Russian Journal of Infection and ImmunityRussian Journal of Infection and ImmunityИнфекция и иммунитет2220-76192313-7398SPb RAACI122010.15789/2220-7619-GDO-1220REVIEWSОБЗОРЫGenetic determinants of virulence and drug resistance of Mycobacterium avium subsp. hominissuis — a causative agent of mycobacteriosis in humansГенетические детерминанты вирулентности и лекарственной устойчивости Mycobacterium avium subsp. hominissuis — возбудителя микобактериоза человекаStarkovaD. A.СтарковаД. А.
Russian Federation

Starkova D.A., PhD, Researcher, Laboratory of Molecular Epidemiology and Evolutionary Genetics, St.PPI.

St. Petersburg

Старкова Дарья Андреевна - кандидат биологических наук, научный сотрудник лаборатории молекулярной эпидемиологии и эволюционной генетики.

197101, Санкт-Петербург, ул. Мира, 14, Тел.: 8 (812) 233-21-49 (служебн.); 8 921 424-63-37 (моб.)

dariastarkova13@gmail.comNarvskayaO. V.НарвскаяО. В.
Russian Federation

Narvskaya O.V., PhD, МD (Medicine), Professor, Leading Researcher, Laboratory of Molecular Epidemiology and Evolutionary Genetics, St.PPI; Scientific Advisor, St. Petersburg Research Institute of Phthisiopulmonology.

St. Petersburg

Нарвская Ольга Викторовна - доктор медицинских наук, профессор, ведущий научный сотрудник лаборатории молекулярной эпидемиологии и эволюционной генетики, ФБУН НИИ ЭМ им. Пастера; научный консультант Санкт-Петербургский НИИ фтизиопульмонологии.

Санкт-Петербург

onarvskaya@gmail.comSt. Petersburg Pasteur InstituteФБУН НИИ эпидемиологии и микробиологии имени ПастераSt. Petersburg Research Institute of PhthisiopulmonologyФГБУ Санкт-Петербургский НИИ фтизиопульмонологии Минздрава России0704202010126341006201911032020Copyright ©; 2020, Starkova D.A., Narvskaya O.V.Copyright ©; 2020, Старкова Д.А., Нарвская О.В.2020Starkova D.A., Narvskaya O.V.Старкова Д.А., Нарвская О.В.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://iimmun.ru/iimm/article/view/1220

Among the members of the large group of non-tuberculous mycobacteria (comprising more than 180 species), M. avium subsp. hominissuis (MAH) is the most significant causative agent of pulmonary infection in immunocompetent individuals as well as disseminated infection in immunocompromised hosts, e.g. human immunodeficiency virus (HIV)-positive patients. Due to increased incidence rate of mycobacteriosis, especially in HIV infection, much still need to be learnt about the MAH genetic control and virulence mechanisms. Deciphering the genome contents of the M. avium strain 104 (isolated from an AIDS patient with disseminated MAH disease) allowed to compare genome sequences of M. avium strains to gain insights into genomic diversity associated with variable hosts and environments. Comparative genome analysis of MAH strains isolated from patients with pulmonary and disseminated forms of mycobacteri-osis revealed differences in the structure of the genome, affecting the key virulence genes. This review provides current data on the genetic determinants of MAH virulence associated with the initial phase of infection. Several mycobacterial virulence-associated gene families, such as mce (mammalian cell entry), mmp (mycobacterial membrane proteins), pe/ppe and esx expressed by MAH during human infection are thought to be crucial for adhesion, entry, survival, and reproduction inside host macrophages. The genetic mechanisms of MAH survival in human macrophage cell culture as well as mice exposed to toxic effects of reactive oxygen, nitric oxide, bactericidal proteins (cathelicidin) are discussed. The MAH survival in the latency-like state is important for pathogen dissemination. Some genetic and phenotypic features of MAH (absence of a cord factor, presence of plasmids, potential to “switch” morphological types of colonies) are compared with M. tuberculosis. In addition, we summarized current state of MAH drug discovery, a role of MAH intrinsic multidrug resistance, genetic control, as well as mechanisms underlying formation of resistance to various groups of antibiotics in MAH strains.

Среди представителей большой группы нетуберкулезных микобактерий (более 180 видов), Mycobacterium avium subsp. hominissuis (МАН) обладает наибольшей вирулентностью и является одним из основных возбудителей микобактериоза легких у иммунокомпетентных лиц и диссеминированной формы инфекции у ВИЧ-инфицированных. В связи с ростом заболеваемости микобактериозом, особенно в условиях распространения ВИЧ-инфекции, приобретают актуальность исследования генетического контроля и механизмов вирулентности М. avium. Благодаря полной расшифровке нуклеотидной последовательности генома М. avium 104 стало возможным его использование в качестве референсного штамма при сравнении с другими геномами. Так, сравнительный анализ штаммов МАН, выделенных от больных легочной и диссеминированной формами микобактериоза, продемонстрировал различия в структуре генома, затрагивающие ключевые гены вирулентности. В обзоре представлены современные данные о генетических детерминантах вирулентности МАН, ассоциированных с начальной фазой инфицирования. Подробно рассмотрены семейства генов mce (mammalian cell entry), mmp (mycobacterial membrane proteins), pe/ppe и esx, обеспечивающих выживание МАН в клетках организма-хозяина с момента адгезии и проникновения в макрофаги. Приведены механизмы генетического контроля выживаемости М. avium в культуре макрофагов человека in vitro и в организме мышей in vivo в условиях токсического влияния активных форм кислорода, оксида азота, бактерицидных белков. Сохраняясь в латентном состоянии, МАН способны вызывать бактериемию и вторичное поражение органов и тканей. Бактерии МАН, связываясь с эпителиальными клетками, образуют микроагрегаты, что способствует инвазии в слизистую оболочку дыхательных путей или желудочно-кишечного тракта, обеспечивая персистенцию в организме хозяина. Рассмотрены известные на данный момент генетические детерминанты, ответственные за формирование микроагрегатов и биопленок. Отмечены генетические и фенотипические особенности МАН (отсутствие корд-фактора, наличие плазмид, способность к «переключению» морфологических типов колоний) по сравнению с M. tuberculosis. Подчеркнута роль природной резистентности М. avium к большинству противотуберкулезных и других антибактериальных препаратов, обычно не применяющихся для лечения туберкулеза. Известно, что кларитромицин, азитромицин, рифабутин, этамбутол, амикацин и фторхинолоны малоэффективны при раздельном применении, поэтому лечение микобактериоза требует использования комбинации из нескольких препаратов, хирургического вмешательства или сочетания обоих методов. Обсуждаются генетический контроль и механизмы формирования устойчивости штаммов МАН к вышеперечисленным антибиотикам.

Mycobacterium avium subsp. hominissuismycobacteriosisnon-tuberculous mycobacteriavirulencevirulence genesmacrophagesgenetic control of virulencedrug resistancepathogenicitymceesxmmppe/ppeслово1 Mycobacterium avium subsp. hominissuisслово2 микобактериозслово3 нетуберкулезные микобактриислово4 вирулентностьслово5 гены вирулентностислово6 макрофагислово7 генетический контроль вирулентностислово8 лекарственная устойчивостьслово9 патогенностьслово10 mceслово11 pe/ppeслово12 esxслово13 mmp.1. Вишневский Б.И., Маничева О.А., Щеголева Р.А., Оттен Т.Ф. Вирулентность потенциально патогенных нетуберкулезных микобактерий. Обзор // Медицинский альянс. 2015. № 4. С. 5—14.2. Оттен Т.Ф., Васильев А.В. Микобактериоз. СПб.: Медицинская пресса, 2005. 224 с.3. Babrak L., Danelishvili L., Rose S.J., Bermudez L.E. Microaggregate-associated protein involved in invasion of epithelial cells by Mycobacterium avium subsp. hominissuis. Virulence, 2015, vol. 6, no. 7, pp. 694—703. doi: 10.1080/21505594.2015.10726764. Belanger A.E., Besra G.S., Ford M.E., Mikusova K., Belisle J.T., Brennan P.J., Inamine J.M. The embAB genes of Mycobacterium avium encode an arabinosyl transferase involved in cell wall arabinan biosynthesis that is the target for the antimycobacterial drug ethambutol. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1996, vol. 93, no. 21, pp. 11919—11924. doi: 10.1073/pnas.93.21.119195. Bermudez L.E., Danelishvili L., Babrack L., Pham T. Evidence for genes associated with the ability of Mycobacterium avium subsp. hominissuis to escape apoptotic macrophages. Front. Cell. Infect. Microbiol., 2015, vol. 5, no. 63. doi: 10.3389/fcimb.2015.000636. Brown-Elliott B.A., Iakhiaeva E., Griffith D.E., Woods G.L., Stout J.E., Wolfe C.R., Turenne C.Y., Wallace R.J.Jr. In vitro activity of amikacin against isolates of Mycobacterium avium complex with proposed MIC breakpoints and finding of a 16S rRNA gene mutation in treated isolates. J. Clin. Microbiol, 2013, vol. 51, no. 10, pp. 3389—3394. doi: 10.1128/JCM.01612-137. Cangelosi G.A., Do J.S., Freeman R., Bennett J.G., Semret M., Behr M.A. The two-component regulatory system mtrAB is required for morphotypic multidrug resistance in Mycobacterium avium. Antimicrob. Agents Chemother., 2006, vol. 50, no. 2, pp. 461-468. doi: 10.1128/AAC.50.2.461-468.20068. Christianson S., Grierson W., Wolfe J., Sharma M.K. Rapid molecular detection of macrolide resistance in the Mycobacterium avium complex: are we there yet? J. Clin. Microbiol., 2013, vol. 51, no. 7, pp. 2425-2426. doi: 10.1128/JCM.00555-139. Danelishvili L., Poort M.J., Bermudez L.E. Identification of Mycobacterium avium genes up-regulated in cultured macrophages and in mice. FEMSMicrobiol. Lett, 2004, vol. 239, no. 1, pp. 41-49. doi: 10.1016/j.femsle.2004.08.01410. Danelishvili L., Stang B., Bermudez L.E. Identification of Mycobacterium avium genes expressed during in vivo infection and the role of the oligopeptide transporter OppA in virulence. Microb. Pathog, 2014, vol. 76, pp. 67-76. doi: 10.1016/j.mic-path.2014.09.01011. Dumas E., Christina Boritsch E., Vandenbogaert M., Rodriguez de la Vega R.C., Thiberge J.M., Caro V., Gaillard J.L., Heym B., Girard-Misguich F., Brosch R., Sapriel G. Mycobacterial pan-genome analysis suggests important role of plasmids in the radiation of type VII secretion systems. Gen. Biol. Evol., 2016, vol. 8, no. 2, pp. 387-402. doi: 10.1093/gbe/evw00112. Early J., Fischer K. Bermudez L.E. Mycobacterium avium uses apoptotic macrophages as tools for spreading. Microb Pathog., 2011, vol. 50, no. 2, pp. 132-139. doi: 10.1016/j.micpath.2010.12.00413. Eckstein T.M., Inamine J.M., Lambert M.L., Belisle J.T. A genetic mechanism for deletion of the ser2 gene cluster and formation of rough morphological variants of Mycobacterium avium. J. Bacteriol., 2000, vol. 182, no. 21, pp. 6177-6182. doi: 10.1128/ jb.182.21.6177-6182.200014. Falkinham 3rd J.O. Epidemiology of infection by nontuberculous mycobacteria. Clin. Microbiol. Rev., 1996, vol. 9, no. 2, pp. 177-215.15. Harriff M.J., Danelishvili L., Wu M., Wilder C., McNamara M., Kent M.L., Bermudez L.E. Mycobacterium avium genes MAV_5138 and MAV_3679 are transcriptional regulators that play a role in invasion of epithelial cells, in part by their regulation of CipA, a putative surface protein interacting with host cell signaling pathways. J. Bacteriol., 2009, vol. 191, no. 4, pp. 1132-1142. doi: 10.1128/JB.01359- 0716. Hayashi T., Rao S.P., Catanzaro A. Binding of the 68-kilodalton protein of Mycobacterium avium to alpha(v)beta3 on human monocyte-derived macrophages enhances complement receptor type 3 expression. Infect. Immun., 1997, vol. 65, no. 4, pp. 1211-1216.17. Honer zu Bentrup K., Swenson D.L., Miczak A., Russell D.G. Characterization of isocitrate lyase activity and expression in Mycobacterium avium and Mycobacterium tuberculosis. J. Bacteriol., 1999, vol. 181, no. 23, pp. 7161-7167.18. Hou J.Y., Graham J.E., Clark-Curtiss J.E. Mycobacterium avium genes expressed during growth in human macrophages detected by selective capture of transcribed sequences (SCOTS). Infect Immun., 2002, vol. 70, no. 7, pp. 3714-3726. doi: 10.1128/iai.70.7.3714-3726.200219. Huh H.J., Kim S.Y., Jhun B.W., Shin S.J., Koh W.J. Recent advances in molecular diagnostics and understanding mechanisms of drug resistance in nontuberculous mycobacterial diseases. Infect. Genet. Evol., 2018, pii. S1567-1348(18)30784- 6. doi: 10.1016/j.meegid.2018.10.00320. Ignatov D., Kondratieva E., Azhikina T., Apt A. Mycobacterium avium-triggered diseases: pathogenomics. Cell Microbiol., 2012, vol. 14, no. 6,pp. 808-818. doi: 10.1111/j.1462-5822.2012.01776.x21. Iwamoto T., Arikawa K., Nakajima C., Nakanishi N., Nishiuchi Y., Yoshida S., Tamaru A., Tamura Y., Hoshino Y., Yoo H., Park Y.K., Saito H., Suzuki Y. Intra-subspecies sequence variability of the MACPPE12 gene in Mycobacterium avium subsp. hominissuis. Infect. Genet. Evol., 2014, vol. 21, pp. 479—483. doi: 10.1016/j.meegid.2013.08.01022. Jeffrey B., Rose S. J., Gilbert K., Lewis M., Bermudez L.E. Comparative analysis ofthe genomes of clinical isolates ofMycobacterium avium subsp. hominissuis regarding virulence related genes. J. Med. Microbiol., 2017, vol. 66, no. 7, pp. 1063—1075. doi: 10.1099/jmm.0.00050723. Khattak F.A., Kumar A., Kamal E., Kunisch R., Lewin A. Illegitimate recombination: an efficient method for random mutagenesis in Mycobacterium avium subsp. hominissuis. BMC Microbiol., 2012, vol. 12, no. 204. doi: 10.1186/1471-2180-12-20424. Kim S.Y., Jhun B.W., Moon S.M., Shin S.H., Jeon K., Kwon O.J., Yoo I.Y., Huh H.J., Ki C.S., Lee N.Y., Shin S.J., Daley C.L., Suh G.Y., Koh W.J. Mutations in gyrA and gyrB in moxifloxacin-resistant Mycobacterium avium complex and Mycobacterium abscessus complex clinical isolates. Antimicrob. Agents Chemother., 2018, vol. 62, no. 9: e00527—18. doi: 10.1128/AAC.00527-1825. Krzywinska E., Bhatnagar S., Sweet L., Chatterjee D., Schorey J.S. Mycobacterium avium 104 deleted of the methyltransferase D gene by allelic replacement lacks serotype-specific glycopeptidolipids and shows attenuated virulence in mice. Mol. Microbiol., 2005, vol. 56, no. 5, pp. 1262-1273. doi: 10.1111/j.1365-2958.2005.04608.x26. Lahiri A., Sanchini A., Semmler T., Schafer H., Lewin A. Identification and comparative analysis of a genomic island in Mycobacterium avium subsp. hominissuis. FEBSLett., 2014, vol. 588, no. 21, pp. 3906-3911. doi: 10.1016/j.febslet.2014.08.037.27. Li Y., Miltner E., Wu M., Petrofsky M., Bermudez L.E. A Mycobacterium avium PPE gene is associated with the ability of the bacterium to grow in macrophages and virulence in mice. Cell Microbiol., 2005, vol. 7, no. 4, pp. 539-548. doi: 10.1111/j.1462-5822.2004.00484.x28. Li Y. J., Danelishvili L., Wagner D., Petrofsky M., Bermudez L.E. Identification of virulence determinants of Mycobacterium avium that impact on the ability to resist host killing mechanisms. J. Med. Microbiol., 2010, vol. 59, pp 8-16. doi: 10.1099/jmm.0.012864-029. Mackenzie N., Alexander D.C., Turenne C.Y., Behr M.A., de Buck J.M. Genomic comparison of PE and PPE genes in the Mycobacterium avium complex. J. Clin. Microbiol., 2009, vol. 47, no. 4, pp. 1002-1011. doi: 10.1128/JCM.01313-0830. McNamara M., Danelishvili L., Bermudez L.E. The Mycobacterium avium ESX-5 PPE protein, PPE25-MAV, interacts with an ESAT-6 family Protein, MAV_2921, and localizes to the bacterial surface. Microb Pathog., 2012, vol. 52, no. 4, pp. 227-238. doi: 10.1016/j.micpath.2012.01.00431. Moon S.M., Park H.Y., Kim S.Y., Jhun B.W., Lee H., Jeon K., Kim D.H., Huh H.J., Ki C.S., Lee N.Y., Kim H.K., Choi Y.S., Kim J., Lee S.H., Kim C.K., Shin S.J., Daley C.L., Koh W.J. Clinical characteristics, treatment outcomes, and resistance mutations associated with macrolide-resistant Mycobacterium avium Complex lung disease. Antimicrob. Agents Chemother., 2016, vol. 60, no. 11,pp. 6758-6765. doi: 10.1128/AAC.01240-1632. Moriyama M., Ogawa K., Nakagawa T., Nikai T., Uchiya K. Association between a pMAH135 and the progression of pulmonary disease caused by Mycobacterium avium. Kekkaku, 2016, vol. 91, no. 1, pp. 9-15.33. Morsczek C., Berger S., Plum G. The macrophage-induced gene (mig) of Mycobacterium avium encodes a medium chain acyl-coenzyme A synthetase. Biochim. Biophys. Acta., 2001, vol. 1521, no. 1-3, pp. 59- 65.34. Parte A.C. LPSN — List of Prokaryotic names with Standing in Nomenclature (bacterio.net), 20 years on. Intern. J. System. Evol. Microbiol, 2018, vol. 68, pp. 1825-1829. doi: 10.1099/ijsem.0.00278635. Petrofsky M., Bermudez L.E. CD4+ T cells but Not CD8+ or gammadelta+ lymphocytes are required for host protection against Mycobacterium avium infection and dissemination through the intestinal route. Infect. Immun., 2005, vol. 73, no. 5, pp. 26212627. doi: 10.1128/IAI.73.5.2621-2627.200536. Philalay J.S. Palermo C.O., Hauge A.K., Rustad T.R., Cangelosi G.A. Genes required for intrinsic multidrug resistance in Mycobacterium avium. J. Antimicrob. Agents Chemother., 2004, vol. 48, no. 9, pp. 3412-3418. doi: 10.1128/AAC.48.9.3412-3418.200437. Rindi L., Lari N., Garzelli C. Virulence of Mycobacterium avium Subsp. hominissuis Human Isolates in an in vitro Macrophage Infection Model. Int. J. Mycobacteriol., 2018, vol. 7, no. 1, pp. 48-52. doi: 10.4103/ijmy.ijmy_11_1838. Ritacco V., Kremer K., Laan T., Pijnenburg J.E., Haas P.E., Van Soolingen D. Use of IS901 and IS1245 in RFLP typing of Mycobacterium avium complex: relatedness among serovar reference strains, human and animal isolates. Int. J. Tuberc. Lung Dis., 1998, vol. 2, no. 3, pp. 242-251.39. Rose S.J., Bermudez L.E. Mycobacterium avium biofilm attenuates mononuclear phagocyte function by triggering hyperstimulation and apoptosis during early infection. Infect. Immun., 2014, vol. 82, no. 1, pp. 405-412. doi: 10.1128/IAI.00820-1340. Sherman D.R., Sabo P.J., Hickey M.J., Arain T.M., Mahairas G.G., Yuan Y., Barry C.E. 3rd, Stover C.K. Disparate responses to oxidative stress in saprophytic and pathogenic mycobacteria. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1995, vol. 92, no. 14, pp. 6625- 6629. doi: 10.1073/pnas.92.14.662541. Uchiya K., Takahashi H., Nakagawa T., Yagi T., Moriyama M., Inagaki T., Ichikawa K., Nikai T., Ogawa K. Characterization of a Novel Plasmid, pMAH135, from Mycobacterium avium subsp. hominissuis. PLoS One, 2015, vol.10, no. 2: e0117797. doi: 10.1371/journal.pone.011779742. Uchiya K., Takahashi H., Yagi T., Moriyama M., Inagaki T., Ichikawa K., Nakagawa T., Nikai T., Ogawa K. Comparative genome analysis of Mycobacterium avium revealed genetic diversity in strains that cause pulmonary and disseminated disease. PLoS One, 2013, vol. 8, no. 8: e71831. doi: 10.1371/journal.pone.007183143. Uchiya K., Tomida S., Nakagawa T., Asahi S., Nikai T., Ogawa K. Comparative genome analyses of Mycobacterium avium reveal genomic features of its subspecies and strains that cause progression of pulmonary disease. Sci. Rep., 2017, vol. 7: 39750. doi: 10.1038/srep3975044. Wu M.L., Aziz D.B., Dartois V., Dick T. NTM drug discovery: status, gaps and the way forward. DrugDiscov. Today, 2018, vol. 23, no. 8,pp. 1502-1519. doi: 10.1016/j.drudis.2018.04.00145. Yakrus M.A., Good R.C. Geographic distribution, frequency, and specimen source of Mycobacterium avium complex serotypes isolated from patients with acquired immunodeficiency syndrome. J. Clin. Microbiol., 1990, vol. 28, no. 5, pp. 926-929.46. Yakrus M.A., Reeves M.W., Hunter S.B. Characterization of isolates of Mycobacterium avium serotypes 4 and 8 from patients with AIDS by multilocus enzyme electrophoresis. J. Clin. Microbiol., 1992, vol. 30, no. 6, pp. 1474—1478.47. Yamazaki Y., Danelishvili L., Wu M., MacNab M., Bermudez L.E. Mycobacterium avium genes associated with the ability to form a biofilm. Appl. Environ. Microbiol., 2006, vol. 72, no. 1,pp. 819—825. doi: 10.1128/AEM.72.1.819-825.200648. Yoon J.H., Kim E.C., Kim J.S., Song E.Y., Yi J., Shin S. Possession of the macrophage-induced gene by isolates of the Mycobacterium avium complex is not associated with significant clinical disease. J. Med. Microbiol., 2009, vol. 58, no. 2, pp. 256—260. doi: 10.1099/jmm.0.001958-0