Development of screening approaches of highly specific bacteriophages based on bioinformatic analysis of CRISPR-Cas structures of Corynebacterium diphtheriae systems

Мұқаба

Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Аннотация

This study aims to develop approaches for screening highly specific bacteriophages based on bio-informatic analysis of CRISPR-Cas structures of bacterial systems using the example of Corynebacterium diphtheriae. We proposed an algorithm for bioinformatic search and analysis of CRISPR-Cas structures of bacteria systems and phage screening through spacer sequences of CRISPR-cassette in genomes of Corynebacterium strains. 22 genome-wide sequences loaded from the GenBank database were selected as the target. 21 strains out of 22 had CRISPR-Cas systems. Using several search algorithms in CRISPR-Cas systems, one CRISPR-cassette was found in 23.8% of the tested strains and two in 76.2% of cases. Near the cassettes, a complete set of Cas-genes was identified, characteristic of two types of systems: Type-I Subtype-I-E and Type-II Subtype-II-C. The conducted analysis of the CRISPR-cassette spacer composition showed 3 to 42 spacers in the cassette. The cumulative total number of identified spacers amounted to 297, 64 spacers of which repeated in two or more CRISPR-cassettes, 159 spacers had no replicates. The three pairs of strains under study from this group had a complete match of spacer and consensus sequences, although they were isolated at different times and in multiple countries. A phylogenetic analysis was performed to confirm their common origin. Phages screening through the spacer sequences showed the highest compliance of the spacers with the phages protospacers, characteristic of the bacteria of the Mycobacteriaceae, Gordoniaceae, Streptomycetaceae, Corynebacteriaceae family belonging to the Actinobacteria type. One strain with multiple antibiotic resistance was identified, and its expected bacteriophage resistance was determined using this method. Thus, the developed bioinformatic analysis technology allowed the information on the expected resistance of the tested strains CRISPR-Cas system against the detected phages to be obtained, which in the long term enables the development of a platform of personalised bacteriophage treatment approaches.

Авторлар туралы

L. Stepanenko

Irkutsk State Medical University

Email: steplia@mail.ru

Yu. Dzhioev

Irkutsk State Medical University

Email: alanir07@mail.ru

V. Zlobin

Irkutsk State Medical University

Email: vizlobin@mail.ru

A. Borisenko

Irkutsk State Medical University

Email: 89500720225@mail.ru

V. Salovarova

Irkutsk State University

Email: vsalovarova@gmail.com

N. Arefieva

Irkutsk State University

Email: arefieva.n4@gmail.com

I. Seminsky

Irkutsk State Medical University

Email: i.seminskiy@ismu.baikal.ru

I. Malov

Irkutsk State Medical University

Email: i.malov@ismu.baikal.ru

Әдебиет тізімі

  1. Ивашко С. Нобелевская премия по химии досталась открывателям самого быстрого и точного метода генетического редактирования // Коммерсантъ Наука. 2020. N 33. C. 5.
  2. Makarova K.S., Wolf Y.I., Koonin E.V. Comparative genomics of defense systems in archaea and bacteria // Nucleic Acids Research. 2013. Vol. 41. Issue 8. P. 4360-4377. https://doi.org/10.1093/nar/gkt157
  3. Bolotin A., Quinquis B., Sorokin A., Ehrlich S.D. Clustered regularly interspaced short palindrome repeats (CRISPRs) have spacers of ex-trachromosomal origin // Microbiology (Reading). 2005. Vol. 151. Issue 8. P. 2551-2561. https://doi.org/10.1099/mic.0.28048-0
  4. Bhaya D., Davison M., Barrangou R. CRISPR-Cas systems in bacteria and archaea: versatile small RNAs for adaptive defense and regulation // Annual Review of Genetics. 2011. Vol. 45. P. 273-297. https://doi.org/10.1146/annurev-genet-110410-132430
  5. 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. Issue 11. P. 722-736. https://doi.org/10.1038/nrmicro3569
  6. 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. Issue 3. P. 169-182. https://doi.org/10.1038/nrmicro.2016.184
  7. Koonin E.V., Makarova K.S., Zhang F. Diversity, classification and evolution of CRISPR-Cas systems // Current Opinion in Microbiology. 2017. Vol. 37. P. 67-78. https://doi.org/10.1016/j.mib.2017.05.008
  8. Hille F., Charpentier E. CRISPR-Cas: biology, mechanisms and relevance // Philosophical transactions of the royal society B: biological sciences. 2016. Vol. 371. Issue 1707. https://doi.org/10.1098/rstb.2015.0496
  9. Byard R.W. Diphtheria - 'The strangling angel' of children // Journal of Forensic and Legal Medicine. 2013. Vol. 20. Issue 2. P. 65-68. https://doi.org/10.1016/jjflm.2012.04.006
  10. Zasada A.A. Corynebacterium diphtheriae infections currently and in the past // Przeglad Epidemiologiczny. 2015. Vol. 69. Issue 3. P. 439-444.
  11. Mattos-Guaraldi A.L., Moreira L.O., Damasco P.V., Hirata R. Diphtheria remains a threat to health in the developing world-an overview // Memorias do Instituto Oswaldo Cruz. 2003. Vol. 98. Issue 8. P. 987-993. https://doi.org/10.1590/s0074-02762003000800001
  12. Zasada A.A. Nontoxigenic highly pathogenic clone of Corynebacterium diphtheriae, Poland, 2004-2012 // Emerging Infectious Diseases. 2013. Vol. 19. Issue 11. P. 1870-1872. https://doi.org/10.3201/eid1911.130297
  13. Kolodkina V., Titov L., Sharapa T., Grimont F., Grimont P.A.D., Efstratiou A. Molecular epidemiology of C. diphtheriae strains during different phases of the diphtheria epidemic in Belarus // BMC Infectious Diseases. 2006. Vol. 6. P. 129-137. https://doi.org/10.1186/1471-2334-6-129
  14. Sharma N.C., Efstratiou A., Mokrousov I., Mutreja A., Das B., Ramamurthy T. Diphtheria // Nature Reviews Disease Primers. 2019. Vol. 5. Issue 1. P. 81. https://doi.org/10.1038/s41572-019-0131-y
  15. Paveenkittiporn W., Sripakdee S., Koobkratok O., Sangkitporn S., Kerdsin A. Molecular epidemiology and antimicrobial susceptibility of outbreak-associated Corynebacterium diphtheriae in Thailand, 2012 // Infection, Genetics and Evolution. 2019. Vol. 75. P. 104007. https://doi.org/10.1016/j.meegid.2019.104007
  16. Kneen R., Pham N.G., Solomon T., Tran T.M., Nguyen T.T., Tran B.L., et al. Penicillin vs. erythromycin in the treatment of diphtheria // Clinical Infectious Diseases. 1998. Vol. 27. Issue 4. P. 845850. https://doi.org/10.1086/514959
  17. Pereira G.A., Pimenta F.P., Wink dos Santos F.R., Damasco P.V., Hirata R., Mattos-Guaraldi A.L. Antimicrobial resistance among Brazilian Corynebacterium diphtheriae strains // Memorias do Instituto Oswaldo Cruz. 2008. Vol. 103. Issue 5. P. 507-510. https://doi.org/10.1590/s0074-02762008000500019
  18. Husada D., Soegianto S.D.P., Kurniawati I.S., Hendrata A.P., Irawan E., Kartina L., et al. First-line antibiotic susceptibility pattern of toxigenic Corynebacterium diphtheriae in Indonesia // BMC Infectious Diseases. 2019. Vol. 19. Issue 1. P. 1049. https://doi.org/10.1186/s12879-019-4675-y
  19. Hennart M., Panunzi L.G., Rodrigues C., Gaday Qu., Baines S.L., Barros-Pinkelnig M., et al. Population genomics and antimicrobial resistance in Corynebacterium diphtheria // Genome Medicine. 2020. Vol. 12. Issue 1. P. 107. https://doi.org/10.1186/s13073-020-00805-7

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML


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».