Молекулярная детекция и филогеография гипервирулентного субтипа Mycobacterium tuberculosis Beijing 14717-15

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Цель исследования — разработка метода для выявления штаммов Mycobacterium tuberculosis, относящихся к высоколетальному, гипервирулентному и мультирезистентному кластеру Beijing 14717-15 и его применение для скрининга ретроспективных коллекций M. tuberculosis из различных регионов России. Изученная коллекция включала образцы ДНК M. tuberculosis, собранные в результате популяционных исследований. Сполиготипирование и генотипирование 24 локусов вариабельного числа тандемных повторов проводили по стандартным протоколам. Филогенетический анализ проводили на основе данных полногеномного секвенирования. Полиморфизм в геномной позиции 2423040 A > G, специфический для кластера Beijing 14717-15 (согласно номенклатуре MIRU-VNTRplus.org), выявляли с использованием метода ПЦР-ПДРФ и рестриктазы HhaI. Проведенный биоинформационный и филогенетический анализ данных полногеномного секвенирования 205 штаммов ранней древней сублинии генотипа Beijing M. tuberculosis показал, что штаммы с профилем VNTR 14717-15 и близкие ему группировались в монофилетический кластер родственных штаммов, который мы определили как Beijing 14717-15-кластер. Среди SNP, специфичных для кластера 14717-15, мы выбрали функционально нейтральный SNP в геномной позиции 2423040 A > G (Rv2161c Val33Ala) и разработали метод его детекции в формате ПЦР-ПДРФ. Далее этот метод был применен для скрининга коллекций ДНК из регионов Европейской и Азиатской частей России и стран Азии. Результаты демонстрируют присутствие штаммов кластера Beijing 14717-15 только в Азиатской части России с пиком в Бурятии (18%). Таким образом, нами разработан метод детекции гипервирулентного и высоколетального генетического кластера M. tuberculosis Beijing 14717-15 на основе выявления специфической мутации в гене Rv2161c с помощью ПЦР с последующей HhaI-рестрикцией продукта ПЦР и электрофорезом в агарозном геле для дискриминации дикого и мутантного аллелей. Преимуществами предлагаемого способа являются быстрота, простая и однозначная интерпретация результатов, возможность выявления контаминации и микст-инфекции, пригодность для производительного анализа больших коллекций штаммов М. tuberculosis.

Об авторах

Игорь В. Мокроусов

ФБУН НИИ эпидемиологии и микробиологии имени Пастера

Автор, ответственный за переписку.
Email: imokrousov@mail.ru

д.б.н., зав. лабораторией молекулярной эпидемиологии и эволюционной генетики

Россия, Санкт-Петербург

А. А. Вязовая

ФБУН НИИ эпидемиологии и микробиологии имени Пастера

Email: imokrousov@mail.ru

к.б.н., старший научный сотрудник лаборатории молекулярной эпидемиологии и эволюционной генетики

Россия, Санкт-Петербург

М. В. Бадлеева

ФГБОУ ВО Бурятский государственный университет имени Доржи Банзарова

Email: imokrousov@mail.ru

к.м.н., доцент кафедры инфекционных болезней

Россия, г. Улан-Удэ, Республика Бурятия

А. А. Герасимова

ФБУН НИИ эпидемиологии и микробиологии имени Пастера

Email: imokrousov@mail.ru

младший научный сотрудник лаборатории молекулярной эпидемиологии и эволюционной генетики

Россия, Санкт-Петербург

О. Б. Белопольская

РЦ «Центр Биобанк» — Научный парк Санкт-Петербургского государственного университета

Email: imokrousov@mail.ru

к.б.н., ведущий специалист РЦ «Центр Биобанк»

Россия, Санкт-Петербург

А. Э. Машарский

РЦ «Центр Биобанк» — Научный парк Санкт-Петербургского государственного университета

Email: imokrousov@mail.ru

к.б.н., ведущий специалист

Россия, Санкт-Петербург

И. В. Костюкова

БУЗОО Клинический противотуберкулезный диспансер

Email: imokrousov@mail.ru

врач-бактериолог, зав. лабораторией

Россия, г. Омск

С. Н. Жданова

ФГБНУ Научный центр проблем здоровья семьи и репродукции человека

Email: imokrousov@mail.ru

д.м.н., ведущий научный сотрудник отдела эпидемиологии и микробиологии

Россия, г. Иркутск

Р. С. Мударисова

ФБУН НИИ эпидемиологии и микробиологии имени Пастера

Email: imokrousov@mail.ru

лаборант-исследователь лаборатории молекулярной эпидемиологии и эволюционной генетики

Россия, Санкт-Петербург

И. Авадэний

ФБУН НИИ эпидемиологии и микробиологии имени Пастера; ФГБУ Санкт-Петербургский научно-исследовательский институт фтизиопульмонологии

Email: imokrousov@mail.ru

младший научный сотрудник, врач-бактериолог бактериологической лаборатории

Россия, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

Н. С. Соловьева

ФГБУ Санкт-Петербургский научно-исследовательский институт фтизиопульмонологии

Email: imokrousov@mail.ru

к.м.н., зав. бактериологической лабораторией

Россия, Санкт-Петербург

Д. А. Найзабаева

Филиал Национального центра биотехнологии в г. Алматы; Казахский национальный университет им. аль-Фараби

Email: imokrousov@mail.ru

научный сотрудник лаборатории экспертизы и диагностики; аспирант кафедры биотехнологии

Казахстан, г. Алматы; г. Алматы

Ю. А. Скиба

Филиал Национального центра биотехнологии в г. Алматы

Email: imokrousov@mail.ru

к.б.н., зав. лабораторией молекулярной биологии, директор

Казахстан, г. Алматы

В. Ю. Журавлев

ФГБУ Санкт-Петербургский научно-исследовательский институт фтизиопульмонологии

Email: imokrousov@mail.ru

к.м.н., ведущий научный сотрудник, координатор направления «Лабораторная диагностика»

Россия, Санкт-Петербург

О. А. Пасечник

ФГБОУ ВО Омский государственный медицинский университет

Email: imokrousov@mail.ru

д.м.н., зав. кафедрой общественного здоровья и здравоохранения

Россия, г. Омск

О. Б. Огарков

ФГБНУ Научный центр проблем здоровья семьи и репродукции человека

Email: imokrousov@mail.ru

д.м.н., главный научный сотрудник, зав. отделом эпидемиологии и микробиологии

Россия, г. Иркутск

Список литературы

  1. Беспятых Ю.А., Виноградова Т.И., Маничева О.А., Заболотных Н.В., Догонадзе М.З., Витовская М.Л., Гуляев А.С., Журавлев В.Ю., Шитиков Е.А., Ильина Е.Н. Вирулентность Mycobacterium tuberculosis генотипа Beijing в условиях in vivo // Инфекция и иммунитет. 2019. Т. 9, № 1. С. 173–182. [Bespyatykh J.A., Vinogradova Т.I., Manicheva O.A., Zabolotnykh N.V., Dogonadze M.Z., Vitovskaya M.L., Guliaev A.S., Zhuravlev V.Yu., Shitikov E.A., Ilina E.N. In vivo virulence of Beijing genotype Mycobacterium tuberculosis. Infektsiya i immunitet = Russian Journal of Infection and Immunity, 2019, vol. 9, no. 1, pp. 173–182. (In Russ.)] doi: 10.15789/2220-7619-2019-1-173-182
  2. Вязовая А.А., Гаврилова Н.Ю., Герасимова А.А., Бычкова А.О., Авадений И., Аникиева Е.В., Соловьева Н.С., Журавлев В.Ю., Мокроусов И.В., Нарвская О.В. Молекулярно-генетический мониторинг популяции Mycobacterium tuberculosis в Мурманской области // Молекулярная генетика, микробиология и вирусология. 2022. Т. 40, № 2. С. 21–27. [Vyazovaya A.A., Gavrilova N.Yu., Gerasimova A.A., Bychkova A.O., Avadenii I., Anikieva E.V., Solovieva N.S., Zhuravlev V.Yu., Mokrousov I.V., Narvskaya O.V. Molecular-genetic monitoring of Mycobacterium tuberculosis population in Murmansk region. Molekulyarnaya Genetika, Mikrobiologiya i Virusologiya = Molecular Genetics, Microbiology and Virology, 2022, vol. 40, no. 2, pp. 21–27. (In Russ.)] doi: 10.17116/molgen20224002121
  3. Вязовая А.А., Лебедева И.А., Ушакова Н.Б., Павлов В.В., Герасимова А.А., Соловьева Н.С., Журавлев В.Ю., Нарвская О.В. Молекулярно-генетический анализ популяции Mycobacterium tuberculosis в Вологодской области — регионе с низкой заболеваемостью туберкулезом // Инфекция и иммунитет. 2021. Т. 11, № 3. С. 497–505. [Vyazovaya А.А., Lebedeva I.A., Ushakova N.B., Pavlov V.V., Gerasimova A.А., Solovieva N.S., Zhuravlev V.Yu., Narvskaya O.V. Molecular and genetic analysis of Mycobacterium tuberculosis population in the Vologda Region with low tuberculosis incidence. Infektsiya i immunitet = Russian Journal of Infection and Immunity, 2021, vol. 11, no. 3, pp. 497–505. (In Russ.)] doi: 10.15789/2220-7619-MAG-1545
  4. Gagneux S. Ecology and evolution of Mycobacterium tuberculosis. Nat. Rev. Microbiol., 2018, vol. 16, pp. 202–213. doi: 10.1038/nrmicro.2018.8
  5. Kamerbeek J., Schouls L., Kolk A., van Agterveld M., van Soolingen D., Kuijper S., Bunschoten A., Molhuizen H., Shaw R., Goyal M., van Embden J. Simultaneous detection and strain differentiation of Mycobacterium tuberculosis for diagnosis and epidemiology. J. Clin. Microbiol., 1997, vol. 35, no. 4, pp. 907–914. doi: 10.1128/jcm.35.4.907-914.1997
  6. Kremer K., Glynn J.R., Lillebaek T., Niemann S., Kurepina N.E., Kreiswirth B.N., Bifani P.J., van Soolingen D. Definition of the Beijing/W lineage of Mycobacterium tuberculosis on the basis of genetic markers. J. Clin. Microbiol., 2004, vol. 42, no. 9, pp. 4040–4049. doi: 10.1128/JCM.42.9.4040-4049.2004
  7. Kumar S., Stecher G., Li M., Knyaz C., Tamura K. MEGA X: molecular evolutionary genetics analysis across computing platforms. Mol. Biol. Evol., 2018, vol. 35, no. 6, pp. 1547–1549. doi: 10.1093/molbev/msy096
  8. Luo T., Comas I., Luo D., Lu B., Wu J., Wei L., Yang C., Liu Q., Gan M., Sun G., Shen X., Liu F., Gagneux S., Mei J., Lan R., Wan K., Gao Q. Southern East Asian origin and coexpansion of Mycobacterium tuberculosis Beijing family with Han Chinese. Proc. Natl Acad. Sci. USA, 2015, vol. 112, no. 26, pp. 8136–8141. doi: 10.1073/pnas.1424063112
  9. Maeda S., Hang N.T., Lien L.T., Thuong P.H., Hung N.V., Hoang N.P., Cuong V.C., Hijikata M., Sakurada S., Keicho N. Mycobacterium tuberculosis strains spreading in Hanoi, Vietnam: Beijing sublineages, genotypes, drug susceptibility patterns, and host factors. Tuberculosis (Edinb.), 2014, vol. 94, no. 6, pp. 649–656. doi: 10.1016/j.tube.2014.09.005
  10. Mokrousov I., Ly H.M., Otten T., Lan N.N., Vyshnevskyi B., Hoffner S., Narvskaya O. Origin and primary dispersal of the Mycobacterium tuberculosis Beijing genotype: clues from human phylogeography. Genome Res., 2005, vol. 15, no. 10, pp. 1357–1364. doi: 10.1101/gr.3840605
  11. Mokrousov I., Narvskaya O., Otten T., Vyazovaya A., Limeschenko E., Steklova L., Vyshnevskyi B. Phylogenetic reconstruction within Mycobacterium tuberculosis Beijing genotype in northwestern Russia. Res. Microbiol., 2002, vol. 153, no. 10, pp. 629–637. doi: 10.1016/s0923-2508(02)01374-8
  12. Mokrousov I., Pasechnik O., Vyazovaya A., Yarusova I., Gerasimova A., Blokh A., Zhuravlev V. Impact of pathobiological diversity of Mycobacterium tuberculosis on clinical features and lethal outcome of tuberculosis. BMC Microbiol., 2022, vol. 22: 50. doi: 10.1186/s12866-022-02461-w
  13. Mokrousov I., Sinkov V., Vyazovaya A., Pasechnik O., Solovieva N., Khromova P., Zhuravlev V., Ogarkov O. Genomic signatures of drug resistance in highly resistant Mycobacterium tuberculosis strains of the early ancient sublineage of Beijing genotype in Russia. Int. J. Antimicrob. Agents, 2020, vol. 56, no. 2: 106036. doi: 10.1016/j.ijantimicag.2020.106036
  14. Mokrousov I., Vyazovaya A., Pasechnik O., Gerasimova A., Dymova M., Chernyaeva E., Tatarintseva M., Stasenko V. Early ancient sublineages of Mycobacterium tuberculosis Beijing genotype: unexpected clues from phylogenomics of the pathogen and human history. Clin. Microbiol. Infect., 2019, vol. 25, no. 8, pp. 1039.e1–1039.e6. doi: 10.1016/j.cmi.2018.11.024
  15. Mokrousov I., Vyazovaya A., Sinkov V., Gerasimova A., Ioannidis P., Jiao W., Khromova P., Papaventsis D., Pasechnik O., Perdigão J., Rastogi N., Shen A., Skiba Y., Solovieva N., Suffys P., Tafaj S., Umpeleva T., Vakhrusheva D., Yarusova I., Zhdanova S., Zhuravlev V., Ogarkov O. Practical approach to detection and surveillance of emerging highly resistant Mycobacterium tuberculosis Beijing 1071-32-cluster. Sci. Rep., 2021, vol. 11: 21392. doi: 10.1038/s41598-021-00890-7
  16. Mokrousov I., Vyazovaya A., Solovieva N., Sunchalina T., Markelov Y., Chernyaeva E., Melnikova N., Dogonadze M., Starkova D., Vasilieva N., Gerasimova A., Kononenko Y., Zhuravlev V., Narvskaya O. Trends in molecular epidemiology of drug-resistant tuberculosis in Republic of Karelia, Russian Federation. BMC Microbiol., 2015, vol. 15: 279. doi: 10.1186/s12866-015-0613-3
  17. Pasechnik O., Vyazovaya A., Vitriv S., Tatarintseva M., Blokh A., Stasenko V., Mokrousov I. Major genotype families and epidemic clones of Mycobacterium tuberculosis in Omsk region, Western Siberia, Russia, marked by a high burden of tuberculosis-HIV coinfection. Tuberculosis (Edinb.), 2018, vol. 108, pp. 163–168. doi: 10.1016/j.tube.2017.12.003
  18. Shamputa I.C., Lee J., Allix-Béguec C., Cho E.J., Lee J., Rajan V., Lee E.G., Min J.H., Carroll M.W., Goldfeder L.C., Kim J.H., Kang H.S., Hwang S., Eum S.Y., Park S.K., Lee H., Supply P., Cho S.-N., Via L.E., Barry C.E. Genetic diversity of Mycobacterium tuberculosis isolates from a tertiary care tuberculosis hospital in South Korea. J. Clin. Microbiol., 2010, vol. 48, pp. 3873–3894. doi: 10.1128/jcm.02167-09
  19. Supply P., Allix C., Lesjean S., Cardoso-Oelemann M., Rüsch-Gerdes S., Willery E., Savine E., de Haas P., van Deutekom H., Roring S., Bifani P., Kurepina N., Kreiswirth B., Sola C., Rastogi N., Vatin V., Gutierrez M.C., Fauville M., Niemann S., Skuce R., Kremer K., Locht C., van Soolingen D. Proposal for standardization of optimized mycobacterial interspersed repetitive unit-variable-number tandem repeat typing of Mycobacterium tuberculosis. J. Clin. Microbiol., 2006, vol. 44, pp. 4498–4510. doi: 10.1128/JCM.01392-06
  20. Van Embden J.D., Cave M.D., Crawford J.T., Dale J.W., Eisenach K.D., Gicquel B., Hermans P., Martin C., McAdam R., Shinnick T.M. Strain identification on Mycobacterium tuberculosis by DNA fingerprinting: recommendations for a standardized methodology. J. Clin. Microbiol., 1993, vol. 31, pp. 406–409. doi: 10.1128/jcm.31.2.406-409.1993
  21. Vinogradova T., Dogonadze M., Zabolotnykh N., Badleeva M., Yarusova I., Vyazovaya A., Gerasimova A., Zhdanova S., Vitovskaya M., Solovieva N., Pasechnik O., Ogarkov O., Mokrousov I. Extremely lethal and hypervirulent Mycobacterium tuberculosis strain cluster emerging in Far East, Russia. Emerg. Microbes Infect., 2021, vol. 10, no. 1, pp. 1691–1701. doi: 10.1080/22221751.2021.1967704
  22. Wada T., Iwamoto T., Maeda S., Genetic diversity of the Mycobacterium tuberculosis Beijing family in East Asia revealed through refined population structure analysis. FEMS Microbiol. Lett., 2009, vol. 291, no. 1, pp. 35–43. doi: 10.1111/j.1574-6968.2008.01431.x
  23. Yin Q.Q., Liu H.C., Jiao W.W., Li Q.J., Han R., Tian J.L., Liu Z.G., Zhao X.Q., Li Y.J., Wan K.L., Shen A.D., Mokrousov I. Evolutionary history and ongoing transmission of phylogenetic sublineages of Mycobacterium tuberculosis Beijing genotype in China. Sci. Rep., 2016, vol. 6: 34353. doi: 10.1038/srep34353
  24. Zhdanova S., Mokrousov I., Orlova E., Sinkov V., Ogarkov O. Transborder molecular analysis of drug-resistant tuberculosis in Mongolia and Eastern Siberia, Russia. Transbound. Emerg. Dis., 2022, vol. 69, no. 5, pp. e1800-e1814. doi: 10.1111/tbed.14515

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рисунок 1. Схема эволюции генотипа Beijing Mycobacterium tuberculosis, включая основные российские субтипы

Скачать (280KB)
Метаданные
3. Рисунок 2. Дендрограмма штаммов древней сублинии генотипа Beijing из России и Кореи, построенная на основе полногеномых SNP с использованием алгоритма максимального правдоподобия

Скачать (70KB)
Метаданные
4. Рисунок 3. HhaI ПЦР-ПДРФ детекция замены в геномной позиции 2423040 A > G (Rv2161c Val(s)33Ala)

Скачать (61KB)
Метаданные
5. Рисунок 4. Ретроспективный анализ географического распространения штаммов Beijing 14717-15 и других субтипов Beijing в российских регионах

Скачать (222KB)
Метаданные

© Мокроусов И.В., Вязовая А.А., Бадлеева М.В., Герасимова А.А., Белопольская О.Б., Машарский А.Э., Костюкова И.В., Жданова С.Н., Мударисова Р.С., Авадэний И., Соловьева Н.С., Найзабаева Д.А., Скиба Ю.А., Журавлев В.Ю., Пасечник О.А., Огарков О.Б., 2023

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».