Bulletin of KSAU

Вестник КрасГАУ

1819-4036

84299

10.36718/1819-4036-2024-4-53-60

cgzekt

Зоотехния и ветеринария

Animal breeding and veterinary surgery

Зоотехния и ветеринария

BRUCELLA STRAINS DIFFERENTIATION BASED ON VNTR LOCI VARIABILITY ANALYSIS

ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ ШТАММОВ БРУЦЕЛЛ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ВАРИАБЕЛЬНОСТИ VNTR-ЛОКУСОВ

Анисимова

Елизавета Алексеевна

Anisimova

Elizaveta Alekseevna

Додонова

Екатерина Алексеевна

Dodonova

Ekaterina Alekseevna

Миргазов

Динис Анатольевич

Mirgazov

Dinis Anatol'evich

Зайнуллин

Ленар Ильгизарович

Zaynullin

Lenar Il'gizarovich

Осянин

Константин Анатольевич

Osyanin

Konstantin Anatol'evich

Федеральный центр токсикологической, радиационной и биологической безопасности Казань Россия Federal Center for Toxicological, Radiation and Biological Safety Kazan Russian Federation

04 07 2024

4 53 60 20 06 2024

https://kgau.editorum.ru/en/nauka/article/84299/view

Цель исследования – оценка эффективности применения разработанного протокола проведения MLVA для дифференциации штаммов возбудителя бруцеллеза. Данный протокол вклю¬чает в себя анализ 15 VNTR-локусов с использованием модифицированных MLVA-праймеров. Для in vitro апробации предложенной MLVA схемы использовали выделенную нами ранее ДНК штаммов B. canis RM 6/66, B. suis 1330, B. suis 183-L, B melitensis 1565. MLVA проводили методом ПЦР с последующим разделением ампликонов в агарозном геле. Положительная амплификация наблюдалась для 10 из 15 VNTR-локусов, а именно Bru6, Bru7, Bru9, Bru16 и Bru18, Bru19, Bru21, Bru30, Bru43 и Bru45. Молекулярный размер данных локусов для референтных штаммов B. canis RM 6/66 и B. suis 1330 подтвердили in silico. Также представлены результаты MLVA для штаммов, представленных в базе данных GenBank. Путем поисковых запросов баз данных ресурсов NCBI нами были получены геномные последовательности 49 штаммов бруцелл видов B. canis, B. suis, B. aborus, B melitensis. C помощью биоинформационного анализа для данных штаммов определили молекулярную массу каждого из десяти VNTR-локуса и количество повторов в нем. По результатам проведенного MLVA построили дендрограмму. На основании филогенетического анализа последовательностей десяти вариабельных локусов установлено, что большинство исследуемых штаммов бруцелл распределились на дендрограмме в соответствии с их таксономическим положением. Таким образом заключили, что предложенный нами MLVA-протокол имеет потенциал использования для дифференциации штаммов бруцелл.

The purpose of the study is to evaluate the effectiveness of using the developed MLVA protocol for differentiating strains of the causative agent of brucellosis. This protocol includes the analysis of 15 VNTR loci using modified MLVA primers. For in vitro testing of the proposed MLVA scheme, we used previously isolated DNA from strains B. canis RM 6/66, B. suis 1330, B. suis 183-L, B melitensis 1565. MLVA was carried out by PCR followed by separation of amplicons in an agarose gel. Positive amplification was observed for 10 of the 15 VNTR loci, namely Bru6, Bru7, Bru9, Bru16 and Bru18, Bru19, Bru21, Bru30, Bru43 and Bru45. The molecular size of these loci for the reference strains B. canis RM 6/66 and B. suis 1330 was confirmed in silico. MLVA results for strains represented in the GenBank database are also presented. By searching the NCBI resource databases, we obtained the genomic sequences of 49 Brucella strains of the species B. canis, B. suis, B. aborus, and B melitensis. Using bioinformatic analysis, the molecular weight of each of the ten VNTR loci and the number of repeats in it were determined for these strains. Based on the results of the MLVA, a dendrogram was constructed. Based on a phylogenetic ana¬lysis of the sequences of ten variable loci, it was established that the majority of the studied Brucella strains were distributed on the dendrogram in accordance with their taxonomic position. Thus, we concluded that our proposed MLVA protocol has the potential to be used for the differentiation of Brucella strains.

Brucella MLVA ПЦР филогенетический анализ тандемные повторы бруцеллез

Brucella MLVA PCR phylogenetic analysis tandem repeats brucellosis

Введение. Бруцеллез – опасное заболевание животных и человека, распространенное преимущественно в странах с интенсивным животноводством [1]. К бруцеллезу восприимчивы все виды теплокровных животных, но чаще всего данное заболевание встречается у крупного рогатого скота, свиней, оленей, коз, овец, лошадей и собак. В России эпидемиологическая ситуация по данному заболеванию также характеризуется как достаточно напряженная [2]. В частности, основная часть случаев заболеваемости регистрируется на территориях Северо-Кавказского, Южного и Сибирского федеральных округов, в которых отмечается самая высокая заболеваемость крупного рогатого скота (более 80 % от общего количества больных животных в РФ) и мелкого рогатого скота (более 90 %) [3]. Эпидемическую ситуацию по бруцеллезу осложняет возможность вспышечной заболеваемости людей данным заболеванием [4]. Для человека наиболее патогенными считаются виды B. melitensis, B. abortus, B. suis и B. canis, заражение которыми может происходить при непосредственном контакте с инфицированными животными или при употреблении в пищу непастеризованных продуктов животного происхождения [5]. Необходимость применения современных молекулярно-генетических методов для проведения точной идентификации и типирования возбудителей бруцеллеза не вызывает сомнений. В частности, для молекулярного типирования возбудителей особо опасных инфекций успешно используется MLVA (Multiple Loci VNTR Analysis), представляющий собой сравнительный анализ вариабельности областей генома (VNTR-локусов), содержащих тандемные повторы [6]. Что касается бруцелл, данный метод отражает генетический полиморфизм у штаммов Brucella sp. и позволяет не только проводить внутривидовую дифференциацию, но и группировать штаммы возбудителей бруцеллеза в соответствии с их географическим происхождением [7, 8]. Ранее в качестве метода генотипирования бруцелл нами был предложен MLVA протокол, включающий в себя анализ 15 VNTR-локусов, содержащих тандемные повторы от 6 до 134 п. н. [9]. Принципиальным отличием данного подхода от других существующих схем исследования геномного полиморфизма бруцелл является использование оригинальной системы VNTR-праймеров, представляющих собой претерпевшие редизайн традиционно применяемые для MLVA олигонуклеотидные затравки. Однако отметим, что ранее нами был выполнен только теоретический подбор праймеров и необходимых условий ПЦР.Цель исследования – оценка эффективности применения разработанного протокола проведения MLVA для дифференциации штаммов возбудителя бруцеллеза.Материалы и методы. В работе использовали данные о геномных последовательностях 49 штаммов бруцелл, представленных в базе данных GenBank (табл. 1). Биоинформационный анализ проводили с помощью программ Vector NTI 9.1 и онлайн-ресурсов NCBI (URL: https://ncbi.gov). Таблица 1Использованные в работе штаммы бруцелл из базы данных GenBank ШтаммГеографическое происхождениеНомер в базе данных GenBank123Brucella canis strain RM6/66Коллекция (США)CP007758.1, CP007759.1Brucella canis strain FDAARGOS_420CP023974.1, CP023973.1Brucella canis ATCC 23365CP000872.1, CP000873.1Brucella canis str. OliveriHG803175.1, HG803176.1Brucella canis strain 2010009751США (Массачусетс)CP016977.1, CP016978.1Brucella canis strain 2009013648США (Аризона)CP016975.1, CP016976.1Brucella canis strain 2009004498США (Луизиана)CP016973.1, CP016974.1Brucella canis strain SVA13ШвецияCP007629.1, CP007630.1Brucella canis HSK A52141КореяCP003174.1, CP003175.1Brucella canis strain GB1КитайCP027643.1, CP027642.1Brucella suis 1330Коллекция (США)AE014291.4, AE014292.2Brucella suis bv. 1 strain CVI_59ХорватияCP054959.1, CP054960.1Brucella suis bv. 1 strain CVI_58CP054961.1, CP054962.1Brucella suis bv. 1 str. S2КитайCP006961.1,CP006962.1Brucella suis bv. 2 strain CVI_50ХорватияCP054963.1, CP054964.1Brucella suis bv. 2 strain Bs364CITAПортугалия CP007697.1, CP007698.1Brucella suis bv. 2 strain PT09172CP007693.1, CP007694.1Brucella suis bv. 3 str. 686Коллекция (США)CP007719.1, CP007718.1Brucella suis bv. 3 strain CVI_71ХорватияCP054957.1, CP054958.1Brucella suis bv. 4 strain CVI_72CP054955.1,CP054956.1Brucella suis bv. 5 strain CVI_73CP054953.1,CP054954.1Brucella melitensis bv. 1 str. 16MКоллекция (США)AE008917.1, AE008918.1Brucella melitensis bv. 2 str. 63/9CP007789.1, CP007788.1Brucella melitensis strain 2008724259США (Калифорния)CP016983.1, CP016984.1Brucella melitensis strain CIIMS-NV-1ИндияCP029756.1, CP029757.1Brucella melitensis strain BLКитайCP022875.1, CP022876.1Brucella melitensis strain B15CP035795.1, CP035796.1Brucella melitensis M5-90CP001851.1, CP001852.1Brucella melitensis strain CIT21CP025819.1, CP025820.1Brucella melitensis strain C-573Россия (Ставрополь)CP019679.1, CP019680.1Brucella melitensis BwIM_SYR_04СирияCP018512.1, CP018513.1Brucella melitensis BwIM_SYR_26CP018526.1, CP018527.1Brucella melitensis BwIM_IRN_28ИранCP018484.1, CP018485.1Окончание табл. 1123Brucella melitensis BwIM_IRQ_32ИракCP018490.1, CP018491.1Brucella melitensis BwIM_TUR_38ТурцияCP018552.1, CP018553.1Brucella melitensis BwIM_ITA_55ИталияCP018496.1, CP018497.1Brucella abortus 2308Коллекция (США)AM040264.1, AM040265.1Brucella abortus biovar 1 str. 9-941AE017223.1, AE017224.1Brucella abortus bv. 2 str. 86/8/59CP007765.1, CP007764.1Brucella abortus bv. 6 str. 870CP007709.1, CP007710.1Brucella abortus 104MКитайCP009625.1, CP009626.1Brucella abortus strain clpPCP044338.1, CP044339.1Brucella abortus strain MCCP022879.1, CP022880.1Brucella abortus strain CIIMS-NV-4ИндияCP025743.1, CP025744.1Brucella abortus strain IVRI95CP034695.1, CP034696.1Brucella abortus strain 69841ИталияCP098117.1, CP098118.1Brucella abortus strain 24157CP098085.1, CP098086.1Brucella abortus A13334Южная КореяCP003176.1, CP003177.1Brucella abortus strain 68Украина (Луганск)CP066175.1, CP066176.1 Множественное выравнивание выполнили с использованием алгоритма MUSCLE в программе Mega 11. Филогенетический анализ осуществляли методом попарного невзвешенного кластирования с арифметическим усреднением (UPGMA). Для оценки достоверности филогенетических связей использовали многократную генерацию методом Bootstrap для 1000 независимых построений каждого филогенетического дерева.Для постановки полимеразной цепной реакции (ПЦР) использовали выделенную нами ранее ДНК штаммов B. canis RM 6/66, B. suis 1330, B. suis 183-L и B melitensis 1565 [10, 11]. Амплификацию VNTR-локусов проводили согласно протоколу, представленному в работе Хаммадова с соавт. [9]. Полученные ПЦР-продукты разделяли электрофорезом в 1,5 % агарозном геле с последующей окраской бромистым этидием. Визуализацию проводили с помощью UV-трансиллюминатора. Размер полученных фрагментов определяли с использованием программы «Gel Analyzer» путем сравнения фрагмента с маркером молекулярной массы ДНК «100 + bp DNA Ladder» (ЗАО «Евроген», Москва).Результаты и их обсуждение. В рамках текущего исследования провели апробацию разработанного нами ранее MLVA-подхода с использованием ДНК бактерий B. canis RM 6/66, B. suis 1330, B. suis 183-L и B. melitensis 1565, а также нуклеотидных последовательностей бруцелл, представленных в базе данных GenBank. На первом этапе работы определили размеры получаемых VNTR-локусов штаммов B. canis RM 6/66, B. suis 1330, B. suis 183-L и B. melitensis 1565 с помощью ПЦР и последующего электрофореза. Результаты проведенного молекулярно-генетического анализа представлены в таблице 2. Таблица 2Характеристика VNTR-локусов исследуемых штаммов бруцелл ЛокусМолекулярный размер локуса, п.н.B. canis RM 6/66B. suis 1330B. suis 183-LB. melitensis 156512344Bru4––––Bru6273273273273Bru7165165165157Bru8––––Bru9160144160152Bru10––––Окончание табл. 212345Bru11––––Bru16168168160152Bru18146138166138Bru19170164184178Bru21175175159167Bru30129129121185Bru43163163151175Bru43188188134152 Поскольку амплификация локусов Bru4, Bru8, Bru10, Bru11 и Bru55 для используемых штаммов была отрицательной, данные локусы были исключены из дальнейшей работы. Штаммы B. canis RM 6/66 и B. suis 1330 использовали в качестве референтных. Геном данных бактерий полностью секвенирован и представлен в базе данных GenBank, поэтому для B. canis RM 6/66 и B. suis 1330 с помощью биоинформационного анализа подтвердили размер оставшихся в работе десяти VNTR-локусов, после чего путем экстраполяции также определили точный молекулярный размер данных локусов для штаммов B. suis 183-L и B. melitensis 1565.На следующем этапе работы провели MLVA для 49 штаммов бруцелл, представленных в базе данных GenBank (см. табл. 1). Для этого с помощью программы Vector NTI 9.1 нуклеотидные последовательности I и II хромосом бруцелл ограничили разработанными для аплификации VNTR-локусов праймерами, после чего определили молекулярный размер соответствующего VNTR-локуса и количество повторов в нем. Далее построили дендрограмму, представленную на рисунке.Установили, что штаммы B. canis распределились на дендрограмме по трем близкородственным кластерам, два из которых являются общими с представителями вида B. suis. В частности, самый большой кластер сформирован штаммами B. canis и B. suis (I, IV биовара), располагающимися на соседних ветках, но выходящими из разных узлов. Штамм B. canis GB1, в свою очередь, сгруппировался вместе с кладой, состоящей из двух штаммов B. suis III биовара. Данный факт свидетельствует о генетическом родстве видов B. canis и B. suis, что находит подтверждение в исследованиях отечественных и зарубежных авторов [8, 11, 12]. Что касается остальных использованных штаммов B. suis, представители II биовара данного вида сгруппировались на дендрограмме в виде клады и близкородственной к ней ветви филогенетического древа. Обособленное положение также занял штамм B. suis V биовара, что согласуется с данными литературы о таксономии бруцелл [8]. Также родственную, но удаленную от других штаммов B. suis ветвь образует штамм B. suis 183-L, использованный в исследовании для апробации MLVA-подхода.Другой тест-штамм – B. melitensis 1565 – сгруппировался в отдельную кладу с референтным штаммом B. melitensis 16М. Штаммы B. melitensis из базы данных GenBank образуют на дендрограмме три общих c представителями вида B. abortus кластера и группируются согласно их видовой принадлежности. В частности, штаммы B. abortus А13334, 68, IVRI95, 69841, 9-941 и CIIMS-NV-4 объединены в одну подгруппу внутри самого большого кластера, остальная часть которого представлена штаммами B. melitensis различного географического происхождения.Штаммы B. abortus 86/8/59 и 104М образуют самостоятельную кладу, выходящую из общего узла со штаммами B. melitensis B15, M5-90, Bwl V IRQ 32. Аналогичным образом в другом кластере расположились штаммы B. abortus 870 и МС. Отдельно расположился кластер, сформированный коллекционным штаммом B. abortus 2308 и кладой, представленной изолятами из Китая (B. abortus clP) и Италии (B. abortus 24157). Дендрограмма, иллюстрирующая кластеризацию исследованных штаммов бруцелл на основании проведенного MLVA-анализа (черными кругами обозначены штаммы, для которых VNTR-профиль определен in vitro; белыми – референтные штаммы) Заключение. Проведенный по десяти вариабельным локусам MLVA-анализ позволяет систематизировать большинство использованных из базы данных GenBank штаммов бруцелл в соответствии с их таксономическим положением. Из чего можно сделать вывод, что данный подход к MLVA-типированию может быть использован для дифференциации представителей рода Brucella при проведении эпизоотологических расследований вспышек бруцеллеза.

Анализ заболеваемости людей бруцеллезом и молекулярно-биологическая характеристика изолятов Brucella melitensis на длительно неблагополучных по бруцеллезу терри¬ториях юга европейской части России / А.А. Хачатурова [и др.] // Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2022. 99(1). С. 63–74. DOI: 10.36233/ 0372-9311-185.

Analiz zabolevaemosti lyudej brucellezom i molekulyarno-biologicheskaya harakteristika izolyatov Brucella melitensis na dlitel'no nebla-gopoluchnyh po brucellezu territoriyah yuga evropejskoj chasti Rossii / A.A. Hachaturova [i dr.] // Zhurnal mikrobiologii, `epidemiologii i immunobiologii. 2022. 99(1). S. 63–74. DOI: 10.36233/ 0372-9311-185.

Салмаков К.М., Косарев М.А. Совершенствование системы специфической профилактики бруцеллеза крупного рогатого скота с применением вакцины из штамма B. abortus 82 и препарата из штамма B. abortus R-1096 // Ветеринария. 2023. № 8. С. 9–13. DOI: 10.30896/0042-4846.2023.26.8.09-13.

Salmakov K.M., Kosarev M.A. Sovershenst-vovanie sistemy specificheskoj profilaktiki bru-celleza krupnogo rogatogo skota s primene-niem vakciny iz shtamma B. abortus 82 i preparata iz shtamma B. abortus R-1096 // Veterinariya. 2023. № 8. S. 9–13. DOI: 10.30896/0042-4846.2023.26.8.09-13.

Прошлое, настоящее, перспективы и проблемы совершенствования специфической профилактики бруцеллеза / В.А. Коршенко [и др.] // Медицинский вестник Юга России. 2021.№ 12 (3). С. 12–21. DOI: 10.21886/ 2219-8075-2021-12-3-12-21.

Proshloe, nastoyaschee, perspektivy i prob-lemy sovershenstvovaniya specificheskoj pro-filaktiki brucelleza / V.A. Korshenko [i dr.] // Medicinskij vestnik Yuga Rossii. 2021.№ 12 (3). S. 12–21. DOI: 10.21886/2219-8075-2021-12-3-12-21.

Анализ заболеваемости бруцеллезом и молекулярно-генетическая характеристика популяции бруцелл на территории Российской Федерации / Д.Г. Пономаренко [и др.] // Проблемы особо опасных инфекций. 2023. № 2. С. 61–74. DOI: 10.21055/0370-1069-2023-2-61-74.

Analiz zabolevaemosti brucellezom i moleku-lyarno-geneticheskaya harakteristika populyacii brucell na territorii Rossijskoj Federacii / D.G. Ponomarenko [i dr.] // Problemy osobo opasnyh infekcij. 2023. № 2. S. 61–74. DOI: 10.21055/0370-1069-2023-2-61-74.

In vitro antimicrobial susceptibility testing of human Brucella melitensis isolates from Qatar between 2014-2015 / A. Deshmukh [et al.] // BMC Microbiol. 2015. № 15 (121). DOI: 10.1186/s12866-015-0458-9.

Дифференциация штаммов Bacillus anthra-cis методом анализа температур плавления продуктов ПЦР, полученных после амплификации VNTR локусов / Н.А. Фахрутдинов [и др.] // Ветеринарный врач. 2023. № 2. С. 41–46. DOI: 10.33632/1998-698X_2023_ 2_41.

Differenciaciya shtammov Bacillus anthracis metodom analiza temperatur plavleniya pro-duktov PCR, poluchennyh posle amplifikacii VNTR lokusov / N.A. Fahrutdinov [i dr.] // Veterinarnyj vrach. 2023. № 2. S. 41–46. DOI: 10.33632/1998-698X_2023_2_41.

Изучение генетического разнообразия штам¬мов бруцелл, выделенных в Северо-Кавказском федеральном округе / И.В. Кузнецова [и др.] // Проблемы особо опасных инфекций. 2017. № 3. C. 58–62. DOI: 10.21055/0370-1069-2017-3-58-62.

Izuchenie geneticheskogo raznoobraziya shtammov brucell, vydelennyh v Severo-Kavkazskom federal'nom okruge / I.V. Kuzne-cova [i dr.] // Problemy osobo opasnyh infekcij. 2017. № 3. C. 58–62. DOI: 10.21055/0370-1069-2017-3-58-62.

Кулаков Ю.К., Цирельсон Л.Е., Желудков М.М. Молекулярно-генетическая характеристика изолятов бруцелл, выделенных от собак и оленей в различных регионах России // Молекулярная генетика, микробиология и вирусология. 2012. № 4. С. 28–33. DOI: 10.3103/S0891416812040052.

Kulakov Yu.K., Cirel'son L.E., Zheludkov M.M. Molekulyarno-geneticheskaya harakteristika izolyatov brucell, vydelennyh ot sobak i olenej v razlichnyh regionah Rossii // Molekulyarnaya genetika, mikrobiologiya i virusologiya. 2012. № 4. S. 28–33. DOI: 10.3103/S089141681 2040052.

Маркерные локусы генома бруцелл для дифференциальной ПЦР индикации патогенных штаммов / Н.И. Хаммадов [и др.] // Проблемы особо опасных инфекций. 2018. № 3. С. 88–93. DOI: 10.21055/0370-1069-2018-3-88-93.

Markernye lokusy genoma brucell dlya diffe-rencial'noj PCR indikacii patogennyh shtam-mov / N.I. Hammadov [i dr.] // Problemy osobo opasnyh infekcij. 2018. № 3. S. 88–93. DOI: 10.21055/0370-1069-2018-3-88-93.

10.

Использование кривых плавления ампликонов VNTR-локусов для идентификации бруцелл / Е.А. Анисимова [и др.] // Перспективы развития современной ветеринарной науки: сб. науч. тр. по итогам Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием, посвящ. 55-ле¬тию Прикаспийского зонального научно-исследовательского ветеринар. ин-та – филиала ФГБНУ «ФАНЦ РД» (22–23 сентября 2022 г.). Махачкала: Алеф, 2022. С. 22–26.

Ispol'zovanie krivyh plavleniya amplikonov VNTR-lokusov dlya identifikacii brucell / E.A. Anisimova [i dr.] // Perspektivy razvitiya sovremennoj veterinarnoj nauki: sb. nauch. tr. po itogam Vseros. nauch.-prakt. konf. s mezhdunar. uchastiem, posvyasch. 55-letiyu Prikaspijskogo zonal'nogo nauchno-issledova-tel'skogo veterinar. in-ta – filiala FGBNU «FANC RD» (22–23 sentyabrya 2022 g.). Mahachkala: Alef, 2022. S. 22–26.

11.

Применение HRM-анализа кривых плавления, полученных после амплификации VNTR-локусов, для идентификации и дифференциации штаммов бруцелл / Е.А. Анисимова [и др.] // Проблемы особо опасных инфекций. 2023. № 4. С. 42–49. DOI: 10.21055/0370-1069-2023-4-42-49.

Primenenie HRM-analiza krivyh plavleniya, poluchennyh posle amplifikacii VNTR-lokusov, dlya identifikacii i differenciacii shtammov bru-cell / E.A. Anisimova [i dr.] // Problemy osobo opasnyh infekcij. 2023. № 4. S. 42–49. DOI: 10.21055/0370-1069-2023-4-42-49.

12.

Genetic and Phenotypic Characterization of the Etiological Agent of Canine Orchiepidi-dymitis Smooth Brucella sp. BCCN84.3 / C. Guzmán-Verri [et al.] // Front. Vet. Sci. 2019. № 6 (175). DOI: 10.3389/fvets.2019.00175.