ЭВОЛЮЦИОННОЕ ЗНАЧЕНИЕ НЕСИНОНИМИЧНЫХ ЗАМЕН В ГЕНОМЕ MYCOBACTERIUM TUBERCULOSIS ГЕНОТИПА URAL

DOI: https://doi.org/None

В.В. Синьков (1,2), кандидат медицинских наук, О.Б. Огарков (1,3), доктор медицинских наук, И.В. Мокроусов (4), доктор биологических наук, С.Н. Жданова (1,5), кандидат медицинских наук 1 -Научный центр проблем здоровья семьи и репродукции человека, Иркутск, Российская Федерация, 664003, Иркутск, ул. Тимирязева, 16; 2 -Иркутский областной клинический консультативно-диагностический центр, Российская Федерация, 664047, Иркутск, ул. Байкальская, 109; 3 -Иркутская государственная медицинская академия последипломного образования Минздрава России, Российская Федерация, 664049, Иркутск, м/р Юбилейный, 100; 4 -НИИЭМ им. Пастера Роспотребнадзора, Санкт-Петербург, Российская Федерация, 197101, Санкт-Петербург; ул. Мира, д. 14; 5 -Иркутский государственный университет, Российская Федерация, 664003, Иркутск, ул. Карла Маркса, 1; E-mail: obogarkov@gmail.com

Введение. На территории России наряду с высоковирулентными штаммами Mycobacterium tuberculosis циркулирует генотип Ural, по всей видимости, менее вирулентный, чем другие. Цель исследования. Провести исследование наиболее значимых синонимичных и несинонимичных нуклеотидных замен в 110 геномах M. tuberculosis генотипа Ural, полученных из BD GMTV и GenBank. Методы. Для синтаксического анализа *.vcf-файлов использованы скрипты, написанные самостоятельно на языках программирования Ruby и Bash. Указанными программами была осуществлена аннотация позиций SNPs, включая имя гена и его описание, принадлежность его к группам COG, PFAM и KEGG, определен характер замены. Сравнительный филогенетический анализ полученных полиморфных локусов был выполнен программой MEGA. Результаты. Всего обнаружено 5183 синонимичных и несинонимичных однонуклеотидных замен (SNPs). Выявлено только 8 уникальных несинонимичных SNPs, характерных для исследуемой генетической группы M. tuberculosis. Эти замены находятся в генах: Rv1901; Rv1966; Rv1967; Rv2345; Rv2485c; Rv2933 и Rv3498c. По синонимичным и несинонимичным заменам проведена филогенетическая реконструкция эволюции генотипа Ural. Филогенетическое древо штаммов генотипа Ural делится на 2 кластера с уровнем бутстреп-поддержки >95%: немногочисленную «древнюю» (Ural-a [a=ancient])- и многочисленную и «молодую/современную» (Ural-m [m=modern])-группы. Штаммы Ural-m более успешны в эпидемическом плане, поскольку представляют собой большую филогенетически компактную группу. Кроме того, штаммам Ural-m значимо чаще присуща множественная лекарственная устойчивость по сравнению с Ural-a (χ2=5,9; p=0,01). Анализ 8 выявленных аминокислотных замен, уникальных для генотипа Ural, свидетельствует о том, что большинство произошедших в геноме основателя мутаций были в генах липидного обмена, что, вероятно, привело к снижению вирулентности. Заключение. Раздельный анализ мутаций, уникальных для групп Ural-a и Ural-m, позволяет предположить, что направление давления естественного отбора в группе Ural-m было направлено на повышение устойчивости к антибиотикам за счет мутаций в регуляторных генах. В обеих группах выявлен набор специфичных мутаций в регуляторных генах, которые могли привести к восстановлению вирулентности по сравнению с гипотетическим основателем родословной.
Ключевые слова: 
M. tuberculosis, генотип Ural, SNP, «персистеры»

Список литературы: 
  1. Огарков О.Б., Медведева Т.В., Zozio T., Погорелов В.И., Некипелов О.М., Гутникова М.Ю., Купцевич Н.Ю., Ушаков И.В., Sola C. Молекулярное типирование штаммов микобактерий туберкулеза в Иркутской области (Восточная Сибирь) в 2000–2005 гг. Молекулярная медицина. 2007; 2: 33–8.[Ogarkov O.B., Medvedeva T.V., Zozio T., Pogorelov V.I., Necipelov O.M.,. Gutnikova M.Yu., Kuptsevich N.Yu., Ushakov I.V., Sola C. Molecular typing of the tuberculosis strains in Irkutsk region (East Siberia) in 2000–2005. Molecular medicine. 2007; 2: 33–8 (in Russian)]
  2. Mokrousov I. The quiet and controversial: Ural family of Mycobacterium tuberculosis. Infect Genet Evol. 2012; 12 (4): 619–29.
  3. Андреевская С.Н., Черноусова Л.Н., Смирнова Т.Г., Ларионова Е.Е., Кузьмин А.В. Влияние генотипа M. tuberculosis на выживаемость мышей при экспериментальном туберкулезе. Проблемы тубуберкулеза и болезней легких. 2007; 7: 45–50.[Andreevskaia SN, Chernousova LN, Smirnova TG, Larionova EE, Kuz’min AV. Impact of M. tuberculosis genotype on survival in mice with experimental tuberculosis. Probl. Tuberk. Bolezn. Legk. 2007; 7: 45–50 (in Russian)]
  4. Ogarkov O., Mokrousov I., Sinkov V., Zhdanova S., Antipina S., Savilov E.. ‘Lethal’ combination of Mycobacterium tuberculosis Beijing genotype and human CD209 -336G allele in Russian male population. Infect. Genet. Evol. 2012; 12: 732–6.
  5. Синьков В.В., Огарков О.Б., Филипенко М.Л., Жданова С.Н., Савилов Е.Д., Кравченко А.Ф. Выявление несинонимичных замен у Mycobacterium tuberculosis генотипа Ural методом полногеномного секвенирвания. Сборник тезисов. VIII всероссийской конференции «Молекулярная диагностика – 2014» Москва: 2014; 2: 291–2.[Sinkov V.V., Ogarkov O.B., Filipenko M.L., Zhdanov S.N., Savilov E.D., Kravchenko A.F. Identification of nonsynonymous substitutions in Mycobacterium tuberculosis genotype Ural by full genome sequencing. Book of abstracts VIII Conference «Molecular Diagnostics – 2014» Moscow: 2014; 2: 291–2 (in Russian)]
  6. Ramage H.R., Connolly L.E., Cox J.S. Comprehensive functional analysis of Mycobacterium tuberculosis toxin-antitoxin systems: implications for pathogenesis, stress responses, and evolution. PLoS Genet. 2009; 5 (12): e1000767
  7. Griffin M.A., Davis J.H., Strobel S.A. Bacterial toxin RelE: a highly efficient ribonuclease with exquisite substrate specificity using atypical catalytic residues. Biochemistry. 2013; 52 (48): 8633–42.
  8. Miallau L., Jain P, Arbing M.A., Cascio D., Phan T., Ahn C.J., Chan S., Chernishof I., Maxson M., Chiang J., Jacobs W.R., Eisenberg D.S. Comparative proteomics identifies the cell-associated lethality of M. tuberculosis RelBE-like toxin-antitoxin complexes. Structure. 2013; 21 (4): 627–37.
  9. Chernyaeva E.N., Shulgina M.V., Rotkevich M.S. et al. Genome-wide Mycobacterium tuberculosis variation (GMTV) database: a new tool for integrating sequence variations and epidemiology. BMC Genomics. 2014; 15 (1): 308.
  10. Langmead B., Trapnell C., Pop M., Salzberg S.L.. Ultrafast and memory-efficient alignment of short DNA sequences to the human genome. Genome Biol. 2009; 10: R25.
  11. Li H., Handsaker B., Wysoker A., Fennell T., Ruan J., Homer N., Marth G., Abecasis G., Durbin R. The Sequence Alignment/Map format and SAMtools. Bioinformatics. 2009; 25 (16): 2078–9.
  12. Cingolani P., Platts A., Wang L., Coon M., Nguyen T., Land S.J., Lu X., Ruden D.M. A program for annotating and predicting the effects of single nucleotide polymorphisms, SnpEff: SNPs in the genome of Drosophila melanogaster strain w1118; iso-2; iso-3. Fly (Austin) – 2012; 6 (2): 80–92.
  13. Tang H., Wyckoff G.J., Lu J., Wu C.I. A universal evolutionary index for amino acid changes. Mol. Biol. Evol. 2004; 8: 1548–56.
  14. Gioffré A., Infante E., Aguilar D. Mutation in mce operons attenuates Mycobacterium tuberculosis virulence. Microbes Infect. 2003; 7 (3): 325–34.
  15. Shimono N., Morici L., Casali N., Cantrell S., Sidders B., Ehrt S., Riley L.W.. Hypervirulent mutant of Mycobacterium tuberculosis resulting from disruption of the mce1 operon. Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 2003; 100 (26); 15918–23.
  16. Clark L.C., Seipke R.F., Prieto P., Willemse J., van Wezel G.P., Hutchings M.I., Hoskisson P.A. Mammalian cell entry genes in Streptomyces may provide clues to the evolution of bacterial virulence. Sci Rep. 2013; 3: 1109, doi: 10.1038/srep01109.
  17. Bisson G.P., Mehaffy C., Broeckling C., Prenni J., Rifat D., Lun D.S., Burgos M., Weissman D., Karakousis P.C., Dobos K. Upregulation of the phthiocerol dimycocerosate biosynthetic pathway by rifampin-resistant, rpoB mutant Mycobacterium tuberculosis. J. Bacteriol. 2012; 194 (23): 6441–52.
  18. Singh G., Arya S., Kaur M., Kaur J. Rv2485c, a Putative Lipase of M. tuberculosis: Expression, Purification and Biochemical Characterization. International journal of tropical disease & health. 2014; (4) 1: 1–17
  19. Еремеева Н.И., М.А. Кравченко, К.В. Бобровская, Т.В. Умпелева, Канищев В.В. Биологические свойства культур M. tuberculosis, выделенных с поверхностей предметов противотуберкулезного стационара. Сборник тезисов II конгресса национальной ассоциации фтизиатров. С-Петербург. 2013; 67–8.[Eremeeva N.I., Kravchenko M.A., Bobrovskaya T.V., Umpeleva T.V., Kanischev V.V. Biological properties of M. tuberculosis strains isolated from the surfaces of objects in tuberculosis hospital. Book of abstracts II Congress of the National Association phthisiologists. St. Petersburg. 2013; 67–8 (in Russian)]
  20. Kovalev S.Y., Kamaev E.Y., Kravchenko M.A., Kurepina N.E., Skorniakov S.N. Genetic analysis of Mycobacterium tuberculosis strains isolated in Ural region, Russian Federation, by MIRU-VNTR genotyping. Int. J. Tuberc Lung Dis. 2005; 9 (7): 746–52.
  21. Еремеева Н.И., Канищев В.В., Кравченко М.А., Вахрушева Д.В., Умпелева Т.В. Экспериментальная оценка устойчивости лекарственно-чувствительных культур M. tuberculosis разных генетических кластеров к воздействию дезинфицирующих средств на основе катионных поверхностно-активных веществ. Медицинский академический журнал. 2012; (12): 316–8.[Eremeeva N.I., Kanischev V.V., Kravchenko M.A., Vahrusheva D.V., Umpeleva T.V. Experimental evaluation of the stability of drug-sensitive strains of M. tuberculosis different genetic clusters to disinfectants based on cationic surfactants. Medical academic J. 2012; (12): 316–8 (in Russian)]
  22. Parish T., Smith D.A., Kendall S., Casali N., Bancroft G.J., Stoker N.G. Deletion of two-component regulatory systems increases the virulence of Mycobacterium tuberculosis. Infect Immun. 2003; 71 (3): 1134–40.
  23. Singh R., Barry C.E., Boshoff H.I. The three RelE homologs of Mycobacterium tuberculosis have individual, drug-specific effects on bacterial antibiotic tolerance. J. Bacteriol. 2010; 192 (5): 1279–91.