Journal of microbiology, epidemiology and immunobiologyJournal of microbiology, epidemiology and immunobiologyЖурнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии0372-93112686-7613Central Research Institute for Epidemiology1874910.36233/0372-9311-640XNHHRXORIGINAL RESEARCHESОРИГИНАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯResearch ArticleAnalysis of the gene structure of antiphage systems of non-toxigenic strains of Vibrio cholerae O1 biovar El TorАнализ генов антифаговых систем нетоксигенных штаммов Vibrio cholerae О1 биовара Эль Торhttps://orcid.org/0000-0003-4366-0562ZadnovaSvetlana P.ЗадноваСветлана Петровна
Russian Federation

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

д-р биол. наук, в. н. с., зав. лаб. патогенных вибрионов отдела микробиологии

svetlanazadnova@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2355-7018PlekhanovNikita A.ПлехановНикита Александрович
Russian Federation

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

канд. биол. наук, с. н. с. лаб. патогенных вибрионов отдела микробиологии

muscari.sp@icloud.comhttps://orcid.org/0009-0003-7525-9682SergutinDanil A.СергутинДанил Александрович
Russian Federation

Laboratory assistant, Laboratory of pathogenic vibrios

лаборант-исследователь лаб. патогенных вибрионов отдела микробиологии

sergutin322@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5759-3765CheldyshovaNadezhda B.ЧелдышоваНадежда Борисовна
Russian Federation

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

канд. мед. наук, с. н. с. лаб. патогенных вибрионов отдела микробиологии

rusrapi@microbe.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7190-4427FedorovAndrey V.ФедоровАндрей Витальевич
Russian Federation

Junior researcher, Laboratory of genomic and proteomic analysis

м. н. с. лаб. геномного и протеомного анализа отдела микробиологии

rusrapi@microbe.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4909-2394KrasnovYaroslav M.КрасновЯрослав Михайлович
Russian Federation

Cand. Sci. (Chem.), Head, Laboratory of genomic and proteomic analysis

канд. хим. наук, зав. лаб. геномного и протеомного анализа отдела микробиологии

rusrapi@microbe.ruResearch Anti-Plague Institute “Microbe”Российский противочумный институт «Микроб» Роспотребнадзора15092025102445646429012025Copyright ©; 2025, Zadnova S.P., Plekhanov N.A., Sergutin D.A., Cheldyshova N.B., Fedorov A.V., Krasnov Y.M.Copyright ©; 2025, Заднова С.П., Плеханов Н.А., Сергутин Д.А., Челдышова Н.Б., Федоров А.В., Краснов Я.М.2025Zadnova S.P., Plekhanov N.A., Sergutin D.A., Cheldyshova N.B., Fedorov A.V., Krasnov Y.M.Заднова С.П., Плеханов Н.А., Сергутин Д.А., Челдышова Н.Б., Федоров А.В., Краснов Я.М.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://microbiol.crie.ru/jour/article/view/18749

Introduction. The presence and structure of antiphage systems that contribute to the resistance of cholera vibrios to lytic phages in non-toxigenic strains of Vibrio cholerae O1 biovar El Tor isolated in the Russian Federation and neighboring countries has not been studied.

The aim of the study is the detection and analysis of antiphage systems of non-toxigenic strains of V. cholerae O1 biovar El Tor.

Materials and methods. The study involved 126 non-toxigenic (ctxAB–tcpA+ and ctxAB–tcpA–) strains of V. cholerae O1 El Tor isolated from 1972 to 2018. DNA sequencing was performed on the MGI DNBSEQ-G50 platform. For bioinformatics analysis, the following programs were used: fastp v. 0.23, unicycler v. 0.4.7, Blast 2.16.0, MEGA X, CRISPRCasty-per and CRISPRCasFinder.

Results. Phage-inducible islands of the PLE, BREX and DISARM systems were not detected in the genome of the studied strains. It was found that 80% of ctxAB–tcpA+ strains contain the type I restriction-modification system, while this system was not detected in ctxAB–tcpA– isolates. The genes of the CBASS system were detected in single strains of both groups. In the genome of 35 (32%) studied ctxAB–tcpA– strains isolated in different regions of the Russian Federation and neighboring countries, the presence of the CRISPR–Cas system of class 1 types I (subtypes I-E, I-F, I-C) and III (subtype III-B) was established. The number of spacers in this system varied from 0 to 80 and their sequence was homologous to the protospacer regions of DNA of lytic and temperate phages, transposons, plasmids of V. cholerae, representatives of the genus Vibrio and unrelated bacteria. The presence in a number of strains of spacers homologous to the genetic material of the phage circulating in endemic territories may indicate the imported nature of these strains.

Conclusion. The heterogeneity of the studied non-toxigenic strains of V. cholerae O1 El Tor in the presence of antiphage systems was revealed, which expands the information on their genetic organization. In their genome, restriction-modification systems of type I (ctxAB–tcpA+), CBASS (ctxAB–tcpA+ and ctxAB–tcpA–) and CRISPR–Cas class 1 types I (subtypes I-E, I-F, I-C) and III (ctxAB–tcpA–) were identified. The detection of several types and subtypes of the CRISPR–Cas system in the genome of a number of ctxAB–tcpA strains may indicate its repeated acquisition through horizontal transfer.

Актуальность. Наличие и структура антифаговых систем, способствующих устойчивости холерных вибрионов к литическим фагам, у нетоксигенных штаммов Vibrio cholerae О1 биовара El Tor, выделенных на территории России и сопредельных стран, не изучена.

Цель — выявление и анализ антифаговых систем нетоксигенных штаммов V. cholerae О1 биовара El Tor.

Материалы и методы. В работе использовали 126 нетоксигенных (ctxАВ–tcpА+ и ctxАВ–tcpА–) штаммов V. cholerae О1 El Tor, изолированных с 1972 по 2018 г. Секвенирование ДНК проводили на платформе MGI DNBSEQ-G50. Для биоинформатического анализа применяли программы fastp v. 0.23, unicycler v. 0.4.7, Blast 2.16.0, MEGA X, CRISPRCastyper и CRISPRCasFinder.

Результаты. В геноме изученных штаммов не выявлены фагоиндуцируемые острова PLE, BREX и DISARM-системы. Установлено, что 80% ctxАВ–tcpА+-штаммов содержат систему рестрикции–модификации I типа, у ctxАВ–tcpА–-изолятов данная система не обнаружена. Гены CBASS-системы выявлены у единичных штаммов обеих групп. В геноме 35 (32%) изученных ctxАВ–tcpА–-штаммов, выделенных в разных регионах РФ и сопредельных странах, установлено наличие CRISPR–Cas-системы 1-го класса типов I (подтипы I-E, I-F, I-C) и III (подтип III-B). Количество спейсеров в данной системе варьировало от 0 до 80, их последовательность была гомологична протоспейсерным участкам ДНК литических и умеренных фагов, транспозонов, плазмид V. cholerae, представителей рода Vibrio и неродственных бактерий. Наличие у ряда штаммов спейсеров, гомологичных генетическому материалу фага, циркулирующему на эндемичных территориях, может указывать на завозной характер данных штаммов.

Заключение. Выявлена гетерогенность изученных нетоксигенных штаммов V. cholerae О1 El Tor по наличию антифаговых систем, что расширяет сведения об их генетической организации. В их геноме выявлены системы рестрикции–модификации I типа (ctxAB–tcpA+), CBASS (ctxAB–tcpA+ и ctxAB–tcpA–) и CRISPR–Cas 1-го класса типов I (подтипы I-E, I-F, I-C) и III (ctxAB–tcpA–). Выявление нескольких типов и подтипов CRISPR–Cas-системы в геноме ряда ctxAB–tcpA–-штаммов может указывать на её неоднократное приобретение посредством горизонтального переноса.

non-toxigenic strains of Vibrio choleraeantiphage systemsCRISPR–Cas system class 1нетоксигенные штаммы Vibrio choleraeантифаговые системыCRISPR–Cas-система 1-го классаСмирнова Н.И., Кульшань Т.А., Баранихина Е.Ю. и др. Структура генома и происхождение нетоксигенных штаммов Vibrio cholerae биовара Эль Тор с различной эпидемиологической значимостью. Генетика. 2016;52(9):1029–41. DOI: https://doi.org/10.7868/S0016675816060126 EDN: https://elibrary.ru/wlnekj Smirnova N.I., Kul’shan’ T.A., Baranikhina E.Y., et al. Genome structure and origin of nontoxigenic strains of Vibrio cholerae of El Tor biovar with different epidemiological significance. Genetics. 2016; 52(9): 1029–41. DOI: https://doi.org/10.1134/S1022795416060120 EDN: https://elibrary.ru/xfheirКругликов В.Д., Левченко Д.А., Титова С.В. и др. Холерные вибрионы в водоёмах Российской Федерации. Гигиена и санитария. 2019;98(4):393–9. Kruglikov V.D., Levchenko D.A., Titova S.V., et al. Vibrio cholerae in the waters of the Russian Federation. Gigiena i Sanitaria (Hygiene and Sanitation, Russian journal). 2019;98(4):393–9. EDN: https://elibrary.ru/dfqoanЛевченко Д.А., Кругликов В.Д., Гаевская Н.Е. и др. Фено- и генотипические особенности нетоксигенных штаммов холерных вибрионов различного происхождения, изолированных на территории России. Проблемы особо опасных инфекций. 2020;(3):89–96. Levchenkо D.А., Kruglikov V.D., Gaevskaya N.E., et al. Pheno- and genotypical features of non-toxigenic strains of cholera vibrios of different origins, isolated in the territory of Russia. Problems of Particularly Dangerous Infections. 2020;(3):89–96. DOI: https://doi.org/10.21055/0370-1069-2020-3-89-96 EDN: https://elibrary.ru/rvjkhrМиронова Л.В., Бочалгин Н.О., Гладких А.С. и др. Филогенетическое положение и особенности структуры геномов ctxAB–tcpA+ Vibrio cholerae из поверхностных водоемов на неэндемичной по холере территории. Проблемы особо опасных инфекций. 2020;(1):115–23. Mironova L.V., Bochalgin N.O., Gladkikh A.S., et al. Phylogenetic affinity and genome structure features of ctxAB–tcpA+ Vibrio cholerae from the surface water bodies in the territory that is non-endemic as regards cholera. Problems of Particularly Dangerous Infections. 2020;(1):115–23. DOI: https://doi.org/10.21055/0370-1069-2020-1-115-123 EDN: https://elibrary.ru/uubigvМонахова Е.В., Носков А.К., Кругликов В.Д. и др. Генотипическая характеристика клональных комплексов CTX–VPI+ Vibrio cholerae О1, обнаруживаемых в водоемах Ростовской области. Проблемы особо опасных инфекций. 2023;(3):99–107. Monakhova E.V., Noskov A.K., Kruglikov V.D., et al. Genotypic characteristics of CTX–VPI+ clonal complexes of Vibrio cholerae O1 found in water bodies of the Rostov region. Problems of Particularly Dangerous Infections. 2023;(3):99–107. DOI: https://doi.org/10.21055/0370-1069-2023-3-99-107Носков А.К., Кругликов В.Д., Москвитина Э.А. и др. Холера: анализ и оценка эпидемиологической обстановки в мире и России. Прогноз на 2023 г. Проблемы особо опасных инфекций. 2023;(1):56–66. Noskov A.K., Kruglikov V.D., Moskvitina E.A., et al. Cholera: analysis and assessment of epidemiological situation around the world and in Russia (2013–2022). Forecast for 2023. Problems of Particularly Dangerous Infections. 2023;(1):56–66. DOI: https://doi.org/10.21055/0370-1069-2023-1-56-66 EDN: https://elibrary.ru/hzasboПопова А.Ю., Носков А.К., Ежлова Е.Б. и др. Эпидемиологическая ситуация по холере в Российской Федерации в 2023 г. и прогноз на 2024 г. Проблемы особо опасных инфекций. 2024;(1):76–88. Popova A.Yu., Noskov A.K., Ezhlova E.B., et al. Epidemiological situation on cholera in the Russian Federation in 2023 and forecast for 2024. Problems of Particularly Dangerous Infections. 2024;(1):76–88. DOI: https://doi.org/10.21055/0370-1069-2024-1-76-88 EDN: https://elibrary.ru/ipvmuoАгафонова Е.Ю., Смирнова Н.И., Альхова Ж.В. и др. Нетоксигенные штаммы Vibrio cholerae биовара Эль Тор, выделенные на территории России: молекулярно-генетические особенности и патогенные свойства. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2019;96(2):13–24. Agafonova E.Yu., Smirnova N.I., Alkhova Zh.V., et al. On-toxigenic strains of Vibrio cholerae biovar El Tor, isolated in the territory of Russia: molecular-genetic peculiarities and pathogenic properties. Journal of microbiology, epidemiology and immunobiology. 2019;96(2):13–24. DOI: https://doi.org/10.36233/0372-9311-2019-2-13-24 EDN: https://elibrary.ru/yijsemFaruque S.M., Mekalanos J.J. Phage-bacterial interactions in the evolution of toxigenic Vibrio cholerae. Virulence. 2012;3(7):556–65. DOI: https://doi.org/10.4161/viru.22351Angermeyer A., Hays S.G., Nguyen M.H.T., et al. Evolutionary sweeps of subviral parasites and their phage host bring unique parasite variants and disappearance of a phage CRISPR-Cas system. mBio. 2022;13(1):e03088-21. DOI: https://doi.org/10.1128/mbio.03088-21Tumban E., ed. Bacteriophages. Methods and Protocols. New York: Humana Press; 2024.Jermyn W.S., Boyd E.F. Characterization of a novel Vibrio pathogenicity island (VPI-2) encoding neuraminidase (nanH) among toxigenic Vibrio cholerae isolates. Microbiology. 2002;148(Pt. 11):3681–93. DOI: https://doi.org/10.1099/00221287-148-11-3681Labrie S.J., Samson J.E., Moineau S. Bacteriophage resistance mechanisms. Nat. Rev. Microbiol. 2010;8(5):317–27. DOI: https://doi.org/10.1038/nrmicro2315Brenzinger S., Airoldi M., Ogunleye A.J., et al. The Vibrio cholerae CBASS phage defence system modulates resistance and killing by antifolate antibiotics. Nat. Microbiol. 2024;9(1):251–62. DOI: https://doi.org/10.1038/s41564-023-01556-yLeGault K.N., Hays S.G., Angermeyer A., et al. Temporal shifts in antibiotic resistance elements govern phage-pathogen conflicts. Science. 2021;373(6554):eabg2166. DOI: https://doi.org/10.1126/science.abg2166Заднова С.П., Плеханов Н.А., Спирина А.Ю., Челдышова Н.Б. Анализ антифаговых систем в штаммах Vibrio cholerae O1 биовара Эль Тор. Здоровье населения и среда обитания – ЗНиСО. 2023;31(11):94–100. Zadnova S.P., Plekhanov N.A., Spirina A.Yu., Cheldyshova N.B. Analysis of Antiphage Systems in Vibrio cholerae O1 El Tor Biotype Strains. Public Health and Life Environment – PH&LE. 2023;31(11):94–100. DOI: https://doi.org/10.35627/2219-5238/2023-31-11-94-100 EDN: https://elibrary.ru/miocicO’Hara B.J., Barth Z.K., McKitterick A.C., Seed K.D. A highly specific phage defense system is a conserved feature of the Vibrio cholerae mobilome. PLoS Genet. 2017;13(6):e1006838. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1006838McKitterick A.C., Seed K.D. Anti-phage islands force their target phage to directly mediate island excision and spread. Nat. Commun. 2018;9(1):2348. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-018-04786-5Barth Z.K., Silvas T.V., Angermeyer A., Seed K.D. Genome replication dynamics of a bacteriophage and its satellite reveal strategies for parasitism and viral restriction. Nucleic Acids Res. 2020;48(1): 249–63. DOI: https://doi.org/10.1093/nar/gkz1005McDonald N.D., Regmi A., Morreale D.P., et al. CRISPR-Cas systems are present predominantly on mobile genetic elements in Vibrio species. BMC Genomics. 2019;20(1):105. DOI: https://doi.org/10.1186/s12864-019-5439-1Makarova K.S., Wolf Y.I., Iranzo J., et al. Evolutionary classification of CRISPR-Cas systems: a burst of class 2 and derived variants. Nat. Rev. Microbiol. 2020;18(2):67–83. DOI: https://doi.org/10.1038/s41579-019-0299-xChakraborty S., Waise T.M., Hassan F., et al. Assessment of the evolutionary origin and possibility of CRISPR-Cas (CASS) mediated RNA interference pathway in Vibrio cholerae O395. In Silico Biol. 2009;9(4):245–54.Carpenter M.R., Kalburge S.S., Borowski J.D., et al. CRISPR-Cas and contact-dependent secretion systems present on excisable pathogenicity islands with conserved recombination modules. J. Bacteriol. 2017;199(10):e00842-16. DOI: https://doi.org/10.1128/jb.00842-16