Comparative analysis of the structure and expression of the vasH regulatory gene of type VI secretion system in toxigenic and non-toxigenic Vibrio cholerae strains

Cover Image


Cite item

Full Text

Abstract

Objective. The comparative analysis of the structure of the regulatory gene vasH of the type VI secretion system and its expression in toxigenic and non-toxigenic V. cholerae O1, biovar El Tor strains.

Materials and methods. We used 35 strains isolated from patients and from the environmental samples in the territory of Russia and Ukraine between 1970 and 2017. Analysis of the structure of the vasH gene and the amino acid sequence of the protein was carried out using Ugene 1.32, Mega X, and Bioedit v. 7.0.9.0. The relative level of vasH expression was studied by 2ΔΔCt.

Results. The The structure of the vasH gene and the amino acid sequence of VasH protein in toxigenic typical strains and genovariants of V. cholerae O1, El Tor biovar (genotype ctxA+tcpA+) have been shown to be identical to the reference V. cholerae n16961 O1, El Tor biovar strain. The vasH sequence is variable in isolates lacking ctxA and tcpA genes (ctxA–tcpA–), and does not differ from the reference in ctxA–tcpA+ (with the exception of one strain). The studied toxigenic typical strains and the genovariants have a similar relative level of expression of the vasH gene. In isolates that do not contain the ctxA and tcpA genes, the expression of this gene is comparable to toxigenic strains, and is 3.1 times higher in ctxA–tcpA+ strains than that of ctxA–tcpA– and 2.14–2.6 times higher than that of toxigenic ones.

Conclusion. The analysis of toxigenic and non-toxigenic V. cholerae O1, biovar El Tor strains isolated in Russia and Ukraine in different periods of the current cholera pandemic confirmed the data of foreign researchers on vasH gene being intact in toxigenic isolates and variable in isolates lacking ctxA and tcpA genes. Meanwhile, the structure of vasH gene has been shown to be identical to that of toxigenic ones in 99% of the studied ctxA–tcpA+ strains. The expression of the vasH gene has been detected in all studied strains, being the highest in ctxA–TtcpA+ strains. Only two non-toxigenic strains presumably synthesizing the functionally inactive VasH protein have been identified.

Full Text

Введение

Возбудителями холеры — особо опасной инфекционной болезни с диарейным синдромом — являются токсигенные штаммы Vibrio cholerae, содержащие гены ctxАВ и tcpA-F, кодирующие основные факторы патогенности: соответственно, холерный токсин, вызывающий развитие профузной диареи, и токсин-корегулируемые пили адгезии, необходимые для первого этапа инфекционного процесса — прикрепления вибрионов к эпителиоцитам кишечника [1]. С 1961 г. продолжается седьмая пандемия холеры, вызванная типичными токсигенными штаммами V. cholerae О1 серогруппы El Tor биовара. Постоянно происходящие эволюционные преобразования El Tor вибрионов привели к появлению в 1990-х гг. генетически изменённых штаммов (геновариантов) V. cholerae О1 El Tor биовара с повышенной вирулентностью [2]. Геноварианты быстро вытеснили на эндемичной территории типичные штаммы и явились причиной ряда крупных вспышек холеры в разных странах [3–5]. Типичные штаммы V. cholerae О1 El Tor биовара неоднократно завозились и на территорию России, а с 1993 г. все единичные случаи и вспышки холеры были вызваны геновариантами [6, 7].

Механизмы быстрого распространения геновариантов и замещения типичных штаммов до конца не установлены. В ряде работ показано, что геноварианты не только являются гипервирулентными, но и способны быстро адаптироваться при смене среды обитания [8–10]. Как известно, важная роль в повышении вирулентных и адаптационных свойств холерного вибриона принадлежит недавно обнаруженной системе секреции 6-го типа (Т6SS, от англ. Type 6 secretion system) [11]. Т6SS представляет собой контактзависимую макромолекулярную структуру, напоминающую шприц, с помощью которой грамотрицательные бактерии, включая V. cholerae, транслоцируют внутрь соседних клеток-мишеней токсичные белки-эффекторы. Холерный вибрион использует Т6SS для уничтожения прокариотических и эукариотических клеток: бактерий разных видов, макрофагов, фагоцитирующих амёб, инфузорий, нематод. Активная экспрессия белков-эффекторов повышает выживаемость V. cholerae как in vivo, так и in vitro и даёт ему возможность эффективно конкурировать с бактериями, составляющими микробиом кишечника человека, а также с постоянными обитателями открытых водоёмов при его нахождении в составе биоплёнки во внешней среде [12, 13].

Первые сведения о Т6SS V. cholerae получены при изучении штамма V52 O37 серогруппы, у которого данная система активна в лабораторных условиях [11]. В дальнейшем была исследована структура и функция генов Т6SS у некоторых типичных токсигенных штаммов (N16961, C6706, A1552) V. cholerae О1 El Tor биовара, холерных вибрионов О139 серогруппы, ряда нетоксигенных штаммов V. cholerae О1 El Tor биовара и вибрионов nonО1/nonО139 серогруппы. В то же время функционирование Т6SS у геновариантов V. cholerae О1 El Tor биовара изучено на единичных модельных штаммах [13–21].

Согласно данным литературы, гены, кодирующие белки Т6SS V. cholerae, входят в состав одного большого и нескольких дополнительных (Aux-1, Aux-2, Aux-3, Aux-4, Aux-5) кластеров, расположенных на первой и второй хромосомах V. cholerae [11, 15, 19, 21]. При этом токсигенные штаммы V. cholerae О1 и О139 серогрупп содержат одинаковый набор — большой кластер и три дополнительных (Aux-1, Aux-2, Aux-3). У нетоксигенных штаммов V. cholerae О1 El Tor биовара и штаммов nonО1/nonО139 серогруппы состав и структура генов Т6SS являются вариабельными [19, 22].

На большом кластере находятся гены, кодирующие структурные компоненты Т6SS системы, а также ген vasH (VCA0117), ответственный за биосинтез регуляторного белка VasH, который непосредственно контролирует транскрипцию генов, кодирующих эффекторные белки, расположенные на дополнительных кластерах [11, 23]. В штаммах V. cholerae, лишённых гена vasH, Т6SS является неактивной [23, 24]. Учитывая важную роль белка VasH в функционировании Т6SS, цель нашей работы состояла в проведении сравнительного анализа структуры регуляторного гена vasH системы секреции 6-го типа и его экспрессии в токсигенных и нетоксигенных штаммах V. cholerae О1 серогруппы El Tor биовара.

Материалы и методы

Штаммы бактерий

В работе использовали 35 штаммов V. cholerae О1 серогруппы El Tor биовара: токсигенные типичные и геноварианты, содержащие гены ctxA и tcpA (генотип ctxA+tcpA+); нетоксигенные, не имеющие ген ctxA, но включающие ген tcpA (ctxA-tcpA+), и нетоксигенные, лишённые гена tcpA (ctxA–tcpA–). Штаммы выделены от больных и из внешней среды с 1970 по 2017 г. на территории России и Украины. Исследование проводилось при добровольном информированном согласии пациентов. Протокол исследования одобрен Этическим комитетом Российского научно-исследовательского противочумного института «Микроб» (протокол № 16 от 21.02.2022). Штаммы хранились в лиофильно высушенном состоянии в «Государственной коллекции патогенных бактерий» (РосНИПЧИ «Микроб», Саратов). Для работы бактерии выращивали на пластинах LB агара при 37оС в течение 18–24 ч.

Анализ структуры гена vasH и аминокислотной последовательности белка VasH

Изучение структуры регуляторного гена vasH проводили путём сравнения нуклеотидных последовательностей полных геномов исследуемых штаммов, представленных в NCBI GenBank, с последовательностью референс-штамма V. cholerae N16961 О1 серогруппы El Tor биовара с использованием программ «UGENE v. 1.32» и «MEGA X» («Megasoftware»). Аминокислотную последовательность белка VasH устанавливали с применением freeware-программы «BioEdit v. 7.0.9.0» («BioEdit»).

Изучение экспрессии гена vasH

Для изучения экспрессии гена vasH штаммы выращивали 4 ч с аэрацией в LB-бульоне при 37оС. Относительный уровень экспрессии гена vasH определяли методом 2–ΔΔCt с использованием полимеразной цепной реакции с обратной транскриптазой (ОТ-ПЦР) в режиме реального времени [25]. Для выделения тотальной РНК применяли набор «SV Promega Total RNA Isolation System» («Promega»), для синтеза кДНК на матрице РНК — набор реагентов «Реверта-L» («АмплиСенс»). Для ПЦР с детекцией результатов в режиме реального времени c интеркалирующим красителем использовали комплект реагентов «Thermo Scientific Luminaris Color HiGreen qPCR Master Mix» («Thermo Fisher Scientific») согласно инструкции производителя. Нормализацию полученных данных осуществляли относительно гена домашнего хозяйства recA (VC0543). Последовательности олигонуклеотидных праймеров к гену recA рассчитаны ранее [26], к гену vasH взяты из литературных источников [23]. В качестве штамма-калибратора, значение экспрессии целевого гена vasH которого было принято за единицу, был произвольно выбран штамм V. cholerae M818. Эксперимент проводили в 3 повторах.

Статистический анализ

Статистический анализ полученных экспериментальных данных осуществляли при помощи программ «Microsoft Excel» (стандартный пакет программ «Microsoft Office 2010») и «Statistica 6.0» («Statsoft») путём вычисления среднего арифметического, стандартной ошибки среднего арифметического и доверительного интервала. Достоверность различия между средними величинами оценивали при помощи критерия Стьюдента, различия считали статистически значимыми при p < 0,05.

Результаты

Изучение структуры гена vasH

На первом этапе работы было проведено сравнительное исследование нуклеотидной последовательности гена vasH у токсигенных штаммов V. cholerae О1 El Tor биовара. Произвольно были выбраны 5 типичных штаммов (М1062, М888, М893, 818, М1011) и 13 геновариантов (М1270, М1275, М1293, Р17644, М1327, М1344, М1429, RND18826, Р-18899, L3226, 89, М1509, 3265/80), выделенных, соответственно, в 1970–1972 и 1993–2014 гг. В результате анализа установлено, что у всех взятых в исследование токсигенных штаммов структура гена vasH идентична референс-штамму V. cholerae N16961 О1 El Tor биовара (таблица).

Далее были изучены нетоксигенные штаммы V. cholerae, изолированные с 1981 по 2017 г. от больных, а также из открытых водоёмов при проведении мониторинговых исследований на холеру. Нетоксигенные штаммы включали две группы: изоляты первой содержали ген tcpА, кодирующий токсин-корегулируемые пили адгезии (ctxA–tcpА+), у второй данный ген отсутствовал (ctxA–tcpА–). Наличие и структура мобильных элементов с генами патогенности и эпидемичности в данных штаммах изучена ранее [27]. При анализе нетоксигенных штаммов установлено, что клинические и водные ctxA–tcpА+ изоляты, как и токсигенные штаммы, имели интактный ген vasH. Исключение составил штамм V. cholerae 866 (Ялта, 1996), у которого в начале гена в позиции 55 был делетирован нуклеотид (С) (таблица). У штаммов, не имеющих гены ctxA и tcpА, структура гена vasH была вариабельной, выявлено 6–18 единичных нуклеотидных замен. Несмотря на присутствие значительного количества однонуклеотидных полиморфизмов, они в большинстве были синонимичными. Несинонимичные замены выявлены у 4 штаммов (М1332, 433, 132, М1526). У штамма V. cholerae М1337 (Астрахань, 2000), кроме однонуклеотидных полиморфизмов, в позиции 1341–1352 обнаружена делеция 12 нуклеотидов (таблица).

 

Структура и относительный уровень экспрессии гена vasH в штаммах V. cholerae O1 El Tor биовара / Structure and relative level of expression of the vasH gene in strains of V. cholerae O1 El Tor biovar

No.

Штамм V. cholerae

V. cholerae strain

Место; год; источник выделения штамма

The site, year and source of isolation strains

Структура гена vasH*

vasH* gene structure

Относительный уровень экспрессии гена vasH

Relative level of vasH gene expression

Токсигенные типичные штаммы | Toxigenic typical strains

1.

М1062SSAB01

Россия, Астрахань; 1970; человек

Russia, Astrakhan; 1970; patient

инт

int

0,23 ± 0,015

2.

М888LRBH01

0,4 ± 0,02

3.

М893SSAA01

0,05 ± 0,001

4.

М818LAHM01

Россия, Балаково; 1970; человек

Russia, Balakovo; 1970; patient

инт

int

1,0**

5.

М1011SSAC01

Россия, Уфа; 1972; человек

Russia, Ufa; 1972; patient

инт

int

Не определяли

Not identified

Токсигенные генетически изменённые штаммы | Toxigenic altered strains

6.

М1270VXCC01

Россия, Набережные Челны; 1993; человек

Russia, Naberezhnye Chelny; 1993; patient

инт

int

0,51 ± 0,02

7.

М1275LRAF01

Россия, Дагестан; 1993; человек

Russia, Dagestan; 1993; patient

инт

int

0,40 ± 0,025

8.

М1293JFFW01

Россия, Дагестан; 1994; человек

Russia, Dagestan; 1994; patient

инт

int

0,14 ± 0,015

9.

R17644JRTW01

Россия, Ачинск; 1997; человек

Russia, Achinsk; 1997; patient

инт

int

1,0 ± 0,04

10.

М1327LRFE01

Россия, Дагестан; 1998; человек

Russia, Dagestan; 1998; patient

инт

int

0,63 ± 0,01

11.

М1344NEDY01

Россия, Казань; 2001; человек

Russia, Kazan; 2001; patient

инт

int

0,34 ± 0,015

12.

М1429LAEM01

Россия, Белорецк; 2004; человек

Russia, Beloretsk; 2004; patient

инт

int

0,29 ± 0,025

13.

RND18826AYOM01

Россия, Тверь; 2005; человек

Russia, Tver; 2005; patient

инт

int

0,72 ± 0,015

14.

Р-18899LAKM01

Россия, Мурманск; 2006; человек

Russia, Murmansk; 2006; patient

инт

int

1,09 ± 0,035

15.

L3226JDVX01

Россия, Москва; 2010; человек

Russia, Moscow; 2010; patient

инт

int

0,07 ± 0,001

16.

89NDXR01

Украина, Ялта; 2010; внешняя среда

Ukraine, Yalta; 2010; environmental sample

инт

int

0,16 ± 0,015

17.

M1509NEDZ01

Россия, Москва; 2012; человек

Russia, Moscow; 2012; patient

инт

int

0,49 ± 0,02

18.

3265/80JRQL01

Россия, Москва; 2014; человек

Russia, Moscow; 2014; patient

инт

int

0,6 ± 0,03

Нетоксигенные ctxА–tcpА+ штаммы | Non-toxigenic ctxА–tcpА+ strains

19.

М1395LQBY01

Россия, Астрахань; 1981; внешняя среда

Russia, Astrakhan; 1981; environmental sample

инт

2,13 ± 0,085

20.

56MWRD01

Украина, Мариуполь; 1995; внешняя среда

Ukraine, Mariupol; 1995; environmental sample

инт

int

0,88 ± 0,06

21.

866MWRF01

Украина, Ялта; 1996; внешняя среда

Ukraine, Yalta; 1996; environmental sample

ΔС55

0,77 ± 0,005

22.

85NEDU01

Украина, Бердянск; 1999; человек

Ukraine, Berdyansk; 1999; patient

инт

int

0,30 ± 0,01

23.

Р18778NIFI01

Россия, Ростов; 2005; человек

Russia, Rostov; 2005; patient

инт

int

1,72 ± 0,03

24.

М1501LRAE01

Россия, Элиста; 2011; человек

Russia, Elista; 2011; patient

инт

int

1,75 ± 0,045

25.

М1518LQZR01

Россия, Элиста; 2012; внешняя среда

Russia, Elista; 2012; environmental sample

инт

int

0,64 ± 0,025

26.

М1524LQZS01

Россия, Элиста; 2013; внешняя среда

Russia, Elista; 2013; environmental sample

инт

int

Не определяли

Not identified

27.

2613PYCA01

Россия, Элиста; 2015; внешняя среда

Russia, Elista; 2015; environmental sample

инт

int

0,50 ± 0,03

28.

124PYCD01

Россия, Элиста; 2017; человек

Russia, Elista; 2017; patient

инт

int

0,93 ± 0,01

Штаммы, не имеющие гены ctxА и tcpА | Strains lacking ctxА and tcpА genes

29.

М1332PYCE01

Россия, Челябинск; 2000; человек

Russia, Chelyabinsk; 2000; patient

3/18

0,50 ± 0,005

30.

М1337NEEB01

Россия, Астрахань; 2000; человек

Russia, Astrakhan; 2000; patient

0/8; Δ1341-1352

0,71 ± 0,045

31.

Р-18748NIFH01

Россия, Сочи; 2004; человек

Russia, Sochi; 2004; patient

0/13

0,24 ± 0,005

32.

M1526VUAA01

Россия, Элиста; 2012; внешняя среда

Russia, Elista; 2012; environmental sample

1/6

0,21 ± 0,025

33.

132VUAC01

Россия, Элиста; 2013; внешняя среда

Russia, Elista; 2013; environmental sample

1/9

0,36 ± 0,035

34.

433NEDW01

Россия, Сочи; 2015; внешняя среда

Russia, Sochi; 2015; environmental sample

3/18

Не определяли

Not identified

35.

3178PYCH01

Россия, Элиста; 2017; внешняя среда

Russia, Elista; 2017; environmental sample

0/8

0,07 ± 0,001

Примечание. В надстрочном индексе штаммов указан сокращённый код доступа в GenBank; инт — нуклеотидная последовательность идентична референс-штамму V. cholerae N16961 О1 El Tor биовара; * — цифры через черту (/) показывают количество несинонимичных замен/общее количество замен; ** — штамм-калибратор.

Note. In the superscript, the GenBank accession number is specified; int — nucleotide sequence is identical to the reference strain of V. cholerae N16961 O1, biovar El Tor; * — numbers separated with a slash (/) show the ratio of non-synonymous substitutions to total number of substitutions; ** — calibrator strain.

 

Аминокислотная последовательность белка VasH

Согласно данным литературы, белок VasH включает 530 аминокислот и функционально разделён на три участка: N-терминальный регуляторный (1–187), воспринимающий сигналы внешней среды; центральный (193–414) и С-терминальный (485–525) с ДНК-связывающим НТН (496–512) доменом. Белок VasH активен только при взаимодействии с альтернативной σ54 субъединицей (белок RpoN), связывание с которой происходит в центральном домене, где расположены Walker A (220–229) и Walker B (286–296) мотивы. Мутанты с делетированными НТН или Walker доменами синтезируют функционально неактивный белок VasH [11, 23, 24].

Изучение последовательности аминокислот в VasH белке у взятых в анализ штаммов V. cholerae О1 El Tor биовара показало, что у всех токсигенных изолятов она идентична референс-штамму (таблица). У нетоксигенных ctxA–tcpA+ штаммов, за исключением V. cholerae 866, последовательность аминокислот в VasH также была идентична референсному. Делеция одного нуклеотида в начале гена в штамме 866 привела к изменению всей аминокислотной последовательности белка (рисунок). Вполне вероятно, что синтезируемый данным штаммом белок-регулятор VasH будет функционально неактивным.

 

Фрагменты аминокислотной последовательности белка VasH некоторых штаммов V. cholerae. ref — референс-штамм V. cholerae N16961 О1 El Tor биовара. Жирным шрифтом выделены изменённые участки. / Fragments of the amino acid sequence of VasH protein of some Vibrio cholerae strains. ref — reference strain V. cholerae N16961 O1, El Tor biovar. Altered regions are highlighted in bold.

 

У штаммов Р-18748 и 3178, имеющих только синонимичные замены, аминокислотная последовательность VasH белка идентична референсному. В штамме М1337 в результате делеции большого участка гена значительно изменена карбоксильная область белка, затронувшая и НТН домен (рисунок). Подобные изменения приводят к биосинтезу белка, не способного взаимодействовать с генами-мишенями [23].

Несинонимичные однонуклеотидные полиморфизмы в штаммах V. cholerae M1526, 132, М1332 и 433 вызвали замены аминокислот в различных участках белковой молекулы VasH. В штамме М1526 в регуляторной аминотерминальной области вместо аспарагиновой кислоты включён гистидин (H116D). У штамма V. cholerae 132 в линкерной области между Walker A и Walker B доменами выявлен лизин (A267L). В штаммах М1332 и 433 в начале регуляторного N участка присутствует изолейцин (I14V), а не валин, как у референсного, а в линкерной области между σ54-связывающим и НТН доменами произошла смена аминокислот S447P и V449A. Однако, по данным литературы, указанные замены не влияют на функциональные свойства белка VasH [23].

Уровень экспрессии гена vasH

Заключительный этап работы был посвящён определению у взятых в анализ штаммов относительного уровня экспрессии гена vasH. В результате значительные отличия между типичными штаммами V. cholerae О1 El Tor биовара и геновариантами по экспрессии данного гена не выявлены. У типичных штаммов среднее значение относительного уровня экспрессии гена vasH составило 0,42, у геновариантов — 0,5 (таблица). У изолятов, не имеющих гены ctxA и tcpA, экспрессия vasH также была невысокой (среднее значение 0,35). В то же время выявлено статистически достоверное (p < 0,05) различие в уровне экспрессии vasH у штаммов с генотипом ctxA–tcpA+. Они отличались повышенным уровнем экспрессии данного гена (среднее значение 1,07). Среди штаммов данной группы выявлены три (М1395, Р18778, М1501), которые имели наиболее высокий уровень экспрессии гена vasH по сравнению с другими взятыми в работу штаммами (выделены жирным шрифтом в таблице).

Обсуждение

В ранее проведённой работе при сравнительном протеомном масс-спектрометрическом сканировании бактериальных лизатов клеток типичного штамма V. cholerae М1062 О1 El Tor биовара и геноварианта М1509, выращенных в LB-бульоне при 37оС, у последнего было обнаружено присутствие 2 белков Т6SS [28]. Отсутствие биосинтеза белков Т6SS в лабораторных условиях у типичного токсигенного штамма согласуется с данными литературы. У указанных штаммов Т6SS активна только in vivo или при культивировании в определённых условиях — повышенная осмолярность среды с содержанием 300 мМ NaCl, сниженная до 26оС температура [17]. Обнаружение экспрессии белков Т6SS у геноварианта позволило высказать предположение, что у данных штаммов изменился механизм регуляции Т6SS и она стала активной при культивировании штаммов в лабораторных условиях. Проверку данной гипотезы мы начали с изучения структуры и экспрессии глобального регуляторного гена vasH. В результате установлено, что у всех изученных типичных штаммов и геновариантов V. cholerae О1 El Tor биовара нуклеотидная последовательность гена vasH идентична референс-штамму V. cholerae N16961 О1 El Tor биовара. Отличия между ними по экспрессии указанного гена также не выявлены (таблица). Видимо, указанные штаммы различаются по экспрессии других генов Т6SS, но для проверки данного предположения необходимы дальнейшие исследования.

Кроме завезённых токсигенных штаммов, в работе были использованы штаммы V. cholerae О1 El Tor биовара, не имеющие гены ctxA и tcpA (таблица). Важность исследования данных штаммов заключается в том, что при попадании в организм человека они не способны вызвать холеру, но могут быть причиной острых кишечных инфекций. Нетоксигенные штаммы ежегодно выделяются из водных объектов нашей страны при мониторинговых исследованиях. При этом механизмы их длительного сохранения во внешней среде до конца не изучены. Из литературных источников известно, что водные штаммы V. cholerae являются гетерогенной группой по составу и структуре генов Т6SS [19, 22], которые активно экспрессируются в данных штаммах, что повышает их выживаемость во внешней среде [16, 29].

Проведённые нами исследования показали, что вариабельным ген vasH был только у штаммов, не содержащих гены ctxA и tcpA; 90% взятых в анализ ctxA–tcpA+ штаммов, подобно токсигенным, имели интактную последовательность гена vasH (таблица). При изучении экспрессии гена vasH с использованием ОТ-ПЦР в режиме реального времени выявлено, что относительный уровень экспрессии данного гена у ctxA–tcpA+ штаммов в среднем в 3,1 раза выше, чем у изолятов, не имеющих гены ctxA и tcpA, а также в 2,6 и 2,14 раза больше, соответственно, чем у типичных штаммов и геновариантов. Именно среди ctxA–tcpA+ штаммов выявлены 3 изолята (М1395, Р18778, М1501), экспрессия vasH у которых была наибольшей (таблица). Для установления причины повышенной экспрессии vasH в ctxA–tcpA+ штаммах нами был проведён анализ структуры гена rpoS (VC0534), кодирующего биосинтез σ54-РНК полимеразы, необходимой для активации транскрипции vasH [23, 24]. Однако полученные сведения не позволили решить указанную проблему (данные не приводятся). Возможно, увеличение транскрипции vasH у ctxA–tcpA+ штаммов может быть обусловлено изменениями в экспрессии гена rpoS или структуре и экспрессии негативных регуляторов luxO (VC1021) и tsrA (VC0070), блокирующих транскрипцию vasH [13, 15]. Планируется продолжение данных исследований.

Заключение

При сравнительном анализе токсигенных и нетоксигенных штаммов V. cholerae О1 El Tor биовара, изолированных на территории России и Украины с 1970 по 2017 г., подтверждены данные зарубежных исследователей о наличии интактного гена vasH у токсигенных штаммов V. cholerae О1 El Tor биовара и вариабельного у штаммов, не содержащих гены ctxA и tcpA. В то же время в данной работе показано, что изученные нетоксигенные ctxA–tcpA+ изоляты, как и токсигенные штаммы, имеют интактный ген vasH. Транскрипционная активность гена vasH выявлена у всех взятых в анализ штаммов, а наибольший уровень экспрессии данного гена отмечен у ctxA–tcpA+ штаммов. Необходимо отметить, что среди изученных 35 штаммов обнаружено только два нетоксигенных изолята (866, М1337 — 5,7%), предположительно синтезирующих функционально неактивный белок VasH, что ещё раз указывает на важную роль данного регулятора в биологии V. cholerae.

×

About the authors

Svetlana P. Zadnova

Russian Research Anti-Plague Institute “Microbe”

Author for correspondence.
Email: svetlanazadnova@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4366-0562

D. Sci. (Biol), leading researcher, Laboratory of pathogenic vibrios

Russian Federation, Saratov

Nikita A. Plekhanov

Russian Research Anti-Plague Institute “Microbe”

Email: svetlanazadnova@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2355-7018

Cand. Sci. (Biol.), senior researcher, Laboratory of pathogenic vibrios

Russian Federation, Saratov

Alina Yu. Spirina

Russian Research Anti-Plague Institute “Microbe”

Email: svetlanazadnova@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9779-166X

junior researcher, Laboratory of pathogenic vibrios

Russian Federation, Saratov

Andrey A. Kritskiy

Russian Research Anti-Plague Institute “Microbe”

Email: svetlanazadnova@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5506-4285

Cand. Sci. (Biol.), Head, Laboratory of pathogenic vibrios

Russian Federation, Saratov

References

  1. Kaper J.B., Morris J., Levin M. Cholera. Clin. Microbiol. Rev. 1995; 8(1): 48–89. https://doi.org/10.1128/CMR.8.1.48.
  2. Nair G.B., Faruque S.M., Bhuiyan N.A., Kamruzzaman M., Siddique A.K., Sack D.A. New variants of Vibrio cholerae O1 biotype El Tor with attributes of the classical biotype from hospitalized patients with acute diarrhea in Bangladesh. J. Clin. Microbiol. 2002; 40(9): 3296–9. https://doi.org/10.1128/jcm.40.9.3296-3299.2002
  3. Chin C.S., Sorenson J., Harris J.B., Robins W.P., Charles R.C., Jean-Charles R.R., et al. The origin of the Haitian cholera outbreak strain. N. Engl. J. Med. 2011; 364(1): 33–42. https://doi.org/10.1056/NEJMoa1012928
  4. Bundi M., Shah M.M., Odoyo E., Kathiiko C., Wandera E., Miring’u G., et al. Characterization of Vibrio cholerae O1 isolates responsible for cholera outbreaks in Kenya between 1975 and 2017. Microbiol. Immunol. 2019; 63(9): 350–8. https://doi.org/10.1111/1348-0421.12731
  5. Weill F.X., Domman D., Njamkepo E., Almesbahi A.A., Naji M., Nasher S.S., et al. Genomic insights into the 2016-2017 cholera epidemic in Yemen. Nature. 2019; 565(7738): 230–3. https://doi.org/10.1038/s41586-018-0818-3
  6. Smirnova N.I., Zadnova S.P., Shashkova A.V., Kutyrev V.V. Genome variability in the altered variants of Vibrio cholerae biovar El Tor isolated in Russia. Molekulyarnaya genetika, mikrobiologiya i virusologiya. 2011; 26(3): 102–10. https://doi.org/10.3103/S0891416811030062
  7. Mironova L.V., Balakhonov S.V., Urbanovich L.Ya., Polovinkina V.S., Kozhevnikova A.S., Kulikalova E.S., et al. Detection of "hybrid" Vibrio cholerae El Tor strains during epidemic complications in Siberia and Far East. Zhurnal mikrobiologii, epidemiologii i immunobiologii. 2011; 88(5): 12–8. (in Russian)
  8. Zadnova S.P., Kul'shan' T.A., Cheldyshova N.B., Kritskiy A.A., Plekhanov N.A., Smirnova N.I. Comparative analysis of survival capacity among typical and genovariant strains of Vibrio cholerae, biovar El Tor in vivo and in vitro. Problemy osobo opasnykh infektsiy. 2015; (4): 65–9. https://doi.org/10.21055/0370-1069-2015-4-65-69 (in Russian)
  9. Son M.S., Megli C.J., Kovacikova G., Qadri F., Taylor R.K. Characterization of Vibrio cholerae O1 El Tor biotype variant clinical isolates from Bangladesh and Haiti, including a molecular genetic analysis of virulence genes. J. Clin. Microbiol. 2011; 49(11): 3739–49. https://doi.org/10.1128/JCM.01286-11
  10. Satchell K.J.F., Jones C.J., Wong J., Queen J., Agarwal S., Yildiz F.H. Phenotypic analysis reveals that the 2010 Haiti cholera epidemic is linked to a hypervirulent strain. Infect. Immun. 2016; 84(9): 2473–81. https://doi.org/10.1128/IAI.00189-16
  11. Pukatzki S., Ma A.T., Sturtevant D., Krastins B., Sarracino D., Nelson W.C., et al. Identification of a conserved bacterial protein secretion system in Vibrio cholerae using the Dictyostelium host model system. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2006; 103(5): 1528–33. https://doi.org/10.1073/pnas.0510322103
  12. Ma A.T., McAuley S., Pukatzki S., Mekalanos J.J. Translocation of a Vibrio cholerae type VI secretion effector requires bacterial endocytosis by host cells. Cell. Host. Microbe. 2009; 5(3): 234–43. https://doi.org/10.1016/j.chom.2009.02.005
  13. Joshi A., Kostiuk B., Rogers A., Teschler J., Pukatzki S., Yildiz F.H. Rules of engagement: the type VI secretion system in Vibrio cholerae. Trends. Microbiol. 2017; 25(4): 267–79. https://doi.org/10.1016/j.tim.2016.12.003
  14. Monakhova E.V., Bozhko N.V. Study of the expression of contact-dependent secretion systems by cholera vibrios on a model Dictyostelium discoideum. Zhurnal mikrobiologii, epidemiologii i immunobiologii. 2010; 87(4): 89–92. (in Russian)
  15. Zheng J., Shin O.S., Cameron D.E., Mekalanos J.J. Quorum sensing and a global regulator TsrA control expression of type VI secretion and virulence in Vibrio cholerae. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2010; 107(49): 21128–33. https://doi.org/10.1073/pnas.1014998107
  16. Miyata S.T., Kitaoka M., Wieteska L., Frech C., Chen N., Pukatzki S. The Vibrio cholerae type VI secretion system: evaluating its role in the human disease cholera. Front. Microbiol. 2010; 1: 117. https://doi.org/10.3389/fmicb.2010.00117
  17. Ishikawa T., Sabharwal D., Bröms J., Milton D.L., Sjöstedt A., Uhlin B.E., et al. Pathoadaptive conditional regulation of the type VI secretion system in Vibrio cholerae O1 strains. Infect. Immun. 2012; 80(2): 575–84. https://doi.org/10.1128/IAI.05510-11
  18. Miyata S.T., Unterweger D., Rudko S.P., Pukatzki S. Dual expression profile of type VI secretion system immunity genes protects pandemic Vibrio cholerae. PLoS Pathog. 2013; 9(12): e1003752. https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1003752
  19. Unterweger D., Miyata S.T., Bachmann V., Brooks T.M., Mullins T., Kostiuk B., et al. The Vibrio cholerae type VI secretion system employs diverse effector modules for intraspecific competition. Nat. Commun. 2014; 5: 3549. https://doi.org/10.1038/ncomms4549
  20. Townsley L., Mangus M.P.S., Mehic S., Yildiz F.H. Response of Vibrio cholerae to low temperature shifts: CspV regulation of type VI secretion, biofilm formation, and association with zooplankton. Appl. Environ. Microbiol. 2016; 82(14): 4441–52. http://dx.doi.org/10.1128/AEM.00807-16.
  21. Crisan C.V., Chande A.T., Williams K., Raghuram V., Rishishwar L., Steinbach G., et al. Analysis of Vibrio cholerae genomes identifies new type VI secretion system gene clusters. Gen. Biol. 2019; 20(1): 163. https://doi.org/10.1186/s13059-019-1765-5
  22. Santoriello F.J., Michel L., Unterweger D., Pukatzki S. Pandemic Vibrio cholerae shuts down site-specific recombination to retain an interbacterial defence mechanism. Nat. Commun. 2020; 11(1): 6246. https://doi.org/10.1038/s41467-020-20012-7
  23. Kitaoka M., Miyata S.T., Brooks T.M., Unterweger D., Pukatzki S. VasH is a transcriptional regulator of the type VI secretion system functional in endemic and pandemic Vibrio cholerae. J. Bacteriol. 2011; 193(23): 6471–82. https://doi.org/10.1128/JB.05414-11
  24. Seibt H., Aung K.M., Ishikawa T., Sjöström A., Gullberg M., Atkinson G.C., et al. Elevated levels of VCA0117 (VasH) in response to external signals activate the type VI secretion system of Vibrio cholerae O1 El Tor A1552. Environ. Microbiol. 2020; 22(10): 4409–23. https://doi.org/10.1111/1462-2920.15141
  25. Livak K.J., Schmittgen T.D. Analysis of relative gene expression data using Real-Time quantitative PCR and the 2-ΔΔCt method. Methods. 2001; 25(4): 402–8. https://doi.org/10.1006/meth.2001.1262
  26. Kritskiy A.A., Cheldyshova N.B., Tuchkov I.V., Smirnova N.I. Development of the algorithm for identification of the level of Vibrio cholerae ctxA and toxR gene expression using RT-PCR with Real-Time hybridization-fluorescent registration of results. Problemy osobo opasnykh infektsiy. 2017; (3): 53–7. https://doi.org/10.21055/0370-1069-2017-3-53-57 (in Russian)
  27. Smirnova N.I., Agafonova E.Yu., Shchelkanova E.Yu., Agafonov D.A., Krasnov Ya.M., Livanova L.F., et al. Genomic diversity of nontoxigenic Vibrio cholerae O1 strains isolated in the territory of Russia and neighboring states. Molekulyarnaya genetika, mikrobiologiya i virusologiya. 2018; 36(2): 97–109. https://doi.org/10.18821/0208-0613-2018-36-2-76-84 (in Russian)
  28. Zadnova S.P., Badanin D.V., Plekhanov N.A., Polunina T.A., Kotova N.V., Kritskiy A.A., et al. Comparative proteomic profiles of typical strain and genetically altered variant of Vibrio cholerae O1, biovar El Tor. Problemy osobo opasnykh infektsiy. 2020; (3): 150–3. https://doi.org/10.21055/0370-1069-2020-3-150-153 (in Russian)
  29. Bernardy E.E., Turnsek M.A., Wilson S.K., Tarr C.L., Hammer B.K. Diversity of clinical and environmental isolates of Vibrio cholerae in natural transformation and contact-dependent bacterial killing indicative of type VI secretion system activity. Appl. Environ. Microbiol. 2016; 82(9): 2833–42. https://doi.org/10.1128/AEM.00351-16

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fragments of the amino acid sequence of VasH protein of some Vibrio cholerae strains. ref — reference strain V. cholerae N16961 O1, El Tor biovar. Altered regions are highlighted in bold.

Download (471KB)

Copyright (c) 2023 Zadnova S.P., Plekhanov N.A., Spirina A.Y., Kritskiy A.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: ПИ № ФС77-75442 от 01.04.2019 г.


This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies