Молекулярно-эпидемиологический скрининг генома штамма Coxiella burnetii NL3262 (Netherlands, 2009) методом формального анализа строя

Актуальность. Во время массовой вспышки Q лихорадки  в Нидерландах  в 2007–2010  гг. было зарегистрировано  более 4000 случаев острой формы заболевания  человека.  Штамм Coxiella burnetii NL3262  был выделен  во время этой вспышки из абортированной плаценты козы и наиболее полно изучен с помощью комплекса молекулярно-биологических и биоинформационных методов.  Цель.  Апробация нового биоинформационного подхода – формального  анализа  строя – для изучения происхождения штаммов, вызвавших массовую вспышку Q лихорадки в Нидерландах на примере штамма C. burnetii NL3262. Материалы и методы. В данной работе новые инструменты формального анализа строя (FOA) «Карта генов» и «Матрица сходства», доступные по адресу http://foarlab.org, были применены для изучения степени сходства генома (хромосомы, плазмиды) штамма NL3262  с геномами других штаммов C. burnetii. Нуклеотидные последовательности хромосом 10 штаммов C. burnetii и 8 плазмид были загружены из GenBank: www.ncbi.nlm.nih.gov/genome. Результаты. Данные, полученные с помощью карты генов, показали, что хромосома штамма NL3262 по показателю характеристики средней удалённости нуклеотидов в хромосоме (g) 1,449640 значительно дистанцировалась от хромосом других штаммов, расположившихся в диапазоне от 1,448295 (Dugway 5J108-111) до 1,448865 (CbRSA331). Это может быть обусловлено присутствием в ней 106 копий гена «транспозазы семейства IS110», связанного с ростом вирулентности, в то время как в хромосомах других штаммов их число было меньше (в пределах от 1 до 48). Данные из матрицы сходства показали,  что 84,9% компонентов хромосомы C. burnetii штамма NL3262  имели полную (100%-ую) гомологию с компонентами хромосомы штамма Z3055. Для хромосом других штаммов процент варьировал от 12,06 до 47,14. Плазмиды типа pQpH1 штаммов NL3262  и RSA 331 содержали  50,0% компонентов с полной гомологией, для этого же типа плазмид штамма RSA 493 и его клонов показатель составил от 28,89 до 29,89%, для плазмид других типов – от 5,56 до 6,74%. Показано, что хромосомы штаммов NL3262 и Z3055 имеют наибольший процент компонентов с полной гомологией. Однако по показателю  g хромосомы эти штаммы значительно удалены друг от друга, в связи с большим количеством копий IS110 в хромосоме штамма NL3262,  вызвавших формирование 21 коллинеарного  блока. Это привело к изменению свойств штаммов, вызвавших вспышку Q лихорадки в Нидерландах,  и росту их эпидемической значимости, вылившейся в самую масштабную вспышку за всю историю изучения этой инфекции. Заключение. Результаты исследований, полученные на основании применения формального анализа строя, позволили сделать предположение о происхождении штаммов, вызвавших вспышку Q лихорадки в Нидерландах в 2007–2010  гг. Показано, что ведущим мотивом в реорганизации генома C. burnetii является адаптация микроорганизма к новой экологической нише.

1. Maurin M., Raoult D. Q fever // Clin Microbiol Rev. 1999. N12. P. 518–553.

2. Дайтер А.Б. Эпидемиологические аспекты болезней с природной очаговостью. Л.; 1986.

3. Tissot-Dupont H., Raoult D. Q Fever // Infect Dis Clin N Am. 2008. N22. P. 505–514.

4. Arricau Bouvery N., Souriau A., Lechopier P., et al. Experimental Coxiella burnetii infection in pregnant goats: excretion routes // Vet Res. 2003. N 3. P. 423–433.

5. Roest H.-J., van Gelderen B., Dinkla A., et al. Q Fever in pregnant goats: pathogenesis and excretion of Coxiella burnetii // PLoS ONE. 2012. N7. P. e48949.

6. Raoult D., Etienne J., Massip P., et al. Q fever endocarditis in the south of France. J Infect Dis. 1987. N 155. P. 570–573.

7. Raoult D., Marrie T., Mege J. Natural history and pathophysiology of Q fever // Lancet Infect Dis. 2005. Vol. 5, N 4. P. 219–226.

8. Parker N.R., Barralet J.H., Bell A.M. Q fever // Lancet. 2006. Vol. 367, N 9511. P. 679–688.

9. Hoover T.A., Culp D.W., Vodkin M.H. et al. Chromosomal DNA deletions explain phenotypic characteristics of two antigenic variants, phase II and RSA 514 (crazy), of the Coxiella burnetii nine mile strain // Infect. Immun. 2002. N70. P. 6726–6733.

10. Denison A.M., Massung R.F., Thompson H.A. Analysis of the O-antigen biosynthesis regions of phase II isolates of Coxiella burnetii // FEMS Microbiol. Lett. 2007. N 267. P.102–107.

11. Kuley R., Smith H.E., Frangoulidis D., et al. Cell-Free Propagation of Coxiella burnetii does not affect its relative virulence // PLoS ONE. 2015. N10. P. 121661.

12. Kuley R., Smith H.E., Janse I., et al. First Complete Genome Sequence of the Dutch Veterinary Coxiella burnetii Strain NL3262, Originating from the Largest Global Q Fever Outbreak, and Draft Genome Sequence of Its Epidemiologically Linked Chronic Human Isolate NLhu3345937 // Genome Announc. 2016. Vol.4, N2. P. e00245-16.

13. Ladbury G.A., Van Leuken J.P., Swart A., et al. Integrating interdisciplinary methodologies for One Health: goat farm re-implicated as the probable source of an urban Q fever outbreak, the Netherlands, 2009 // BMC Infect Dis. 2015. N 15. P. 372.

14. D’Amato F., Rouli L., Edouard S., et al. The genome of Coxiella burnetii Z3055, a clone linked to the Netherlands Q fever outbreaks, provides evidence for the role of drift in the emergence of epidemic clones // Comp Immunol Microbiol Infect Dis. 2014. Vol. 37, N 5–6. P. 281–288.

15. Roest H.I., Ruuls R.C., Tilburg J.J., et al. Molecular epidemiology of Coxiella burnetii from ruminants in Q fever outbreak, the Netherlands // Emerg Infect Dis. 2011. N 17. P. 668–675.

16. Kuley R., Kuijt E., Smits M.A., et al.. Genome Plasticity and Polymorphisms in Critical Genes Correlate with Increased Virulence of Dutch Outbreak-Related Coxiella burnetii Strains // Front Microbiol. 2017. N 8. P. 1526.

17. Seshadri R., Paulsen I.T., Eisen J.A., et al. Complete genome sequence of the Q-fever pathogen Coxiella burnetii // Proc Natl Acad Sci. 2003. N100. P.5455–5460.

18. Tilburg J.J., Roest H.J., Buffet S., et al. Epidemic Genotype of Coxiella burnetii among Goats, Sheep, and Humans in the Netherlands // Emerg Infect Dis. 2012. N18. P. 887–889.

19. Mori M., Boarbi S., Michel P., et al. In vitro and in vivo infectious potential of Coxiella burnetii: a study on Belgian livestock isolates // PLoS ONE. 2013. N8. P. e67622.

20. Гуменюк А.С., Поздниченко Н.Н., Родионов И.Н., и др. О средствах формального анализа строя нуклеотидных цепей // Математическая биология и биоинформатика. 2013. Т. 8, № 1. С. 373–397.

21. Shpynov S, Pozdnichenko N, Gumenuk A. Approach for classification and taxonomy within family Rickettsiaceae based on the Formal Order Analysis // Microbes Infect. 2015. Vol.17, N 11–12. P. 839 – 844.

22. Гуменюк А.С., Поздниченко Н.Н., Скиба А.А., Шпынов С.Н. Программа ЭВМ «Карта генов». Свидетельство о Государственной регистрации программы ЭВМ в Реестре программ ЭВМ № 2017616730 от 13.06.2017.

23. Гуменюк А.С., Поздниченко Н.Н., Скиба А.А., Шпынов С.Н. Программа ЭВМ «Матрица сходства нуклеотидных последовательностей по их компонентам». Свидетельство о Государственной регистрации программы ЭВМ в Реестре программ ЭВМ № 2017616679 от 09.06.2017.

24. Gumenyuk A., Kostyshin A., Simonova S. An approach to the research of the structure of linguistic and musical texts // Glottometrics. 2002. N3. P. 61–69.

25. Afreixo V., Bastos C.A., Pinho A.J., et al. Genome analysis with inter-nucleotide distances // Bioinformatics. 2009. Vol. 25, N 23. P. 3064–3070.

26. Achuth S., Achuthsankar S. Nair, Mahalakshmi T. Visualization of genomic data using inter-nucleotide distance signals. Proceedings of IEEE Genomic Signal Processing. Romania: Bucharest; 2005.

27. Hall B.G. Is the occurrence of some spontaneous mutations directed by environmental challenges? // New Biol. 1991. N 3. P. 729–733.

28. Beare P.A., Unsworth N., Andoh M., et al. Comparative genomics reveal extensive transposon-mediated genomic plasticity and diversity among potential effector proteins within the genus Coxiella // Infect Immun. 2009. N 77. P. 642–656.

29. Pallen M.J., Wren B.W. Bacterial pathogenomics // Nature. 2007. N 449. P. 835–842.

30. Millar J.A., Beare P.A., Moses A.S., et al. Whole-Genome Sequence of Coxiella burnetii Nine Mile RSA439 (Phase II, Clone 4), a Laboratory Workhorse Strain // Genome Announc. 2017. Vol. 5, N 23. P: e00471–17.

31. Toman R., Škultéty L., Ftácˇek P., et al. NMR study of virenose and dihydrohydroxystreptose isolated from Coxiella burnetii phase I lipopolysaccharide // Carbohydr. Res. 1998. N306. P. 291–296.

32. Enserink M. Questions abound in Q-Fever explosion in the Netherlands // Science. 2010. N327. P. 266–267.

33. van der Hoek W., Dijkstra F., Schimmer B., et al. Q fever in the Netherlands: an update on the epidemiology and control measures // Euro. Surveill. 2010. N. 15. P. 19520.