к микробиологии, эпидемиологии, клинике и профилактике сальмонеллезной инфекции. Рассмотрены перспективы развития молекулярно-генетических методов и компьютерных технологий в изучении сальмонеллезной инфекции в системе эпидемиологического надзора в Российской Федерации. Подчеркивается особое значение полногеномного секвенирования как нового «золотого стандарта» в молекулярной эпидемиологии.

1. Ryan MP, O’Dwyer J, Adley CC. Evaluation of the complex nomenclature of the clinically and veterinary significant pathogen Salmonella. Biomed Res Int. 2017;2017:3782182. doi: 10.1155/2017/3782182

2. Birnboim HC, Doly J. A rapid alkaline extraction procedure for screening recombinant plasmid DNA. Nucleic Acids Res. 1979;7(6):1513–1523. doi: 10.1093/nar/7.6.1513

3. Kado CI, Liu ST. Rapid procedure for detection and isolation of large and small plasmids. J Bacteriol. 1981;145(3):1365–1373. doi: 10.1128/JB.145.3.1365-1373.1981

4. Jones GW, Rabert DK, Svinarich DM, Whitfield HJ. Association of adhesive, invasive, and virulent phenotypes of Salmonella typhimurium with autonomous 60-megadalton plasmids. Infect Immun. 1982;38(2):476– 486. doi: 10.1128/IAI.38.2.476-486.1982

5. Nakamura M, Sato S, Ohya T, Suzuki S, Ikeda S. Possible relationship of a 36-megadalton Salmonella enteritidis plasmid to virulence in mice. Infect Immun. 1985;47(3):831–833. doi: 10.1128/IAI.47.3.831-833.1985

6. Rivera MJ, Rivera N, Castillo J, Rubio MC, Gómez-Lus R. Molecular and epidemiological study of Salmonella clinical isolates. J Clin Microbiol. 1991;29(5):927– 932. doi: 10.1128/JCM.29.5.927-932.1991

7. Rodrigue DC, Cameron DN, Puhr ND, et al. Comparison of plasmid profiles, phage types, and antimicrobial resistance patterns of Salmonella enteritidis isolates in the United States. J Clin Microbiol. 1992;30(4):854–857. doi: 10.1128/JCM.30.4.854-857.1992

8. Holmberg SD, Wachsmuth IK, Hickman-Brenner FW, Cohen ML. Comparison of plasmid profile analysis, phage typing, and antimicrobial susceptibility testing in characterizing Salmonella typhimurium isolates from outbreaks. J Clin Microbiol. 1984;19(2):100–104. doi: 10.1128/JCM.19.2.100-104.1984

9. Farrar Jr WE. Molecular analysis of plasmids in epidemiologic investigation. J Infect Dis. 1983;148(1):1–6. doi: 10.1093/infdis/148.1.1

10. Southern EM. Detection of specific sequences among DNA fragments separated by gel electrophoresis. J Mol Biol. 1975;98(3):503–517. doi: 10.1016/s0022-2836(75)80083-0

11. Olsen JE, Skov MN, Threlfall EJ, Brown DJ. Clonal lines of Salmonella enterica serotype Enteritidis documented by IS200-, ribo-, pulsed-field gel electrophoresis and RFLP typing. J Med Microbiol. 1994;40(1):15–22. doi: 10.1099/00222615-40-1-15

12. Guerra B, Landeras E, Gonzalez-Hevia MA, Mendoza MC. A three-way ribotyping scheme for Salmonella serotype Typhimurium and its usefulness for phylogenetic and epidemiological purposes. J Med Microbiol. 1997; 46(4):307–313. doi: 10.1099/00222615-46-4-307

13. Stanley J, Baquar N, Threlfall EJ. Genotypes and phylogenetic relationships of Salmonella typhimurium are defined by molecular fingerprinting of IS200 and 16S rrn loci. J Gen Microbiol. 1993;139 Pt 6:1133–1140. doi: 10.1099/00221287-139-6-1133

14. Hulton CS, Higgins CF, Sharp PM. ERIC sequences: a novel family of repetitive elements in the genomes of Escherichia coli, Salmonella typhimurium and other enterobacteria. Mol Microbiol. 1991;5(4):825–834. doi: 10.1111/j.1365-2958.1991.tb00755.x

15. Hilton AC, Banks JG, Penn CW. Random amplification of polymorphic DNA (RAPD) of Salmonella: strain differentiation and characterization of amplified sequences. J Appl Bacteriol. 1996;81(6):575–584. doi: 10.1111/j.1365-2672.1996.tb03550.x

16. Schwartz DC, Cantor CR. Separation of yeast chromosome-sized DNAs by pulsed field gradient gel electrophoresis. Cell. 1984;37(1):67–75. doi: 10.1016/0092-8674(84)90301-5

17. Swaminathan B, Barrett TJ, Hunter SB, Tauxe RV; CDC PulseNet Task Force. PulseNet: the molecular subtyping network for foodborne bacterial disease surveillance, United States. Emerg Infect Dis. 2001; 7(3):382–389. doi: 10.3201/eid0703.010303

18. Ridley AM, Threlfall EJ, Rowe B. Genotypic characterization of Salmonella enteritidis phage types by plasmid analysis, ribotyping, and pulsed-field gel electrophoresis. J Clin Microbiol. 1998;36(8):2314–2321. doi: 10.1128/JCM.36.8.2314-2321.1998

19. Ramisse V, Houssu P, Hernandez E, et al. Variable number of tandem repeats in Salmonella enterica subsp. enterica for typing purposes. J Clin Microbiol. 2004;42(12):5722–5730. doi: 10.1128/JCM.42.12.5722-5730.2004

20. Boxrud D, Pederson-Gulrud K, Wotton J, et al. Com parison of multiple-locus variable-number tandem repeat analysis, pulsed-field gel electrophoresis, and phage typing for subtype analysis of Salmonella enterica serotype Enteritidis. J Clin Microbiol. 2007;45(2):536–543. doi: 10.1128/JCM.01595-06

21. Liu Y, Shi X, Li Y, et al. The evaluation and application of multilocus variable number tandem repeat analysis (MLVA) for the molecular epidemiological study of Salmonella enterica subsp. enterica serovar Enteritidis infection. Ann Clin Microbiol Antimicrob. 2016;15:4. doi: 10.1186/s12941-016-0119-3

22. Kotetishvili M, Stine OC, Kreger A, Morris Jr JG, Sulakvelidze A. Multilocus sequence typing for characterization of clinical and environmental salmonella strains. J Clin Microbiol. 2002;40(5):1626–1635. doi: 10.1128/jcm.40.5.1626-1635.2002

23. Achtman M, Wain J, Weill FX, et al. Multilocus sequence typing as a replacement for serotyping in Salmonella enterica. PLoS Pathog. 2012;8(6):e1002776. doi: 10.1371/journal.ppat.1002776

24. Feil EJ, Li BC, Aanensen DM, Hanage WP, Spratt BG. eBURST: inferring patterns of evolutionary descent among clusters of related bacterial genotypes from multilocus sequence typing data. J Bacteriol. 2004;186(5):1518–1530. doi: 10.1128/jb.186.5.1518-1530.2004

25. Deng X, Shariat N, Driebe EM, et al. Comparative analysis of subtyping methods against a whole-genomesequencing standard for Salmonella enterica serotype Enteritidis. J Clin Microbiol. 2015;53(1):212–218. doi: 10.1128/JCM.02332-14

26. Alikhan NF, Zhou Z, Sergeant MJ, Achtman M. A genomic overview of the population structure of Salmonella. PLoS Genet. 2018;14(4):e1007261. doi: 10.1371/journal.pgen.1007261

27. Rakov AV, Mastriani E, Liu SL, Schifferli DM. Association of Salmonella virulence factor alleles with intestinal and invasive serovars. BMC Genomics. 2019;20(1):429. doi: 10.1186/s12864-019-5809-8

28. Rakov AV, Kuznetsova NA, Yakovlev AA. Genetic diversity of Salmonella enterica subsp. enterica serovar Enteritidis in the Siberia and Far East of Russia based on plasmid profiles. AIMS Microbiol. 2020;6(2):106–120. doi: 10.3934/microbiol.2020007

29. Раков А.В., Шубин Ф.Н., Кузнецова Н.А. Гетерогенность плазмид молекулярной массой 1,4 МДа в штаммах Salmonella enteritidis // Бюллетень Сибирского отделения Российской академии медицинских наук. 2013. Т. 33. № 2. С. 10–15.

30. Раков А.В., Шубин Ф.Н., Кузнецова Н.А., Соловьева А.С. Гетерогенность плазмид молекулярной массой 2,3 МДа в штаммах Salmonella enteritidis // Сибирский научный медицинский журнал. 2019. Т. 39. № 2. С. 40–45. doi: 10.15372/SSMJ20190204

31. Rakov AV, Shubin FN. Comparative genomic analysis of the virulence plasmid from Salmonella enterica Subspecies enterica Serovar Enteritidis. Russ J Genet. 2019;55(2):144–153. doi: 10.1134/S0016675819020127

32. Rakov AV, Yakovlev AA, Sinkov VV. First draft genome sequence of Salmonella enterica subsp. enterica Serovar Enteritidis isolated from the chicken meat in Russia. Proceedings. 2021;76(1),2. doi: 10.3390/IECGE-07154

33. Thomsen MCF, Ahrenfeldt J, Cisneros JL, et al. A Bacterial Analysis Platform: An integrated system for analysing bacterial whole genome sequencing data for clinical diagnostics and surveillance. PLoS One. 2016;11(6):e0157718. doi: 10.1371/journal.pone.0157718

34. Davis JJ, Wattam AR, Aziz RK, et al. The PATRIC Bioinformatics Resource Center: expanding data and analysis capabilities. Nucleic Acids Res. 2020; 48(D1):D606–D612. doi: 10.1093/nar/gkz943