Journal of microbiology, epidemiology and immunobiologyJournal of microbiology, epidemiology and immunobiologyЖурнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии0372-93112686-7613Central Research Institute for Epidemiology1850710.36233/0372-9311-483lnznojORIGINAL RESEARCHESОРИГИНАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯResearch ArticlePolymorphism of spore germination receptor genes in Bacillus anthracis strains of major genetic lineagesПолиморфизм генов рецепторов герминации спор у штаммов Bacillus anthracis основных генетических линийhttps://orcid.org/0000-0002-1117-1185EremenkoEvgeny I.ЕременкоЕвгений Иванович
Russian Federation

D. Sci. (Med.), Prof., chief scientist, Anthrax laboratory

д.м.н., профессор, г.н.с. лаб. сибирской язвы

ejer@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5196-784XRyazanovaAlla G.РязановаАлла Геннадьевна
Russian Federation

Cand. Sci. (Med.), Head, Anthrax laboratory

к.м.н., зав. лаб. сибирской язвы

ejer@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7033-9972PechkovskiiGrigorii A.ПечковскийГригорий Александрович
Russian Federation

junior researcher, Anthrax laboratory

м.н.с. лаб. сибирской язвы

ejer@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6458-6790PisarenkoSergey V.ПисаренкоСергей Владимирович
Russian Federation

Cand. Sci. (Chem.), leading researcher, Laboratory of biochemistry

к.х.н., в.н.с. лаб. биохимии

ejer@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9366-5647KovalevDmitry A.КовалевДмитрий Анатольевич
Russian Federation

Cand. Sci. (Chem.), Head, Laboratory of biochemistry

к.х.н., зав. лаб. биохимии

ejer@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7744-3112AksenovaLyudmila Yu.АксеноваЛюдмила Юрьевна
Russian Federation

Cand. Sci. (Med.), senior researcher, Anthrax laboratory

к.м.н., с.н.с. лаб. сибирской язвы

ejer@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0274-898XSemenovaOlga V.СеменоваОльга Викторовна
Russian Federation

Cand. Sci. (Biol.), researcher, Anthrax laboratory

к.б.н., н.с. лаб. сибирской язвы

ejer@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9362-3949KulichenkoAlexander N.КуличенкоАлександр Николаевич
Russian Federation

D. Sci. (Med.), Prof., Academician of RAS, Director

академик РАН, д.м.н., профессор, директор

ejer@mail.ruStavropol Plague Control Research InstituteСтавропольский противочумный институт10052024101223724724122023Copyright ©; 2024, Eremenko E.I., Ryazanova A.G., Pechkovskii G.A., Pisarenko S.V., Kovalev D.A., Aksenova L.Y., Semenova O.V., Kulichenko A.N.Copyright ©; 2024, Еременко Е.И., Рязанова А.Г., Печковский Г.А., Писаренко С.В., Ковалев Д.А., Аксенова Л.Ю., Семенова О.В., Куличенко А.Н.2024Eremenko E.I., Ryazanova A.G., Pechkovskii G.A., Pisarenko S.V., Kovalev D.A., Aksenova L.Y., Semenova O.V., Kulichenko A.N.Еременко Е.И., Рязанова А.Г., Печковский Г.А., Писаренко С.В., Ковалев Д.А., Аксенова Л.Ю., Семенова О.В., Куличенко А.Н.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://microbiol.crie.ru/jour/article/view/18507

Introduction. The genetic structure of the global population of Bacillus anthracis characterized by an unequal distribution of isolates of the main genetic lineages A, B and C, the reason for which is unknown. Determining the characteristics of genes encoding factors that determine the existence of this pathogen at the intra- and extra organismal stages of the life cycle, which can influence the prevalence of strains, is relevant.

Aim — сharacterization of the genes and proteins of spore germination in strains of the anthrax pathogen of different genetic lineages.

Materials and methods. Whole genome sequences of 46 B. anthracis strains and the CI strain of B. cereus biovar anthracis from the NCBI GenBank database studied. In silico analysis carried out using the programs “BLASTn”, “MEGA X”, “Tandem Repeat Finder”.

Results. The number of SNPs, indels and pseudogenes in B. anthracis strains of line B was 2,7–25,6 times higher, in line C 2–23,5 times, and in the B. cereus biovar anthracis strain was 20–2841 times higher than in strains of line A. Significant substitutions in genes leading to changes in the amino acid composition of 10 germination receptor proteins were also significantly more common in B. anthracis strains of lines B, C and the B. cereus biovar anthracis strain.

Undescribed VNTRs within the gerHA gene with repeat units of 78 and 117 bp identified, varying between and within isolates of different genetic lineages. Six germination receptor genes have been shown to have rare starting codons.

Conclusion. A larger number of non-synonymous SNPs in the genes of spore germination receptors with changes in the amino acid composition of proteins in B. anthracis strains of the main genetic lines B, C and B. cereus biovar anthracis than in strains of line A suggests their limited adaptive capabilities and may be one of the explanations for the lower prevalence compared to line A. Differences in the gerHA and gerM genes make it possible to differentiate the major B and C genetic lineages from A.

Введение. Генетическая структура глобальной популяции Bacillus anthracis характеризуется неравной распространённостью изолятов основных генетических линий A, B и C, причина которой не установлена. Актуально определение особенностей генов, кодирующих факторы, определяющие существование этого патогена на внутри- и внеорганизменной стадиях жизненного цикла, которые могут влиять на распространённость штаммов.

Цель работы — характеристика генов и белков герминации спор у штаммов B. anthracis разных генетических линий.

Материалы и методы. Изучены полногеномные последовательности 46 штаммов B. anthracis и штамма CI B. cereus biovar anthracis из базы данных GenBank NCBI. Анализ in silico проводили в программах «BLASTn», «MEGA X», «Tandem Repeat Finder».

Результаты. Количество однонуклеотидных полиморфизмов (SNP), инделов и псевдогенов у штаммов B. anthracis линии B было больше в 2,7–25,6 раза, линии C — в 2,0–3,5 раза, а у штамма B. cereus biovar anthracis — в 20–2841 раз, чем у штаммов линии A. Значимые замены в генах, приводящие к изменению аминокислотного состава 10 белков рецепторов герминации, также значительно чаще встречались у штаммов B. anthracis линий B, С и штамма B. cereus biovar anthracis.

Идентифицированы неописанные VNTR в пределах гена gerHA с единицей повтора 78 и 117 п.н. и SNP в гене gerM, варьирующие между и внутри изолятов разных генетических линий. Показано, что 6 генов рецепторов герминации имеют редкие стартовые кодоны.

Заключение. Большее количество несинонимичных SNP в генах рецепторов герминации спор c изменением аминокислотного состава и, вероятно, функции белков у штаммов B. anthracis основных генетических линий B, С и B. cereus biovar anthracis, чем у штаммов линии A, может определять их ограниченные адаптационные возможности и быть одним из объяснений меньшей распространённости по сравнению с линией A. Различия в генах gerHA и gerM позволяют дифференцировать основные генетические линии B и C от A.

Bacillus anthracisgenetic lineagesgenes and proteins of spore germination receptorsBacillus anthracisгенетические линиигены и белки рецепторов герминации спорVan Ert M.N., Easterday W.R., Huynh L.Y., et al. Global genetic population structure of Bacillus anthracis. PLoS One. 2007;2(5):e461. doi: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0000461Sahl J.W., Pearson T., Okinaka R., et al. A Bacillus anthracis genome sequence from the Sverdlovsk 1979 autopsy specimens. mBio. 2016;7(5):e01501-16. doi: https://doi.org/10.1128/mBio.01501-16Pilo P., Frey J. Pathogenicity, population genetics and dissemination of Bacillus anthracis. Infect. Genet. Evol. 2018;64:115–25. doi: https://doi.org/10.1016/j.meegid.2018.06.024Leendertz F.H., Ellerbrok H., Boesch C., et al. Anthrax kills wild chimpanzees in a tropical rainforest. Nature. 2004;430(6998):451–2. doi: https://doi.org/10.1038/nature02722Klee S.R., Brzuszkiewicz E.B., Nattermann H., et al. The genome of a bacillus isolate causing anthrax in chimpanzees combines chromosomal properties of B. cereus with B. anthracis virulence plasmids. PLoS One. 2010;5(7):e10986. doi: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0010986Еременко Е.И., Печковский Г.А., Рязанова А.Г. и др. Анализ in silico геномов штаммов Bacillus anthracis главных генетических линий. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2023;100(3):155–65. Eremenko E.I., Pechkovskiy G.A., Ryazanova A.G., et al. In silico analysis of genomes of Bacillus anthracis strains belonging to major genetic lineages. Journal of Microbiology, Epidemiology and Immunobiology. 2023;100(3):155–65. DOI: https://doi.org/10.36233/0372-9311-385 EDN: https://elibrary.ru/ocpnyxCarr K.A., Lybarger S.R., Anderson E.C., et al. The role of Bacillus anthracis germinant receptors in germination and virulence. Mol. Microbiol. 2010;75(2):365–75. doi: https://doi.org/10.1111/j.1365-2958.2009.06972.xIreland J.A.W., Hanna P.C. Amino acid- and purine ribonucleoside-induced germination of Bacillus anthracis DeltaSterne endospores: gerS mediates responses to aromatic ring structures. J. Bacteriol. 2002;184(5):1296–303. doi: https://doi.org/10.1128/jb.184.5.1296-1303.2002Weiner M.A., Read T.D., Hanna P.C. Identification and characterization of the gerH operon of Bacillus anthracis endospores: a differential role for purine nucleosides in germination. J. Bacteriol. 2003;185(4):1462–4. doi: https://doi.org/10.1128/jb.185.4.1462-1464.2003Fisher N., Hanna P. Characterization of Bacillus anthracis germinant receptors in vitro. J. Bacteriol. 2005;187(23):8055–62. DOI: https://doi.org/10.1128/JB.187.23.8055-8062.2005Еременко Е.И., Цыганкова О.И., Рязанова А.Г., Цыганкова Е.А. Прорастание спор возбудителя сибирской язвы. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2006;(1):72–4. Eremenko E.I., Tsygankova O.I., Ryazanova A.G., Tsygankova E.A. Germination of Bacillus anthracis spores. Journal of Microbiology, Epidemiology and Immunobiology. 2006;83(1):72–4. EDN: https://elibrary.ru/jumukxMoir A. Spore germination receptors — a new paradigm. Trends Microbiology. 2023;31(8):767–8. doi: https://doi.org/10.1016/j.tim.2023.05.012Setlow B., Melly E., Setlow P. Properties of spores of bacillus subtilis blocked at an intermediate stage in spore germination. J. Bacteriol. 2001;183(16):4894–9. doi: https://doi.org/10.1128/JB.183.16.4894-4899.2001Guidi-Rontani C., Pereira Y., Ruffie S., et al. Identification and characterization of a germination operon on the virulence plasmid pXOl of Bacillus anthracis. Mol. Microbiol. 1999;33(2):407–14. doi: https://doi.org/10.1046/j.1365-2958.1999.01485.xSirard J.C., Guidi–Rontani C., Fouet A., Mock M. Characterization of a plasmid region involved in Bacillus anthracis toxin production and pathogenesis. Int. J. Med. Microbiol. 2000;290(4-5):313–6. doi: https://doi.org/10.1016/s1438-4221(00)80030-2Carr K.A., Janes B.K., Hanna P.C. Role of the gerP operon in germination and outgrowth of Bacillus anthracis spores. PLoS One. 2010;5(2):e9128. doi: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0009128Еременко Е.И., Рязанова А.Г., Писаренко С.В. и др. Новые генетические маркеры для молекулярного типирования штаммов Bacillus anthracis. Проблемы особо опасных инфекций. 2019;(3):43–50. Eremenko E.I., Ryazanova A.G., Pisarenko S.V., et al. New genetic markers for molecular typing of Bacillus anthracis strains. Problems of Particularly Dangerous Infections. 2019;(3):43–50. doi: https://doi.org/10.21055/0370-1069-2019-3-43-50 EDN: https://elibrary.ru/pgefkdPearson T., Busch J.D., Ravel J., et al. Phylogenetic discovery bias in Bacillus anthracis using single-nucleotide polymorphisms from whole-genome sequencing. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2004;101(37):13536–41. doi: https://doi.org/10.1073/pnas.0403844101Derzelle S., Aguilar-Bultet L., Frey J. Whole genome SNP analysis of bovine B. anthracis strains from Switzerland reflects strict regional separation of Simmental and Swiss Brown breeds in the past. Vet. Microbiol. 2016;196:1–8. doi: https://doi.org/10.1016/j.vetmic.2016.10.014Eremenko E., Pechkovskii G., Pisarenko S., et al. Phylogenetics of Bacillus anthracis isolates from Russia and bordering countries. Infect. Genet. Evol. 2021;92:104890. doi: https://doi.org/10.1016/j.meegid.2021.104890Timofeev V., Bahtejeva I., Mironova R., et al. Insights from Bacillus anthracis strains isolated from permafrost in the tundra zone of Russia. PLoS One. 2019;14(5):e0209140. doi: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0209140