Популяционная структура субтипа B0/W148 Mycobacterium tuberculosis: филогенетический анализ и особенности генотипической лекарственной устойчивости

Обоснование. Субтип B0/W148 принадлежит к филогенетической линии L2 Mycobacterium tuberculosis и наиболее часто встречается в странах бывшего Советского Союза. Для эффективного эпидемиологического контроля необходимы тест-системы, способные выявлять генетические варианты возбудителя. Изучение генетического разнообразия штаммов B0/W148 и поиск молекулярных маркеров, пригодных для их генотипирования, являются ключевыми этапами в разработке таких диагностических инструментов.

Цель исследования. Изучение филогенетического разнообразия субтипа B0/W148, циркулирующего на территории Российской Федерации и сопредельных стран, для выявления уникальных клад и поиска специфических молекулярных маркеров, пригодных для их точной идентификации.

Материалы и методы. В исследовании были использованы образцы ДНК штаммов B0/W148 (n = 34), изолированных в различных регионах РФ, а также геномные данные, полученные из SRA NCBI (Sequence Read Archive of the National Center for Biotechnology Information) (n = 419). Для анализа генетического разнообразия и выявления молекулярных маркеров использовались методы филогенетического анализа и анализа главных компонент (PCA, principal component analysis) полногеномных данных (WGS, whole genome sequencing). Была проведена эволюционная реконструкция возраста выявленных клад.

Результаты. Анализ геномов B0/W148 (n = 453) обнаружил, что они подразделяются на три филогенетические клады: B – базальную (Basal), M – малую (Minor) и P – основную (Principal). Было установлено, что специфические мутации в кладах M и P позволяют выполнять их дифференциальную диагностику. Для клады M уникальной является мутация 4137219T>G, а для клады P – мутация 2241091C>T. Среди штаммов, относящихся к кладе B, характерных мутаций обнаружено не было. Кроме этого, для клад были выявлены уникальные профили мутаций в генах, отвечающих за лекарственную устойчивость.

Заключение. Исследование показало, что штаммы B0/W148 представляют собой генетически гетерогенную популяцию, разделённую на клады B, M и P. Клады M и P имеют уникальные мутации, позволяющие проводить их идентификацию. Также было установлено, что все клады характеризуются наличием специфических профилей мутаций в генах лекарственной устойчивости.

1. Global tuberculosis report. Geneva: World Health Organization; 2023.

2. Савилов Е.Д., Хромова П.А., Шугаева С.Н., Орыщак С.Е., Синьков В.В., Огарков О.Б. Анализ многолетней динамики заболеваемости методом комплексной оценки на разных территориальных уровнях. Эпидемиология и инфекционные болезни. 2023; 28(6): 353-362. doi: 10.17816/EID569175

3. Хромова П.А., Синьков В.В., Савилов Е.Д., Огарков О.Б. Использование комплексного анализа эпидемиологической ситуации по туберкулезу как дополнительного инструмента определения «территорий риска» на примере Сибирского федерального округа. Эпидемиология и вакцинопрофилактика. 2021; 20(3): 37-44. doi: 10.31631/2073-30462021-20-3-37-44

4. Zhdanova S, Mokrousov I, Orlova E, Sinkov V, Ogarkov O. Transborder molecular analysis of drug-resistant tuberculosis in Mongolia and Eastern Siberia, Russia. Transbound Emerg Dis. 2022; 69(5): e1800-e1814. doi: 10.1111/tbed.14515

5. Meaza A, Tola HH, Eshetu K, Mindaye T, Medhin G, Gumi B. Tuberculosis among refugees and migrant populations: Systematic review. PLos One. 2022; 17(6): e0268696. doi: 10.1371/journal.pone.0268696

6. Савилов Е.Д., Синьков В.В., Огарков О.Б. Пекинский генотип М. tuberculosis. Эпидемиология и инфекционные болезни. 2010; (4): 50-53. doi: 10.17816/EID40504

7. Савилов Е.Д., Синьков В.В., Огарков О.Б. Эпидемиология туберкулеза на Евро-Азиатском континенте: оценка глобального движения штаммов генотипа "Пекин". Иркутск: Иркутская государственная медицинская академия последипломного образования; 2013.

8. Синьков В.В., Савилов Е.Д., Огарков О.Б. Эпидемиология туберкулеза в России: эпидемиологические и исторические доказательства в пользу сценария распространения «пекинского» генотипа M. tuberculosis в XX веке. Эпидемиология и вакцинопрофилактика. 2010; (6): 23-28.

9. Shitikov E, Bespiatykh D. A revised SNP-based barcoding scheme for typing Mycobacterium tuberculosis complex isolates. mSphere. 2023; 8(4): e00169-23. doi: 10.1128/msphere.00169-23

10. Narvskaia O, Mokrousov I, Otten T, Vishnevski B. Genetic marking of polyresistant Mycobacterium tuberculosis strains isolated in the north-west of Russia. Problemsof Tuberculosis. 1999; (3): 39-41.

11. Merker M, Blin C, Mona S, Duforet-Frebourg N, Lecher S, Willery E, et al. Evolutionary history and global spread of the Mycobacterium tuberculosis Beijing lineage. Nat Genet. 2015; 47(3): 242-249. doi: 10.1038/ng.3195

12. Mokrousov I. Insights into the origin, emergence, and current spread of successful Russian clone of Mycobacterium tuberculosis. Clin Microbiol Rev. 2013; 26(2): 342-360. doi: 10.1128/CMR.00087-12

13. Casali N, Nikolayevskyy V, Balabanova Y, Harris SR, Ignatyeva O, Kontsevaya I, et al. Evolution and transmission of drugresistant tuberculosis in a Russian population. Nat Genet. 2014; 46(3): 279-286. doi: 10.1038/ng.2878

14. Cohen KA, Abeel T, Manson McGuire A, Desjardins CA, Munsamy V, Shea TP, et al. Evolution of extensively drug-resistant tuberculosis over four decades: Whole genome sequencing and dating analysis of Mycobacterium tuberculosis isolates from KwaZulu-Natal. PLoS Med. 2015; 12(9): e1001880. doi: 10.1371/journal.pmed.1001880

15. Ribeiro SCM, Gomes LL, Amaral EP, Andrade MRM, Almeida FM, Rezende AL, et al. Mycobacterium tuberculosis strains of the modern sublineage of the Beijing family are more likely to display increased virulence than strains of the ancient sublineage. J Clin Microbiol. 2014; 52(7): 2615-2624. doi: 10.1128/JCM.00498-14

16. Glynn JR, Whiteley J, Bifani PJ, Kremer K, van Soolingen D. Worldwide occurrence of Beijing/W strains of Mycobacterium tuberculosis: A systematic review. Emerg Infect Dis. 2002; 8(8): 843-849. doi: 10.3201/eid0805.020002

17. Hanekom M, Gey van Pittius NC, McEvoy C, Victor TC, Van Helden PD, Warren RM. Mycobacterium tuberculosis Beijing genotype: A template for success. Tuberc Edinb Scotl. 2011; 91(6): 510-523. doi: 10.1016/j.tube.2011.07.005

18. Lasunskaia E, Ribeiro SCM, Manicheva O, Gomes LL, Suffys PN, Mokrousov I, et al. Emerging multidrug resistant Mycobacterium tuberculosis strains of the Beijing genotype circulating in Russia express a pattern of biological properties associated with enhanced virulence. Microbes Infect. 2010; 12(6): 467-475. doi: 10.1016/j.micinf.2010.02.008

19. Merker M, Rasigade JP, Barbier M, Cox H, Feuerriegel S, Kohl TA, et al. Transcontinental spread and evolution of Mycobacterium tuberculosis W148 European/Russian clade toward extensively drug resistant tuberculosis. Nat Commun. 2022; 13(1): 5105. doi: 10.1038/s41467-022-32455-1

20. Bespyatykh J, Shitikov E, Butenko I, Altukhov I, Alexeev D, Mokrousov I, et al. Proteome analysis of the Mycobacterium tuberculosis Beijing B0/W148 cluster. Sci Rep. 2016; 6(1): 28985. doi: 10.1038/srep28985

21. Shitikov E, Kolchenko S, Mokrousov I, Bespyatykh J, Ischenko D, Ilina E, et al. Evolutionary pathway analysis and unified classification of East Asian lineage of Mycobacterium tuberculosis. Sci Rep. 2017; 7(1): 9227. doi: 10.1038/s41598017-10018-5

22. Martin M. Cutadapt removes adapter sequences from high-throughput sequencing reads. EMBnet J. 2011; 17(1): 10-12.

23. Li H, Durbin R. Fast and accurate long-read alignment with Burrows – Wheeler transform. Bioinforma Oxf Engl. 2010; 26(5): 589-595. doi: 10.1093/bioinformatics/btp698

24. Danecek P, Bonfield JK, Liddle J, Marshall J, Ohan V, Pollard MO, et al. Twelve years of SAMtools and BCFtools. GigaScience. 2021; 10(2): giab008. doi: 10.1093/gigascience/giab008

25. Walker TM, Miotto P, Köser CU, Fowler PW, Knaggs J, Iqbal Z, et al. The 2021 WHO catalogue of complex mutations associated with drug resistance: A genotypic analysis. Lancet Microbe. 2022; 3(4): e265-e273. doi: 10.1016/S2666-5247(21)00301-3

26. Quinlan AR. BEDTools: The Swiss-army tool for genome feature analysis. Curr Protoc Bioinforma. 2014; 47: 11.12.1-11.1234. doi: 10.1002/0471250953.bi1112s47

27. Bouckaert R, Vaughan TG, Barido-Sottani J, Duchêne S, Fourment M, Gavryushkina A, et al. BEAST 2.5: An advanced software platform for Bayesian evolutionary analysis. PLos Comput Biol. 2019; 15(4): e1006650. doi: 10.1371/journal.pcbi.1006650

28. Rambaut A, Lam TT, Max Carvalho L, Pybus OG. Exploring the temporal structure of heterochronous sequences using TempEst (formerly Path-O-Gen). Virus Evol. 2016; 2(1): vew007. doi: 10.1093/ve/vew007

29. Crispell J, Balaz D, Gordon SV. HomoplasyFinder: A simple tool to identify homoplasies on a phylogeny. Microb Genomics. 2019; 5(1): e000245. doi: 10.1099/mgen.0.000245

30. Сысоев П.Г., Люкина А.Н., Мадатова М.К. Эволюция противотуберкулезных препаратов. Modern Science. 2020; (5-1): 263-267.