vestimИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия медицинских наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus, Medical series1814-60232524-2350The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1814-6023-2020-17-3-301-319vestim-690Research ArticleКЛИНИЧЕСКАЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕДИЦИНАCLINICAL AND EXPERIMENTAL MEDICINEМолекулярная эволюция фрагментов 7 генов «домашнего хозяйства», используемых в смехе мультилокусного сиквенс-типирования менингококковMolecular evolution of the meningococcal fragments of 7 house-keeping geneshttps://orcid.org/0000-0003-4738-4681ХархальА. Н.KharkhalH. N.

Хархаль Анна Николаевна ‒ аспирант

ул. Филимонова, 23, 220114, г. Минск

Hanna N. Kharkhal ‒ Postgraduate student

23, Filimonov Str., 220114, Minsk

anna-madlen69@yandex.ruТитовЛ. П.TitovL. P.

Титов Леонид Петрович ‒ член-корреспондент, доктор медицинских наук, профессор, заведующий лабораторией

ул. Филимонова, 23, 220114, г. Минск

Leonid P. Titov ‒ Corresponding Member, D. Sc. (Med.), Professor, Head of the Laboratory

23, Filimonov Str., 220114, Minsk

leonidtitov@tut.byЯновичО. О.YanovichO. O.

Янович Ольга Олеговна ‒ кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник

ул. Филимонова, 23, 220114, г. Минск

Olga O. Yanovich ‒ Ph. D. (Biol.), Leading Researcher

23, Filimonov Str., 220114, Minsk

oyanov74@mail.ruРеспубликанский научно-практический центр эпидемиологии и микробиологииRepublican Scientific and Practical Center for Epidemiology and Microbiology202029082020173301319Copyright © Хархаль А.Н., Титов Л.П., Янович О.О., 20202020Хархаль А.Н., Титов Л.П., Янович О.О.Kharkhal H.N., Titov l.P., Yanovich O.O.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestimed.belnauka.by/jour/article/view/690

Изучен характер генетической изменчивости фрагментов генов «домашнего хозяйства» (ГДХ) менингококков, циркулирующих в популяции населения Беларуси. Секвенирование 7 ГДХ проводили по Сэнгеру (ABI3500). Филогенетические связи определяли с помощью программы MEGA X. SNPs анализировали онлайн на платформе базы данных в pubMLST.org. Показано, что менингококки, циркулировавшие в Беларуси в 2011–2018 гг., содержат 17 аллелей фрагмента гена abcZ (5,9 % впервые выявленных в Беларуси – abcZ 1016), кодирующих 5 вариантов АВС-переносчика; 16 аллелей гена фрагмента adk – 2 варианта аденилатциклазы; 17 аллелей aroE (11,8 % «белорусских» – aroE 944 и aroE 972) – 14 вариантов шикимат дегидрогеназы; 24 аллели fumC (4,2 % «белорусских» – fumC 988) – 4 варианта фумарат дегидратазы; 18 аллелей gdh (16,7 % впервые выявленных в Беларуси – gdh 560, gdh 985 и gdh 1083) – 4 варианта глюкозо-6-фосфат дегидрогеназы; 18 аллелей pdhC – 11 вариантов субъединицы пируватдегидрогеназы и 20 аллелей pgm – 13 вариантов фосфоглюкомутазы (5,6 и 5 % «белорусских» аллелей соответственно – pdhC 888 и pgm 1099). Доминирующие аллели: abcZ 8 – 25 %, adk 5 – 30, aroE 6 – 28,3, fumC 17 – 30, gdh 560 – 20, pdhC 18 – 21,7, pgm 2 – 25 %. Установлено, что популяция менингококков, циркулирующих среди населения Беларуси, разнообразна и включает как локальные аллели фрагментов ГДХ (7,7 %), так и аллели, выявленные у менингококков в других странах (92,3 %). Количество SNPs в ГДХ варьируется от 29 (adk) до 125 (aroE). Полиморфизм ГДХ носит, как правило, синонимичный характер, приводя к аминокислотным заменам в диапазоне от 0,6 % случаев во фрагменте гена аденилатциклазы до 26,4 % в шикимат дегидрогеназе.

The objective of the article was to determine the variability of meningococcal house-keeping gene alleles circulating in Belarus. House-keeping genes sequencing was made by Sanger (ABI 3500). The phylogenetic analysis was done in MEGA X. SNPs were analyzed at pubMLST.org. 60 Belarusian meningococci, collected during 8 years, contain 17 alleles of abcZ gene (5.9 % first identified in Belarus – abcZ 1016) encoding 5 variants of the ABC transporter; 16 adk gene alleles – 2 variants of adenylate cyclase; 17 alleles of aroE gene (11.8 % Belarusian – aroE 944 and aroE 972) – 14 variants of shikimat dehydrogenase; 24 alleles of fumC gene (4.2 % Belarusian – fumC 988) – 4 variants of fumarate dehydratase; 18 alleles of gdh gene (16.7 % first identified in Belarus – gdh 560, gdh 985 and gdh 1083) – 4 variants of glucose-6-phosphate dehydrogenase; 18 alleles of pdhC gene – 11 variants of pyruvate dehydrogenase subunit and 20 alleles of pgm gene – 13 variants of phosphoglucomutase (5.6 and 5 % of Belarusian alleles − pdhC 888 and pgm 1099 respectively). Dominant alleles are abcZ 8 – 25 %, adk 5 – 30, aroE 6 – 28.3, fumC 17 – 30, gdh 560 – 20, pdhC 18 – 21.7, pgm 2 – 25 %. The Belarusian meningococcal population is diverse and includes both its own house-keeping gene alleles (7.7 %) and those circulating in other countries (92.3 %). The number of SNPs is varied from 29 (adk) to 125 (aroE). Single nucleotide polymorphisms are mostly synonymous and, on average, lead to amino acid substitutions in the range from 0.6 % in adenylate cyclase and up to 26.4 % in shikimat dehydrogenase.

менингококкгены «домашнего хозяйства»аллелирекомбинацияSNPsэволюцияmeningococcushouse-keeping genesallelesrecombinationSNPsevolutionReferencesVariability and diversity of nasopharyngeal microbiota in children: a metagenomic analysis / D. Bogaert [et al.] // PloS ONE. – 2011. – Vol. 6, N 2. – P. e17035. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0017035Bogaert D., Keijser B., Huse S., Rossen J., Veenhoven R., van Gils E., Bruin J., Montijn R., Bonten M., Sanders E. Variability and diversity of nasopharyngeal microbiota in children: a metagenomic analysis. PLoS ONE, 2011, vol. 6, no. 2, p. e17035. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0017035Sáez Nieto, J. A. Multicolonization of human nasopharynx due to Neisseria spp. / J. A. Sáez Nieto, C. Marcos, A. Vindel // Int. Microbiol. – 1998. – Vol. 1, N 1. – P. 59–63.Sáez-Nieto J. A., Marcos C., Vindel A. Multicolonization of human nasopharynx due to Neisseria spp. International Microbiology, 1998, vol. 1, no. 1, pp. 59‒63.Metabolism and virulence in Neisseria meningitidis / C. Schoen [et al.] // Front. Cell. Infect. Microbiol. – 2014. – Vol. 4. – Art. 114. https://doi.org/10.3389/fcimb.2014.00114Schoen C., Kischkies L., Elias J., Ampattu B. J. Metabolism and virulence in Neisseria meningitidis. Frontiers in Cellular and Infection Microbiology, 2014, vol. 4, art. 114. https://doi.org/10.3389/fcimb.2014.00114Extensive genomic variation within clonal complexes of Neisseria meningitidis / W. Hao [et al.] // Genome Biol. Evol. – 2011. – Vol. 3. – P. 1406–1418. https://doi.org/10.1093/gbe/evr119Hao W., Ma J. H., Warren K., Tsang R. S., Low D. E., Jamieson F. B., Alexander D. C. Extensive genomic variation within clonal complexes of Neisseria meningitidis. Genome Biology and Evolution, 2011, vol. 3, pp. 1406‒1418. https://doi.org/10.1093/gbe/evr119Nasal inoculation of the commensal Neisseria lactamica inhibits carriage of Neisseria meningitidis by young adults: a controlled human infection study / A. M. Deasy [et al.] // Clin. Infect. Dis. – 2015. – Vol. 60, N 10. – P. 1512–1520. https://doi.org/10.1093/cid/civ098Deasy A. M., Guccione E., Dale A. P., Andrews N., Evans C. M., BennettJ. S., Bratcher H. B., Maiden M. C., Gorringe A. R., Read R. C. Nasal inoculation of the commensal Neisseria lactamica inhibits carriage of Neisseria meningitidis by young adults: a controlled human infection study. Clinical Infectious Diseases, 2015, vol. 60, no. 10, pp. 1512‒1520. https://doi.org/10.1093/cid/civ098Bratcher, H. B. Evolutionary and genomic insights into meningococcal biology / H. B. Bratcher, J. S. Bennett, M. C. Maiden // Future Microbiol. – 2012. – Vol. 7, N 7. – P. 873–885. https://doi.org/10.2217/fmb.12.62Bratcher H. B., Bennett J. S., Maiden M. C. Evolutionary and genomic insights into meningococcal biology. Future Microbiology, 2012, vol. 7, no. 7, pp. 873‒885. https://doi.org/10.2217/fmb.12.62Титов, Л. П. Классификация, номенклатура и эволюция значимых для медицины бактерий / Л. П. Титов // Мед. журн. – 2006. – № 1. – С. 13‒18.Titov L. P., Classification, nomenclature and evolution of bacteria significant for medicine. Meditsinskii zhurnal [Medical journal], 2006, no. 1, pp. 13‒18 (in Russian).Tzeng, Y. L. Antimicrobial peptide resistance in Neisseria meningitidis / Y. L. Tzeng, D. S. Stephens // Biochim. Biophys. Acta. – 2015. – Vol. 1848, N 11. – P. 3026–3031. https://doi.org/10.1016/j.bbamem.2015.05.006Tzeng Y. L., Stephens D. S. Antimicrobial peptide resistance in Neisseria meningitidis. Biochimica et Biophysica Acta, 2015, vol. 1848, no. 11, pp. 3026‒3031. https://doi.org/10.1016/j.bbamem.2015.05.006Никифоров, В. А. Актуальные и нерешенные проблемы менингококковой инфекции на современном этапе / В. А. Никифоров, В. В. Кичикова, Е. И. Ефимов // Мед. альманах. – 2011. – № 4. – С. 94‒99.Nikiforov V. A., Kichikova V. V., Efimov E. I. Actual and unsolved problems of meningococcal infection at the present stage. Meditsinskii al’manakh [Medical almanac], 2011, no. 4, pp. 94‒99 (in Russian).Абрамцева, М. В. Менингококковая инфекция. Современные представления о возбудителе, эпидемиологии, патогенезе и диагностике. Сообщение 1 / М. В. Абрамцева, А. П. Тарасов, Т. И. Немировская // Биопрепараты. Профилактика, диагностика, лечение. – 2014. – № 3 (51). – С. 4‒10.Abramtseva M. V., Tarasov A. P., Nemirovskaya T. I. Meningococcal infection. Modern ideas about the pathogen, epidemiology, pathogenesis and diagnosis. Message 1. Biopreparaty. Profilaktika, diagnostika, lechenie [Biological products. Prevention, diagnosis, treatment], 2014, no. 3 (51), pp. 4‒10 (in Russian).Титов, Л. П. Менингококковая инфекция: современное состояние проблемы / Л. П. Титов // Здравоохранение. – 2010. – № 12. – С. 15–23.Titov L. P. Meningococcal infection: current status of the problem. Zdravookhranenie [Healthcare], 2010, no. 12, pp. 15‒23 (in Russian).Vigué, L. The comparative population genetics of Neisseria meningitidis and Neisseria gonorrhoeae / L. Vigué, A. Eyre-Walker // PeerJ. – 2019. – Vol. 7. – P. e7216. https://doi.org/10.7717/peerj.7216Vigué L., Eyre-Walker A. The comparative population genetics of Neisseria meningitidis and Neisseria gonorrhoeae. PeerJ, 2019, vol. 7, p. e7216. https://doi.org/10.7717/peerj.7216Whole genome sequencing reveals within-host genetic changes in paired meningococcal carriage isolates from Ethiopia / G. K. Barnes [et al.] // BMC Genomics. – 2017. – Vol. 18, N 1. – P. 407‒421. https://doi.org/10.1186/s12864-017-3806-3Bårnes G. K., Brynildsrud O. B., Børud B., Workalemahu B., Kristiansen P. A., Beyene D., Aseffa A., Caugant D. A. Whole genome sequencing reveals within-host genetic changes in paired meningococcal carriage isolates from Ethiopia. BMC Genomics, 2017, vol. 18, no. 1, pp. 407‒421. https://doi.org/10.1186/s12864-017-3806-3Genomic epidemiology of hypervirulent serogroup W, ST-11 Neisseria meningitidis / M. M. Mustapha [et al.] // EBioMedicine. – 2015. – Vol. 2, N 10. – P. 1447–1455. https://doi.org/10.1016/j.ebiom.2015.09.007Mustapha M. M., Marsh J. W., Krauland M. G., Fernandez J. O., de Lemos A. P. S., Dunning Hotopp J. C. [et al.]. Genomic epidemiology of hypervirulent serogroup W, ST-11 Neisseria meningitidis. EBioMedicine, 2015, vol. 2, no. 10, pp. 1447‒1455. https://doi.org/10.1016/j.ebiom.2015.09.007Tibayrenc, M. How clonal are Neisseria species? The epidemic clonality model revisited / M. Tibayrenc, F. J. Ayala // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. – 2015. – Vol. 112, N 29. – P. 8909–8913. https://doi.org/10.1073/pnas.1502900112Tibayrenc M., Ayala F. J. How clonal are Neisseria species? The epidemic clonality model revisited. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2015, vol. 112, no. 29, pp. 8909‒8913. https://doi.org/10.1073/pnas.1502900112Genome Assembly and Annotation report [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/genome/genomes/172. – Дата доступа: 18.02.2020.Genome Assembly and Annotation report. Available at: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/genome/genomes/172 (accessed 18.02.2020).Neisseria meningitidis is structured in clades associated with restriction modification systems that modulate homologous recombination / S. Budroni [et al.] // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. – 2011. – Vol. 108, N 11. – P. 4494–4499. https://doi.org/10.1073/pnas.1019751108Budroni S., Siena E., Dunning Hotopp J. C., Seib K. L., Serruto D., Nofroni C. [et al.]. Neisseria meningitidis is structured in clades associated with restriction modification systems that modulate homologous recombination. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2011, vol. 108, no. 11, pp. 4494‒4499. https://doi.org/10.1073/pnas.1019751108Ryall, B. Culture history and population heterogeneity as determinants of bacterial adaptation: the adaptomics of a single environmental transition / B. Ryall, G. Eydallin, T. Ferenci // Microbiol. Mol. Biol. Rev. – 2012. – Vol. 76, N 3. – P. 597–625. https://doi.org/10.1128/MMBR.05028-11Ryall B., Eydallin G., Ferenci T. Culture history and population heterogeneity as determinants of bacterial adaptation: the adaptomics of a single environmental transition. Microbiology and Molecular Biology Reviews, 2012, vol. 76, no. 3, pp. 597‒625. https://doi.org/10.1128/MMBR.05028-11Spontaneous point mutations in the capsule synthesis locus leading to structural and functional changes of the capsule in serogroup A meningococcal populations / E. Ispasanie [et al.] // Virulence. – 2018. – Vol. 9, N 1. – P. 1138–1149. https://doi.org/10.1080/21505594.2018.1467710Ispasanie E., Micoli F., Lamelas A., Keller D., Berti F., De Riccio R., Di Benedettoi R., Rondini S., Pluschke G. Spontaneous point mutations in the capsule synthesis locus leading to structural and functional changes of the capsule in serogroup A meningococcal populations. Virulence, 2018, vol. 9, no. 1, pp. 1138‒1149. https://doi.org/10.1080/21505594.2018.1467710Li, X. Homologous recombination in DNA repair and DNA damage tolerance / X. Li, W.-D. Heyer // Cell Res. – 2008. – Vol. 18, N 1. – P. 99–113. https://doi.org/10.1038/cr.2008.1Li X., Heyer W. D. Homologous recombination in DNA repair and DNA damage tolerance. Cell Research, 2008, vol. 18, no. 1, pp. 99‒113. https://doi.org/10.1038/cr.2008.1Хархаль, А. Н. Иммунная система прокариот: молекулярные механизмы, применение в микробиологии / А. Н. Хархаль, Л. П. Титов // Вес. Нац. акад. наук Беларусi. Сер. мед. навук. – 2017. – № 3. – С. 121–128.Kharkhal’ A. N., Titov L. P. Procariotic immune system: molecular mechanisms, application in microbiology. Vestsi Natsyyanal’nai akademii navuk Belarusi. Seryya medytsynskіkh navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Medical series, 2017, no. 3, pp. 121‒128 (in Russian).Maharjan, R. Mutational signatures indicative of environmental stress in bacteria / R. Maharjan, T. Ferenci // Mol. Biol. Evol. – 2015. – Vol. 32, N 2. – P. 380–391. https://doi.org/10.1093/molbev/msu306Maharjan R., Ferenci T. Mutational signatures indicative of environmental stress in bacteria. Molecular Biology and Evolution, 2015, vol. 32, no. 2, pp. 380‒391. https://doi.org/10.1093/molbev/msu306Laboratory methods for the diagnosis of meningitis caused by Neisseria meningitidis, Streptococcus pneumoniae, and Haemophilus influenzae. – Pub. 2. – Geneva : WHO Press, 2011. – 311 p.Laboratory methods for the diagnosis of meningitis caused by Neisseria meningitidis, Streptococcus pneumoniae, and Haemophilus influenzae. Geneva, WHO Press Publ., 2011. 311 p.Jolley, K. A. Open-access bacterial population genomics: BIGSdb software, the PubMLST. org website and their applications / K. A. Jolley, J. E. Bray, M. C. Maiden // Wellcome Open Res. – 2018. – Vol. 3. – Art. 124. https://doi.org/10.12688/wellcomeopenres.14826.1Jolley K. A., Bray J. E., Maiden M. C. J. Open-access bacterial population genomics: BIGSdb software, the PubMLST. org website and their applications. Wellcome Open Research, 2018, vol. 3, frt. 124. https://doi.org/10.12688/wellcomeopenres.14826.1MEGA X: molecular evolutionary genetics analysis across computing platforms / S. Kumar [et al.] // Mol. Biol. Evol. – 2018. – Vol. 35, N 6. – P. 1547–1549. https://doi.org/10.1093/molbev/msy096Kumar S., Stecher G., Li M., Knyaz C., Tamura K. MEGA X: Molecular Evolutionary Genetics Analysis across Computing Platforms. Molecular Biology and Evolution, 2018, vol. 35, no. 6, pp. 1547‒1549. https://doi.org/10.1093/molbev/msy096Бутвиловский, А. В. Изучение состава белков и нуклеиновых кислот / А. В. Бутвиловский, Е. В. Барковский, В. Э. Бутвиловский // Мед. журн. – 2009. – № 1. – С. 32‒36.Butvilovskii A. V., Barkovskii E. V., Butvilovskii V. E. The study of the composition of proteins and nucleic acids. Meditsinskii zhurnal [Medical journal], 2009, no. 1, pp. 32‒36 (in Russian).Глазкова, С. Э. Молекулярно-генетический анализ хаускипинг генов adk и aroE штаммов Neisseria meningitidis, выделенных от больных менингитом / С. Э. Глазкова, Е. С. Носова, Л. П. Титов // Мед. журн. – 2007. – № 4. – С. 47–50.Glazkova S. E., Nosova E. S., Titov L. P. Molecular genetic analysis of housekeeping genes adk and aroE of Neisseria meningitidis strains isolated from patients with meningitis. Meditsinskii zhurnal [Medical journal], 2007, no. 4, pp. 47‒50 (in Russian).Титов, Л. П. Геномико-протеомические основы эволюции и молекулярной эпидемиологии вирусов / Л. П. Титов, В. И. Вотяков // Вес. Нац. акад. наук Беларусi. Сер. мед. навук. – 2011. – № 1. – С. 109‒124.Titov L. P., Votyakov V. I. Genomic-proteomic foundations of viral evolution and molecular epidemiology. Vestsi Natsyyanal’nai akademii navuk Belarusi. Seryya medytsynskіkh navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Medical series, 2011, no. 1, pp. 109‒124 (in Russian).Чиркин, А. А. Биохимия / А. А. Чиркин, Е. О. Данченко. – М. : Мед. литература, 2010. – 624 с.Chirkin A. A., Danchenko E. O. Biochemistry. Moscow, Meditsinskaya literatura Publ., 2010. 624 p. (in Russian).Аллельное разнообразие и филогения генов домашнего хозяйства изолятов N. meningitidis, циркулирующих на территории Республики Беларусь / С. Э. Глазкова [и др.] // Вес. Нац. акад. наук Беларусi. Сер. мед. навук. – 2011. – № 3. – С. 99–105.Glazkova S. E., Titov L. P., Sinyuk K. V., Tulin S., Unemo M. Allelic diversity and phylogeny of housekeeping genes of N. meningitidis isolates circulating in the Republic of Belarus]. Vestsi Natsyyanal’nai akademii navuk Belarusi. Seryya medytsynskіkh navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Medical series, 2011, no. 3, pp. 99‒105 (in Russian).Evolutionary epidemiology of Neisseria meningitidis strains in Belarus compared to other European countries / L. P. Titov [et al.] // Acta Microbiol. Immunol. Hung. – 2013. – Vol. 60, N 4. – P. 397‒410. https://doi.org/10.1556/AMicr.60.2013.4.2Titov L. P., Siniuk K. V., Wollenberg K. K., Unemo M., Hedberg S. T., Glazkova S. E. [et al.]. Evolutionary epidemiology of Neisseria meningitidis strains in Belarus compared to other European countries. Acta Microbiologica et Immunologica Hungarica, 2013, vol. 60, no. 4, pp. 397‒410. https://doi.org/10.1556/AMicr.60.2013.4.2Specificity of the DNA mismatch repair system (MMR) and mutagenesis bias in bacteria / H. Long [et al.] // Mol. Biol. Evol. – 2018. – Vol. 35, N 10. – P. 2414–2421. https://doi.org/10.1093/molbev/msy134Long H., Miller S. F., Williams E., Lynch M. Specificity of the DNA Mismatch Repair System (MMR) and mutagenesis bias in bacteria. Molecular Biology and Evolution, 2018, vol. 35, no. 10, pp. 2414‒2421. https://doi.org/10.1093/molbev/msy134DNA repair profiles of disease-associated isolates of Neisseria meningitidis / T. Davidsen [et al.] // FEMS Immunol. Med. Microbiol. – 2007. – Vol. 49, N 2. – P. 243–251. https://doi.org/10.1111/j.1574-695x.2006.00195.xDavidsen T., Amundsen E. K., Rødland E. A., Tønjum T. DNA repair profiles of disease-associated isolates of Neisseria meningitidis.FEMS Immunology and Medical Microbiology, 2007, vol. 49, no. 2, pp. 243‒251. https://doi.org/10.1111/j.1574-695x.2006.00195.xКребс, Дж. Гены по Льюину / Дж. Кребс, Э. Голдштейн, С. Килпатрик ; пер. с англ. Д. В. Ребрикова, Н. Ю. Усман. ‒ 2-е изд., испр. и доп. – М. : Лаб. знаний, 2017. – 919 с.Krebs J. E., Goldstein E. S., Kilpatrick S. T. Lewin’s genes. Burlington, Jones & Bartlett Learning, 2014. 940 p. (Russ. ed.: Krebs Dzh., Goldshtein E., Kilpatrik S. Geny po L’yuinu. 2nd ed. Moscow, Laboratoriya znanii Publ., 2017. 919 p.).

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