Применение полногеномного анализа для определения молекулярных маркеров значимых генетических кластеров Mycobacterium tuberculosis в России

Abstract

Актуальность. Туберкулёз относят к числу «вновь вернувшихся» заболеваний, получивших эпидемическое распространение во многих регионах мира. Фундаментальный интерес представляет понимание генетических основ адаптации возбудителя заболевания Mycobacterium tuberculosis к организму хозяина. Целью данного исследования было выявление молекулярных маркеров для значимых геновариантов M. tuberculosis в России на основе проведения полногеномного и биоинформационного анализа. Материалы и методы. Полногеномное секвенирование и филогенетический анализ были проведены для репрезентативной выборки штаммов M. tuberculosis Восточно-Азиатской линии (древние и современные сублинии генотипа Beijing) и Евро-Американской линии (штаммы генотипов LAM, T и S). Результаты. В результате филогенетического анализа геномных данных (4500 полиморфных нуклеотидных позиций), были выделены кластеры штаммов и определены их специфические однонуклеотидные полиморфизмы (ОНП, SNP). В частности, внутри сублинии LAM-RUS был выявлен эволюционно «молодой» кластер, включающий штаммы сполиготипов SIT252 и SIT266. Внутри штаммов семейства Beijing были выделены ветви современной (субтипы В0 и 94-32) и древней сублиний. Среди выявленных кластер-специфических однонуклеотидных полиморфизмов для групп внутри семейств Beijing и LAM наиболее широко были представлены категории генов «процессы, связанные с клеткой и клеточной стенкой» и «промежуточный метаболизм и дыхание». Вариации в генах категории «вирулентность» встречались только в штаммах Beijing B0/W148, древних Beijing и LAM-RUS (SIT252/266). Выводы. Для эмерджентных, актуально или потенциально эпидемических вариантов M. tuberculosis генотипов LAM и Beijing, выявлены как филогенетически нейтральные, диагностические полиморфизмы, так и мутации в ряде генов вирулентности, адаптации, биосинтеза клеточной стенки, дыхания и липидного обмена.Tuberculosis is one of the re-emerging diseases that have epidemically spread in many regions worldwide. Understanding of the genetic basis for Mycobacterium tuberculosis adaptation to the human host is of a fundamental interest. The aim of this study was to identify molecular markers for significant genetic clusters of M. tuberculosis in Russia based on a whole genome and bioinformatics analysis. Whole genome sequencing and phylogenetic analysis were performed for a representative sample of M. tuberculosis strains of the East Asian lineage (ancient and modern sublineages of the Beijing genotype) and the Euro-American lineage (strains of LAM, T and S genotypes). The phylogenetic analysis of genomic data (4500 polymorphic nucleotide positions) allowed to identify strain clusters and to determine their specific single nucleotide polymorphisms (SNPs). Specifically, an evolutionarily “young” cluster was identified within the LAM-RUS branch, including strains of the SIT252 and SIT266 spoligotypes. Modern (subtypes B0 and 94-32) and ancient sublineages were identified within the Beijing genotype. Beijing and LAM cluster-specific SNPs were mainly found in gene categories “cell wall and cell processes” and “intermediary metabolism and respiration”. Variations in the genes of the “virulence” category were found only in strains of Beijing B0/W148, ancient Beijing and LAM-RUS (SIT252/266) groups. To conclude, phylogenetically neutral polymorphisms as well as mutations in virulence, adaptation, cell wall biosynthesis, respiration, and lipid metabolism genes were identified for emerging, potentially epidemic variants of the LAM and Beijing genotypes of M. tuberculosis.