epidemiologyЭпидемиология и ВакцинопрофилактикаEpidemiology and Vaccinal Prevention2073-30462619-0494«Numicom» LLC10.31631/2073-3046-2022-21-5-49-57epidemiology-1674Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИORIGINAL ARTICLESАнализ особенностей геномной организации штаммов чумного микроба, пригодных для создания новой аттенуированной вакциныAnalysis of the Features of the Genomic Organization of Plague Microbe Strains Suitable for the Creation of a New Attenuated Vaccinehttps://orcid.org/0000-0001-6563-9938ГригорьевыхА. В.GrigorievykhA. V.

Алексей Викторович Григорьевых – младший научный сотрудник отдела микробиологии чумы

Иркутск

Alexey V. Grigorievykh – junior researcher of department of plague microbiology

Irkutsk

grigorievykh-av@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3053-6514БочалгинН. О.BochalginN. O.

Никита Олегович Бочалгин – врач-бактериолог лаборатории холеры

Иркутск

Nikita O. Bochalgin – bacteriologist of the cholera laboratory

Irkutsk

sublica@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0959-4987ВитязеваС. А.VityazevaS. A.

Светлана Александровна Витязева – кандидат медицинских наук, заведующая отдела микробиологии чумы

Иркутск

Svetlana A. Vityazeva – Cand. Sci. (Med.), chief of department of plague microbiology

Irkutsk

adm@chumin.irkutsk.ruПещероваР. И.PescherovaR. I.

Иркутск

Irkutsk

https://orcid.org/0000-0002-0340-8584МухтургинГ. Б.MukhturginG. B.

Геннадий Борисович Мухтургин  – врач-бактериолог лаборатории экспериментальных животных

Иркутск

Gennadiy B. Mukhturgin  – bacteriologist, laboratory of  experimental animals

Irkutsk

adm@chumin.irkutsk.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8561-6207ДубровинаВ. И.DubrovinaV. I.

Валентина Ивановна Дубровина – доктор биологических наук, заведующая лабораторией патофизиологии

664047, г. Иркутск, ул. Трилиссера, 78

ScopusID 6603504416

Valentina I. Dubrovina – Dr. Sci. (Biol.), Head of the Pathophysiological Laboratory

78, Trilissera St., Irkutsk, 664047

dubrovinavalya@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8481-6442МироноваЛ. В.MironovaL. V.

Лилия Валерьевна Миронова  – доктор медицинских наук, заместитель директора по  лабораторно-диагностической работе

Иркутск

Liliya V. Mironova – Dr. Sci. (Med.), chief of the cholera laboratory

Irkutsk

mironova-lv@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4201-5828БалахоновС. В.BalakhonovS. V.

Сергей Владимирович Балахонов  – доктор медицинских наук, профессор, директор

Иркутск

ScopusID 6602291694.

Sergey V. Balakhonov – Dr. Sci. (Med.), Professor, Director

Irkutsk

balakhonov.irk@mail.ruФКУЗ «Иркутский научно-исследовательский противочумный институт» РоспотребнадзораРоссияIrkutsk Antiplague Research Institute of RospotrebnadzorRussian Federation2022191120222154957Copyright © Григорьевых А.В., Бочалгин Н.О., Витязева С.А., Пещерова Р.И., Мухтургин Г.Б., Дубровина В.И., Миронова Л.В., Балахонов С.В., 20222022Григорьевых А.В., Бочалгин Н.О., Витязева С.А., Пещерова Р.И., Мухтургин Г.Б., Дубровина В.И., Миронова Л.В., Балахонов С.В.Grigorievykh A.V., Bochalgin N.O., Vityazeva S.A., Pescherova R.I., Mukhturgin G.B., Dubrovina V.I., Mironova L.V., Balakhonov S.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.epidemvac.ru/jour/article/view/1674Актуальность

Актуальность. На сегодняшний день специфическая профилактика чумы остается наиболее эффективной мерой по предупреждению ухудшения эпидемиологической ситуации по этой особо опасной инфекции на территории Российской Федерации. Разработка новых вакцинных препаратов, созданных на основе авирулентных штаммов Yersinia pestis со специфическими генетическими дефектами, может играть решающую роль в вопросах иммунопрофилактики чумы.

Цель

Цель. Определение и сравнительный анализ геномной организации авирулентных штаммов Y. pestis И-1, Y. pestis И-3536 и вакцинного штамма Y. pestis EV линии НИИЭГ.

Материалы и методы

Материалы и методы. Особенности генетической структуры трёх штаммов Y. pestis были изучены по данным плазмидного скрининга и полногеномного секвенирования.

Результаты и обсуждение

Результаты и обсуждение. Установлено, что штаммы Y. pestis И-1 и Y. pestis И-3536, подобно Y. pestis EV, лишены хромосомной pgm-области. Анализ последовательности Y. pestis И-1 показал, что данный штамм лишён плазмиды рМТ1, при этом отдельные её гены были найдены в структуре хромосомы и уникальной плазмиды размером 340 кб. Выявлено, что штамм Y. pestis И-3536 утратил плазмиду pCD1, однако гомологичные данной плазмиде фрагменты были обнаружены в структуре его генома.

Вывод

Вывод. Полученные данные позволяют рекомендовать Y. pestis И-1 и Y. pestis И-3536 в качестве основы для разработки современной живой аттенуированной вакцины против чумы.

Relevance

Relevance. To date, the specific prevention of plague remains the most effective measure to prevent to prevent the deterioration of the epidemiological situation for this especially dangerous infection in the territory of the Russian Federation. The development of new vaccine preparations created on the basis of avirulent strains of Yersinia pestis with specific genetic defects, can play a crucial importance in the issues of plague immunoprophylaxis.

Aim

Aim. Determination and comparative analysis of the genomic organization of avirulent strains Y. pestis I-1, Y. pestis I-3536 and vaccine strain Y. pestis EV line NIIEG.

Materials and methods

Materials and methods. The features of the genetic structure of three Y. pestis strains were studied using plasmid screening and whole genome sequencing.

Results and discussion

Results and discussion. It was found that the Y. pestis I-1 and Y. pestis I-3536 strains, like Y. pestis EV, lack the chromosomal pgm region. Analysis the genome sequence of Y. pestis I-1 showed that this strain is devoid of the plasmid pMT1, while its individual genes were found in the chromosome structure and the unique 340 kb plasmid. It was revealed that the Y. pestis strain I-3536 lost the plasmid pCD1, however, fragments homologous to this plasmid were found in the structure of its genome.

Conclusion

Conclusion. The data obtained allow us to recommend Y. pestis I-1 and Y. pestis I-3536 as the basis for the development of a modern live attenuated plague vaccine.

Yersinia pestisвакцинный штаммживая аттенуированная вакцинаплазмидный анализполногеномное секвенированиечумаYersinia pestisvaccine strainlive attenuated vaccineanalysis of plasmidswhole genome sequencingplagueReferencesБугоркова С. А., Девдариани З. Л., Щуковская Т. Н., Кутырев В. В. Исторические и современные представления о проблеме специфической профилактики чумы. Проблемы особо опасных инфекций. 2013;(3):63–9.Bugorkova S.A., Devdariani Z.L., Shchukovskaya T.N., Kutyrev V.V. Historical and Modern Views on the Problem of Specific Plague Prophylaxis. Problems of Particularly Dangerous Infections. 2013;(3):63–9 (In Russ.).Микшис Н. И., Кутырев В. В. Современное состояние проблемы разработки вакцин для специфической профилактики чумы. Проблемы особо опасных инфекций. 2019;(1):50–63.Mikshis N.I., Kutyrev V.V. Current State of the Problem of Vaccine Development for Specific Prophylaxis of Plague. Problems of Particularly Dangerous Infections. 2019;(1):50– 63 (In Russ.).Вакцина чумная молекулярная микроинкапсулированная (ВЧММ). Бактериология. 2018;3(1):74–5.Molecular micro-encapsulated plague vaccine (MMPV). Bakteriologiya. 2018;3(1):74–5(In Russ.).Кутырев В. В., Ерошенко Г. А., Куклева Л. М. и др. Сравнительная генетическая характеристика вакцинного штамма Yersinia pestis EV и его предполагаемых «вирулентных производных». Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2009;(3):50–6.Kutyrev V.V., Eroshenko G.A., Kukleva L.M., et al. Comparative genetic characteristics of the vaccine strain Yersinia pestis EV and its proposed «virulent derivates». Journal of Microbiology, Epidemiology and Immunobiology. 2009;(3):50–6(In Russ.).Perry R.D., Bobrov A.G., Fetherston J.D. The role of transition metal transporters for iron, zinc, manganese, and copper in the pathogenesis of Yersinia pestis. Metallomics. 2015;7(6): 965–78.Perry R.D., Bobrov A.G., Fetherston J.D. The role of transition metal transporters for iron, zinc, manganese, and copper in the pathogenesis of Yersinia pestis. Metallomics. 2015;7(6): 965–78.Бывалов А. А., Кутырев В. В. Современное состояние проблемы совершенствования средств вакцинопрофилактики чумы. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2011;(2):97–104.Byvalov A.A., Kutyrev V.V. Current state of the problem of improving the tools for plague vaccine prophylaxis. Journal of Microbiology, Epidemiology and Immunobiology. 2011;(2):97–104 (In Russ.).Meyer K. F., Smith G., Foster L., Brookman M., Sung M. Live, Attenuated Yersinia pestis Vaccine: Virulent in Nonhuman Primates, Harmless to Guinea Pigs. The Journal of Infectious Diseases. 1974;29(1):85–120.Meyer K. F., Smith G., Foster L., Brookman M., Sung M. Live, Attenuated Yersinia pestis Vaccine: Virulent in Nonhuman Primates, Harmless to Guinea Pigs. The Journal of Infectious Diseases. 1974;29(1):85–120.Meyer K.F. Effectiveness of live or killed plague vaccines in man. Bull. World Health Organ. 1970;42(5):653–6.Meyer K.F. Effectiveness of live or killed plague vaccines in man. Bull. World Health Organ. 1970;42(5):653–6.WHO Target Product Profile for Plague Vaccines. [Internet]. 2018 [Cited 07 Aug 2018]. Доступно на: http://www.who.int/blueprint/what/norms-standards/Plague_vaccines_workshop-23-april-2018/en/.WHO Target Product Profile for Plague Vaccines. [Internet]. 2018 [Cited 07 Aug 2018]. Доступно на: http://www.who.int/blueprint/what/norms-standards/Plague_vaccines_workshop-23-april-2018/en/.Mellado-Sanchez G., Ramirez K., Drachenberg C.B., et al. Characterization of systemic and pneumonic murine models of plague infection using a conditionally virulent strain. Comp Immunol Microbiol Infect Dis. 2013;36(2):113–28.Mellado-Sanchez G., Ramirez K., Drachenberg C.B., et al. Characterization of systemic and pneumonic murine models of plague infection using a conditionally virulent strain. Comp Immunol Microbiol Infect Dis. 2013;36(2):113–28.Centers for Disease Control and Prevention (CDC). Fatal laboratory-acquired infection with an attenuated Yersinia pestis Strain--Chicago, Illinois, 2009. MMWR Morb Mortal Wkly Rep. 2011;60(7):201–5.Centers for Disease Control and Prevention (CDC). Fatal laboratory-acquired infection with an attenuated Yersinia pestis Strain--Chicago, Illinois, 2009. MMWR Morb Mortal Wkly Rep. 2011;60(7):201–5.Quenee L.E., Hermanas T.M., Ciletti N., et al. Hereditary hemochromatosis restores the virulence of plague vaccine strains. J Infect Dis. 2012;206(7):1050–8.Quenee L.E., Hermanas T.M., Ciletti N., et al. Hereditary hemochromatosis restores the virulence of plague vaccine strains. J Infect Dis. 2012;206(7):1050–8.Li B., Du C., Zhou L., Bi Y., Wang X., et al. Humoral and cellular immune responses to Yersinia pestis infection in long-term recovered plague patients. Clin Vaccine Immunol. 2012;19(2):228–34.Li B., Du C., Zhou L., Bi Y., Wang X., et al. Humoral and cellular immune responses to Yersinia pestis infection in long-term recovered plague patients. Clin Vaccine Immunol. 2012;19(2):228–34.Davis K.J., Fritz D.L., Pitt M.L., et al. Pathology of experimental pneumonic plague produced by fraction 1-positive and fraction 1-negative Yersinia pestis in African green monkeys (Cercopithecus aethiops). Arch Pathol Lab Med. 1996;120(2):156–63.Davis K.J., Fritz D.L., Pitt M.L., et al. Pathology of experimental pneumonic plague produced by fraction 1-positive and fraction 1-negative Yersinia pestis in African green monkeys (Cercopithecus aethiops). Arch Pathol Lab Med. 1996;120(2):156–63.Hu J., Jiao L., Hu Y., et al. One year immunogenicity and safety of subunit plague vaccine in Chinese healthy adults: An extended open-label study. Hum Vaccin Immunother. 2018;14(11): 2701–2705.Hu J., Jiao L., Hu Y., et al. One year immunogenicity and safety of subunit plague vaccine in Chinese healthy adults: An extended open-label study. Hum Vaccin Immunother. 2018;14(11): 2701–2705.Jones S.M., Day F., Stagg A.J., Williamson E.D. Protection conferred by a fully recombinant sub-unit vaccine against Yersinia pestis in male and female mice of four inbred strains. Vaccine. 2000;19(2–3):358–66.Jones S.M., Day F., Stagg A.J., Williamson E.D. Protection conferred by a fully recombinant sub-unit vaccine against Yersinia pestis in male and female mice of four inbred strains. Vaccine. 2000;19(2–3):358–66.Qi Z., Zhou L., Zhang Q, et al. Comparison of mouse, guinea pig and rabbit models for evaluation of plague subunit vaccine F1+rV270. Vaccine. 2010;28(6):1655–60.Qi Z., Zhou L., Zhang Q, et al. Comparison of mouse, guinea pig and rabbit models for evaluation of plague subunit vaccine F1+rV270. Vaccine. 2010;28(6):1655–60.Qiu Y., Liu Y., Qi Z., et al. Comparison of immunological responses of plague vaccines F1+rV270 and EV76 in Chinese-origin rhesus macaque, Macaca mulatta. Scand J Immunol. 2010; 72(5): 425–33.Qiu Y., Liu Y., Qi Z., et al. Comparison of immunological responses of plague vaccines F1+rV270 and EV76 in Chinese-origin rhesus macaque, Macaca mulatta. Scand J Immunol. 2010; 72(5): 425–33.Pitt M.L.M. Non-human primates as a model for pneumonic plague. Gaithersburg, MD: Animal Models and Correlates of Protection for Plague Vaccines Workshop; 2004.Pitt M.L.M. Non-human primates as a model for pneumonic plague. Gaithersburg, MD: Animal Models and Correlates of Protection for Plague Vaccines Workshop; 2004.Philipovskiy A.V., Smiley S.T. Vaccination with live Yersinia pestis primes CD4 and CD8 T cells that synergistically protect against lethal pulmonary Y. pestis infection. Infect Immun. 2007;75(2):878–85.Philipovskiy A.V., Smiley S.T. Vaccination with live Yersinia pestis primes CD4 and CD8 T cells that synergistically protect against lethal pulmonary Y. pestis infection. Infect Immun. 2007;75(2):878–85.Cote C.K., Biryukov S.S., Klimko C.P., et al. Protection Elicited by Attenuated Live Yersinia pestis Vaccine Strains against Lethal Infection with Virulent Y. pestis. Vaccines (Basel). 2021;9(161):1–25.Cote C.K., Biryukov S.S., Klimko C.P., et al. Protection Elicited by Attenuated Live Yersinia pestis Vaccine Strains against Lethal Infection with Virulent Y. pestis. Vaccines (Basel). 2021;9(161):1–25.Directive 2010/63/EU of the European Parliament and of the Council. Official Journal of the European Union. 2010;276(53):33–79.Directive 2010/63/EU of the European Parliament and of the Council. Official Journal of the European Union. 2010;276(53):33–79.Kieser T. Factors affecting the isolation of CCC DNA from Streptomyces lividans and Escherichia coli. Plasmid. 1984;12(1):19–36.Kieser T. Factors affecting the isolation of CCC DNA from Streptomyces lividans and Escherichia coli. Plasmid. 1984;12(1):19–36.Витязева С. А., Балахонов С. В., Пещерова Р. И., Шестопалов М. Ю. Методические рекомендации по определению плазмидного состава патогенных штаммов бактерий семейства Enterobacteriaceae. Иркутск; 2018;12.Vityazeva S.A., Balakhonov S.V., Pescherova R.I., Shestopalov M.Yu. Guidelines for determining the plasmid composition of pathogenic strains of bacteria of the Enterobacteriaceae family. Irkutsk; 2018;12 (In Russ.).Bolger A.M., Lohse M., Usadel B. Trimmomatic: a flexible trimmer for Illumina sequence data. Bioinformatics. 2014;30(15):2114–20.Bolger A.M., Lohse M., Usadel B. Trimmomatic: a flexible trimmer for Illumina sequence data. Bioinformatics. 2014;30(15):2114–20.Antipov D., Korobeynikov A., McLean J.S., Pevzner P.A. HybridSPAdes: an algorithm for hybrid assembly of short and long reads. Bioinformatics. 2016;32(7):1009–15.Antipov D., Korobeynikov A., McLean J.S., Pevzner P.A. HybridSPAdes: an algorithm for hybrid assembly of short and long reads. Bioinformatics. 2016;32(7):1009–15.Seemann T. Prokka: rapid prokaryotic genome annotation. Bioinformatics. 2014;30(14):2068–9.Seemann T. Prokka: rapid prokaryotic genome annotation. Bioinformatics. 2014;30(14):2068–9.Page A.J., Cummins C.A., Hunt M., et al. Roary: rapid large-scale prokaryote pan genome analysis. Bioinformatics. 2015; 31(22):3691–3.Page A.J., Cummins C.A., Hunt M., et al. Roary: rapid large-scale prokaryote pan genome analysis. Bioinformatics. 2015; 31(22):3691–3.Darling A.C., Mau B., Blattner F.R., Perna N.T. Mauve: multiple alignment of conserved genomic sequence with rearrangements. Genome Res. 2004;14(7):1394–403.Darling A.C., Mau B., Blattner F.R., Perna N.T. Mauve: multiple alignment of conserved genomic sequence with rearrangements. Genome Res. 2004;14(7):1394–403.Medema M.H., Blin K., Cimermancic P., et al. AntiSMASH: rapid identification, annotation and analysis of secondary metabolite biosynthesis gene clusters in bacterial and fungal genome sequences. Nucleic Acids Res. 2011;39:W339–46.Medema M.H., Blin K., Cimermancic P., et al. AntiSMASH: rapid identification, annotation and analysis of secondary metabolite biosynthesis gene clusters in bacterial and fungal genome sequences. Nucleic Acids Res. 2011;39:W339–46.Cui Y., Yang X., Xiao X., et al. Genetic variations of live attenuated plague vaccine strains (Yersinia pestis EV76 lineage) during laboratory passages in different countries. Infect Genet Evol. 2014;26:172–9.Cui Y., Yang X., Xiao X., Anisimov A.P., Li D., Yan Y., et al. Genetic variations of live attenuated plague vaccine strains (Yersinia pestis EV76 lineage) during laboratory passages in different countries. Infect Genet Evol. 2014; 26: 172–9.

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