Developing approaches for search and analysis of CRISPR-Cas systems on the example of Klebsiella pneumoniae strains as a basis for creating personalized bacteriophage therapy

Capa

Citar

Texto integral

Resumo

This paper proposes an algorithm for searching and analyzing the structures of CRISPR-Cas systems of bacteria and screening bacteriophages through spacers in CRISPR cassettes using bioinformatic research methods in the genomes of Klebsiella pneumoniae strains. The aim was to determine and study the structure of CRISPR-Cas systems of bacteria on the example of Klebsiella pneumoniae strains using bioinformatic research methods in order to develop approaches for the selection of target bacteriophages. The research object included 150 genome-wide sequences downloaded from the GenBank database. Of these sequences, CRISPR-Cas systems were detected in 52 strains, which amounted to 34.7%. Using several search algorithms in the CRISPR-Cas systems of the studied strains, the presence of one and two CRISPR cassette was determined in 46.2 and 53.8% of cases, respectively. In all the cases, a complete set of Cas genes characteristic of Type-I Subtype-I-E systems was identified next to the cassettes. The total number of the identified spacers was 1659, of which 281 spacers were repeated in two or more CRISPR loci, while 505 spacers had no repeats. The number of spacers in the cassettes ranged from 4 to 64. The analysis of the spacer composition in CRISPR cassettes of antibiotic-resistant and hospital strains provided information on their evolutionary history and on the bacteriophages which are targeted by their CRISPR systems. The developed bioinformatic analysis algorithm enables creating a platform for the development of personalized bacteriophage therapy technologies.

Sobre autores

L. Stepanenko

Irkutsk State Medical University

Email: steplia@mail.ru

B. Sukhov

Voevodsky Institute of Chemical Kinetics and Combustion

Email: boris_sukhov@mail.ru

V. Bedinskaya

Irkutsk State Medical University

Email: vika-2801@mail.ru

A. Borisenko

Irkutsk State Medical University

Email: 89500720225@mail.ru

T. Kon’kova

Voevodsky Institute of Chemical Kinetics and Combustion

Email: konbuivol_2@yahoo.com

Bibliografia

  1. Gasiunas G., Barrangou R., Horvath P., Siksnys V. Cas9-crRNA ribonucleoprotein complex mediates specific DNA cleavage for adaptive immunity in bacteria // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2012. Vol. 109, no. 39. P. E2579–E2586. https://doi.org/10.1073/pnas.1208507109.
  2. Mojica F.J.M., Díez-Villaseñor C., Soria E., Juez G. Biological significance of a family of regularly spaced repeats in the genomes of Archaea, Bacteria and mitochondria // Molecular Microbiology. 2000. Vol. 36, no. 1. P. 244–246. https://doi.org/10.1046/j.13652958.2000.01838.x.
  3. Bolotin A., Quinquis B., Sorokin A., Ehrlich S.D. Clustered regularly interspaced short palindrome repeats (CRISPRs) have spacers of extrachromosomal origin // Microbiology (Reading). 2005. Vol. 151, no. 8. P. 2551–2561. https://doi.org/10.1099/mic.0.28048-0.
  4. Mojica F.J.M., Díez-Villaseñor C., García-Martínez J., Soria E. Intervening sequences of regularly spaced prokaryotic repeats derive from foreign genetic elements // Journal of Molecular Evolution. 2005. Vol. 60, no. 2. P. 174–182. https://doi.org/10.1007/s00239004-0046-3.
  5. Shmakov S.A., Makarova K.S., Wolf Y.I., Severinov K.V., Koonin E.V. Systematic prediction of genes functionally linked to CRISPR-Cas systems by gene neighborhood analysis // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2018. Vol. 115, no. 23. Р. 5307– 5316. https://doi.org/10.1073/pnas.1803440115.
  6. Pourcel C., Salvignol G., Vergnaud G. CRISPR elements in Yersinia pestis acquire new repeats by preferential uptake of bacteriophage DNA, and provide additional tools for evolutionary studies // Microbiology. 2005. N 151. Р. 653–663. https://doi.org/10.1099/mic.0.27437-0.
  7. Makarova K.S., Wolf Y.I., Alkhnbashi O.S., Costa F., Shah S.A., Saunders S.J., et al. An updated evolutionary classification of CRISPR-Cas systems // Nature Reviews Microbiology. 2015. Vol. 13, no. 11. P. 722–736. https://doi.org/10.1038/nrmicro3569.
  8. Shmakov S., Smargon A., Scott D., Cox D., Pyzocha N., Yan W., et al. Diversity and evolution of class 2 CRISPR-Cas systems // Nature Reviews Microbiology. 2017. Vol. 15, no. 3. P. 169–182. https://doi.org/10.1038/nrmicro.2016.184.
  9. Koonin E.V. CRISPR: a new principle of genome engineering linked to conceptual shifts in evolutionary biology // Biology & Philosophy. 2019. Vol. 34, no. 9. https://doi.org/10.1007/s10539-018-9658-7.
  10. Barrangou R., Flemaux C., Deveau H., Richards M., Boyaval P., Moineau S., et al. CRISPR provides acquired resistance against viruses in prokaryotes // Science. 2007. Vol. 315. P. 1709–1712. https://doi.org/10.1126/science.1138140.
  11. Gasiunas G., Sinkunas T., Siksnys V. Molecular mechanisms of CRISPR-mediated microbial immunity // Cellular and Molecular Life Sciences. 2014. Vol. 71. P. 449–465. https://doi.org/10.1007/s00018-0131438-6.
  12. Hille F., Charpentier E. CRISPR-Cas: biology, mechanisms and relevance // Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences. 2016. Vol. 371, no. 1707. P. 20150496. https://doi.org/10.1098/rstb.2015.0496.
  13. Косенчук В.В., Рыбалкина Т.Н., Бошьян Р.Е., Каражас Н.В., Корниенко М.Н., Веселовский П.А.. Роль возбудителей оппортунистических инфекций как этиологических агентов внутриутробных инфекций // Детские инфекции. 2019. Т. 18. N 3. C. 17–24. https://doi.org/10.22627/2072-8107-2019-18-3-17-24.
  14. Brauberg C.A., Palacios M., Miller V.L. Klebsiella: a long way to go towards understanding this enigmatic jetsetter // F1000Prime Reports. 2014. Vol. 6, no. 64. https://doi.org/10.12703/P6-64.
  15. Хаертынов Х.С., Анохин В.А., Николаева И.В., Семенова Д.Р., Любин С.А., Агапова И.В.. Клебсиеллезный неонатальный сепсис // Медицинский вестник Северного Кавказа. 2016. Т. 11. N 1. С. 82–86. https://doi.org/10.14300/mnnc.2016.11004.
  16. Moore R., O’Shea D., Geoghegan T., Mallon P.W.G., Sheehan G. Community-acquired Klebsiella pneumoniae liver abscess: an emerging infection in Ireland and Europe // Infection. 2013. Vol. 41, no. 3. Р. 681–686. https://doi.org/10.1007/s15010013-0408-0.
  17. Агеевец В.A., Агеевец И.В., Сидоренко С.В. Конвергенция множественной резистентности и гипервирулентности у Klebsiella pneumoniae // Инфекция и иммунитет. 2022. Т. 12. N 3. C. 450–460. https://doi.org/10.15789/2220-7619-COM-1825.
  18. Gu D., Dong N., Zheng Z., Lin D., Huang M., Wang L., et al. Afataloutbreakof ST11 carbapenem-resistant hypervirulent Klebsiella pneumoniae in a Chinese hospital: a molecular epidemiological study // The Lancet Infectious Diseases. 2018. Vol. 18, no. 1. P. 37–46. https://doi.org/10.1016/S1473-3099(17)30489-9.
  19. Lam M.M.C., Wyres K.L., Duchene S., Wick R.R., Judd L.M., Gan Y.H., et al. Population genomics of hypervirulent Klebsiella pneumoniae clonal-group 23 reveals early emergence and rapid global dissemination // Nature Communications. 2018. Vol. 9, no. 1. P. 2703. https://doi.org/10.1038/s41467018-05114-7.
  20. Liu Y., Long D., Xiang T.X., Du F.L., Wei D.D., Wan L.G., et al. Whole genome assembly and functional portrait of hypervirulent extensively drug-resistant NDM-1 and KPC-2 co-producing Klebsiella pneumoniae of capsular serotype K2 and ST86 // Journal of Antimicrobial Chemotherapy. 2019. Vol. 74, no. 5. P. 1233–1240. https://doi.org/10.1093/jac/dkz023.
  21. Murray C.J.L., Ikuta K.Sh., Sharara F., Swetschinski L., Aguilar G.R., Gray A., et al. Global burden of bacterial antimicrobial resistance in 2019: a systematic analysis // Lancet. 2022. Vol. 399, no. 10325. Р. 629–655. https://doi.org/10.1016/S0140-6736(21)02724-0.
  22. Степаненко Л.А., Джиоев Ю.П., Злобин В.И., Борисенко А.Ю., Саловарова В.П., Арефьева Н.А.. Разработка подходов скрининга высокоспецифичных бактериофагов на основе биоинформационного анализа структур CRISPR-Cas систем Corynebacterium diphtheria // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2021. Т. 11. N 2. С. 216–227. https://doi.org/10.21285/2227-29252021-11-2-216-227.

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
Baixar


Creative Commons License
Este artigo é disponível sob a Licença Creative Commons Atribuição 4.0 Internacional.

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».