Russian Journal of Infection and ImmunityRussian Journal of Infection and ImmunityИнфекция и иммунитет2220-76192313-7398SPb RAACI208210.15789/2220-7619-MDA-2082ORIGINAL ARTICLESОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИResearch ArticleMolecular detection and phylogeography of the hypervirulent subtype of Mycobacterium tuberculosis Beijing 14717-15Молекулярная детекция и филогеография гипервирулентного субтипа Mycobacterium tuberculosis Beijing 14717-15MokrousovIgor V.МокроусовИгорь В.
Russian Federation

DSc (Biology), Head of the Laboratory of Molecular Epidemiology and Evolutionary Genetics

д.б.н., зав. лабораторией молекулярной эпидемиологии и эволюционной генетики

imokrousov@mail.ruVyazovayaA. A.ВязоваяА. А.
Russian Federation

PhD (Biology), Senior Researcher, Laboratory of Molecular Epidemiology and Evolutionary Genetics

к.б.н., старший научный сотрудник лаборатории молекулярной эпидемиологии и эволюционной генетики

imokrousov@mail.ruBadleevaM. V.БадлееваМ. В.
Russian Federation

PhD (Medicine), Associate Professor, Department of Infectious Diseases

к.м.н., доцент кафедры инфекционных болезней

imokrousov@mail.ruGerasimovaA. A.ГерасимоваА. А.
Russian Federation

Junior Researcher, Laboratory of Molecular Epidemiology and Evolutionary Genetics

младший научный сотрудник лаборатории молекулярной эпидемиологии и эволюционной генетики

imokrousov@mail.ruBelopolskayaO. B.БелопольскаяО. Б.
Russian Federation

PhD (Biology), Leading Expert

к.б.н., ведущий специалист РЦ «Центр Биобанк»

imokrousov@mail.ruMasharskyA. E.МашарскийА. Э.
Russian Federation

PhD (Biology), Leading Expert

к.б.н., ведущий специалист

imokrousov@mail.ruKostyukovaI. V.КостюковаИ. В.
Russian Federation

Bacteriologist, Head of the Bacteriology Laboratory

врач-бактериолог, зав. лабораторией

imokrousov@mail.ruZhdanovaS. N.ЖдановаС. Н.
Russian Federation

DSc (Medicine), Leading Researcher, Department of Epidemiology and Microbiology

д.м.н., ведущий научный сотрудник отдела эпидемиологии и микробиологии

imokrousov@mail.ruMudarisovaR. S.МударисоваР. С.
Russian Federation

Research Laboratory Assistant, Laboratory of Molecular Epidemiology and Evolutionary Genetics

лаборант-исследователь лаборатории молекулярной эпидемиологии и эволюционной генетики

imokrousov@mail.ruAvadeniiI.АвадэнийИ.
Russian Federation

Junior Researcher, Bacteriologist, Bacteriology Laboratory

младший научный сотрудник, врач-бактериолог бактериологической лаборатории

imokrousov@mail.ruSolovievaN. S.СоловьеваН. С.
Russian Federation

PhD (Medicine), Head of the Bacteriology Laboratory

к.м.н., зав. бактериологической лабораторией

imokrousov@mail.ruNaizabayevaD. A.НайзабаеваД. А.
Kazakhstan

Researcher, Laboratory of Expertise and Diagnostics; PhD Student, Department of Biotechnology

научный сотрудник лаборатории экспертизы и диагностики; аспирант кафедры биотехнологии

imokrousov@mail.ruSkibaYu. A.СкибаЮ. А.
Kazakhstan

PhD (Biology), Head of the Laboratory of Molecular Biology, Director

к.б.н., зав. лабораторией молекулярной биологии, директор

imokrousov@mail.ruZhuravlevV. Yu.ЖуравлевВ. Ю.
Russian Federation

PhD (Medicine), Leading Researcher, Coordinator of Laboratory Diagnostics Department

к.м.н., ведущий научный сотрудник, координатор направления «Лабораторная диагностика»

imokrousov@mail.ruPasechnikO. A.ПасечникО. А.
Russian Federation

DSc (Medicine), Head, Department of Public Health

д.м.н., зав. кафедрой общественного здоровья и здравоохранения

imokrousov@mail.ruOgarkovO. B.ОгарковО. Б.
Russian Federation

DSc (Medicine), Head of the Department of Epidemiology and Microbiology

д.м.н., главный научный сотрудник, зав. отделом эпидемиологии и микробиологии

imokrousov@mail.ruSt. Petersburg Pasteur InstituteФБУН НИИ эпидемиологии и микробиологии имени ПастераDorzhi Banzarov Buryat State UniversityФГБОУ ВО Бурятский государственный университет имени Доржи БанзароваResource Center “Bio-bank Center”, Research Park of St. Petersburg State UniversityРЦ «Центр Биобанк» — Научный парк Санкт-Петербургского государственного университетаClinical Anti-tuberculosis DispensaryБУЗОО Клинический противотуберкулезный диспансерScientific Centre of the Family Health and Human Reproduction ProblemsФГБНУ Научный центр проблем здоровья семьи и репродукции человекаSt. Petersburg Research Institute of PhthisiopulmonologyФГБУ Санкт-Петербургский научно-исследовательский институт фтизиопульмонологииAlmaty Branch of National Center for BiotechnologyФилиал Национального центра биотехнологии в г. АлматыAl-Farabi Kazakh National UniversityКазахский национальный университет им. аль-ФарабиOmsk State Medical UniversityФГБОУ ВО Омский государственный медицинский университет051220220104202313191992411202203122022Copyright ©; 2023, Mokrousov I.V., Vyazovaya A.A., Badleeva M.V., Gerasimova A.A., Belopolskaya O.B., Masharsky A.E., Kostyukova I.V., Zhdanova S.N., Mudarisova R.S., Avadenii I., Solovieva N.S., Naizabayeva D.A., Skiba Y.A., Zhuravlev V.Y., Pasechnik O.A., Ogarkov O.B.Copyright ©; 2023, Мокроусов И.В., Вязовая А.А., Бадлеева М.В., Герасимова А.А., Белопольская О.Б., Машарский А.Э., Костюкова И.В., Жданова С.Н., Мударисова Р.С., Авадэний И., Соловьева Н.С., Найзабаева Д.А., Скиба Ю.А., Журавлев В.Ю., Пасечник О.А., Огарков О.Б.2023Mokrousov I.V., Vyazovaya A.A., Badleeva M.V., Gerasimova A.A., Belopolskaya O.B., Masharsky A.E., Kostyukova I.V., Zhdanova S.N., Mudarisova R.S., Avadenii I., Solovieva N.S., Naizabayeva D.A., Skiba Y.A., Zhuravlev V.Y., Pasechnik O.A., Ogarkov O.B.Мокроусов И.В., Вязовая А.А., Бадлеева М.В., Герасимова А.А., Белопольская О.Б., Машарский А.Э., Костюкова И.В., Жданова С.Н., Мударисова Р.С., Авадэний И., Соловьева Н.С., Найзабаева Д.А., Скиба Ю.А., Журавлев В.Ю., Пасечник О.А., Огарков О.Б.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://iimmun.ru/iimm/article/view/2082

Aim. To develop a method for detecting Mycobacterium tuberculosis strains belonging to highly lethal, hypervirulent, multidrug-resistant Beijing 14717-15-cluster to be applied to screen for M. tuberculosis retrospective collections obtained from various regions of Russia. The collection included M. tuberculosis DNA samples obtained during population studies. Spoligotyping and genotyping of 24 variable number tandem repeats loci were performed according to standard protocols. Phylogenetic analysis was based on the whole genome sequencing data. Polymorphism at the genomic position 2423040 A > G, specific for the Beijing 14717-15 cluster, was detected using PCR-RFLP and HhaI restriction enzyme. The bioinformatic and phylogenetic analysis of whole genome sequencing data for 205 strains of the early ancient sublineage of the M. tuberculosis Beijing genotype showed that strains with the VNTR 14717-15 profile (according to MIRU-VNTRplus.org) and those close to it were grouped into one monophyletic cluster of related strains, which we defined as Beijing 14717-15-cluster. Among the SNPs specific for the 14717-15 cluster, we chose a functionally neutral SNP at the genomic position 2423040 A > G (Rv2161c Val33Ala) and developed a method for its detection in the PCR-RFLP format. Next, we applied this method to screening DNA collections from the regions of the European and Asian parts of Russia and Asian countries. The data demonstrate the presence of strains of the Beijing 14717-15 cluster only in the Asian region of Russia peaking in Buryatia (18%). We have developed a method for detection of the hypervirulent and highly lethal genetic cluster M. tuberculosis Beijing 14717-15 based on detection of the specific mutation in the Rv2161c gene using PCR followed by HhaI restriction of the PCR product and agarose gel electrophoresis to discriminate between wild-type and mutant alleles. The advantages of the proposed method are the speed, simple and unambiguous data interpretation, opportunity to detect contamination and mixed infection, suitability for efficient analysis of large collections of M. tuberculosis strains.

Цель исследования — разработка метода для выявления штаммов Mycobacterium tuberculosis, относящихся к высоколетальному, гипервирулентному и мультирезистентному кластеру Beijing 14717-15 и его применение для скрининга ретроспективных коллекций M. tuberculosis из различных регионов России. Изученная коллекция включала образцы ДНК M. tuberculosis, собранные в результате популяционных исследований. Сполиготипирование и генотипирование 24 локусов вариабельного числа тандемных повторов проводили по стандартным протоколам. Филогенетический анализ проводили на основе данных полногеномного секвенирования. Полиморфизм в геномной позиции 2423040 A > G, специфический для кластера Beijing 14717-15 (согласно номенклатуре MIRU-VNTRplus.org), выявляли с использованием метода ПЦР-ПДРФ и рестриктазы HhaI. Проведенный биоинформационный и филогенетический анализ данных полногеномного секвенирования 205 штаммов ранней древней сублинии генотипа Beijing M. tuberculosis показал, что штаммы с профилем VNTR 14717-15 и близкие ему группировались в монофилетический кластер родственных штаммов, который мы определили как Beijing 14717-15-кластер. Среди SNP, специфичных для кластера 14717-15, мы выбрали функционально нейтральный SNP в геномной позиции 2423040 A > G (Rv2161c Val33Ala) и разработали метод его детекции в формате ПЦР-ПДРФ. Далее этот метод был применен для скрининга коллекций ДНК из регионов Европейской и Азиатской частей России и стран Азии. Результаты демонстрируют присутствие штаммов кластера Beijing 14717-15 только в Азиатской части России с пиком в Бурятии (18%). Таким образом, нами разработан метод детекции гипервирулентного и высоколетального генетического кластера M. tuberculosis Beijing 14717-15 на основе выявления специфической мутации в гене Rv2161c с помощью ПЦР с последующей HhaI-рестрикцией продукта ПЦР и электрофорезом в агарозном геле для дискриминации дикого и мутантного аллелей. Преимуществами предлагаемого способа являются быстрота, простая и однозначная интерпретация результатов, возможность выявления контаминации и микст-инфекции, пригодность для производительного анализа больших коллекций штаммов М. tuberculosis.

Mycobacterium tuberculosiswhole genome sequencingvirulenceBeijing genotypemultidrug resistanceMycobacterium tuberculosisполногеномное секвенированиевирулентностьгенотип Beijingмножественная лекарственная устойчивостьРоссийский Научный ФондRussian Science Foundation19-14-00013Беспятых Ю.А., Виноградова Т.И., Маничева О.А., Заболотных Н.В., Догонадзе М.З., Витовская М.Л., Гуляев А.С., Журавлев В.Ю., Шитиков Е.А., Ильина Е.Н. Вирулентность Mycobacterium tuberculosis генотипа Beijing в условиях in vivo // Инфекция и иммунитет. 2019. Т. 9, № 1. С. 173–182. [Bespyatykh J.A., Vinogradova Т.I., Manicheva O.A., Zabolotnykh N.V., Dogonadze M.Z., Vitovskaya M.L., Guliaev A.S., Zhuravlev V.Yu., Shitikov E.A., Ilina E.N. In vivo virulence of Beijing genotype Mycobacterium tuberculosis. Infektsiya i immunitet = Russian Journal of Infection and Immunity, 2019, vol. 9, no. 1, pp. 173–182. (In Russ.)] doi: 10.15789/2220-7619-2019-1-173-182Вязовая А.А., Гаврилова Н.Ю., Герасимова А.А., Бычкова А.О., Авадений И., Аникиева Е.В., Соловьева Н.С., Журавлев В.Ю., Мокроусов И.В., Нарвская О.В. Молекулярно-генетический мониторинг популяции Mycobacterium tuberculosis в Мурманской области // Молекулярная генетика, микробиология и вирусология. 2022. Т. 40, № 2. С. 21–27. [Vyazovaya A.A., Gavrilova N.Yu., Gerasimova A.A., Bychkova A.O., Avadenii I., Anikieva E.V., Solovieva N.S., Zhuravlev V.Yu., Mokrousov I.V., Narvskaya O.V. Molecular-genetic monitoring of Mycobacterium tuberculosis population in Murmansk region. Molekulyarnaya Genetika, Mikrobiologiya i Virusologiya = Molecular Genetics, Microbiology and Virology, 2022, vol. 40, no. 2, pp. 21–27. (In Russ.)] doi: 10.17116/molgen20224002121Вязовая А.А., Лебедева И.А., Ушакова Н.Б., Павлов В.В., Герасимова А.А., Соловьева Н.С., Журавлев В.Ю., Нарвская О.В. Молекулярно-генетический анализ популяции Mycobacterium tuberculosis в Вологодской области — регионе с низкой заболеваемостью туберкулезом // Инфекция и иммунитет. 2021. Т. 11, № 3. С. 497–505. [Vyazovaya А.А., Lebedeva I.A., Ushakova N.B., Pavlov V.V., Gerasimova A.А., Solovieva N.S., Zhuravlev V.Yu., Narvskaya O.V. Molecular and genetic analysis of Mycobacterium tuberculosis population in the Vologda Region with low tuberculosis incidence. Infektsiya i immunitet = Russian Journal of Infection and Immunity, 2021, vol. 11, no. 3, pp. 497–505. (In Russ.)] doi: 10.15789/2220-7619-MAG-1545Gagneux S. Ecology and evolution of Mycobacterium tuberculosis. Nat. Rev. Microbiol., 2018, vol. 16, pp. 202–213. doi: 10.1038/nrmicro.2018.8Kamerbeek J., Schouls L., Kolk A., van Agterveld M., van Soolingen D., Kuijper S., Bunschoten A., Molhuizen H., Shaw R., Goyal M., van Embden J. Simultaneous detection and strain differentiation of Mycobacterium tuberculosis for diagnosis and epidemiology. J. Clin. Microbiol., 1997, vol. 35, no. 4, pp. 907–914. doi: 10.1128/jcm.35.4.907-914.1997Kremer K., Glynn J.R., Lillebaek T., Niemann S., Kurepina N.E., Kreiswirth B.N., Bifani P.J., van Soolingen D. Definition of the Beijing/W lineage of Mycobacterium tuberculosis on the basis of genetic markers. J. Clin. Microbiol., 2004, vol. 42, no. 9, pp. 4040–4049. doi: 10.1128/JCM.42.9.4040-4049.2004Kumar S., Stecher G., Li M., Knyaz C., Tamura K. MEGA X: molecular evolutionary genetics analysis across computing platforms. Mol. Biol. Evol., 2018, vol. 35, no. 6, pp. 1547–1549. doi: 10.1093/molbev/msy096Luo T., Comas I., Luo D., Lu B., Wu J., Wei L., Yang C., Liu Q., Gan M., Sun G., Shen X., Liu F., Gagneux S., Mei J., Lan R., Wan K., Gao Q. Southern East Asian origin and coexpansion of Mycobacterium tuberculosis Beijing family with Han Chinese. Proc. Natl Acad. Sci. USA, 2015, vol. 112, no. 26, pp. 8136–8141. doi: 10.1073/pnas.1424063112Maeda S., Hang N.T., Lien L.T., Thuong P.H., Hung N.V., Hoang N.P., Cuong V.C., Hijikata M., Sakurada S., Keicho N. Mycobacterium tuberculosis strains spreading in Hanoi, Vietnam: Beijing sublineages, genotypes, drug susceptibility patterns, and host factors. Tuberculosis (Edinb.), 2014, vol. 94, no. 6, pp. 649–656. doi: 10.1016/j.tube.2014.09.005Mokrousov I., Ly H.M., Otten T., Lan N.N., Vyshnevskyi B., Hoffner S., Narvskaya O. Origin and primary dispersal of the Mycobacterium tuberculosis Beijing genotype: clues from human phylogeography. Genome Res., 2005, vol. 15, no. 10, pp. 1357–1364. doi: 10.1101/gr.3840605Mokrousov I., Narvskaya O., Otten T., Vyazovaya A., Limeschenko E., Steklova L., Vyshnevskyi B. Phylogenetic reconstruction within Mycobacterium tuberculosis Beijing genotype in northwestern Russia. Res. Microbiol., 2002, vol. 153, no. 10, pp. 629–637. doi: 10.1016/s0923-2508(02)01374-8Mokrousov I., Pasechnik O., Vyazovaya A., Yarusova I., Gerasimova A., Blokh A., Zhuravlev V. Impact of pathobiological diversity of Mycobacterium tuberculosis on clinical features and lethal outcome of tuberculosis. BMC Microbiol., 2022, vol. 22: 50. doi: 10.1186/s12866-022-02461-wMokrousov I., Sinkov V., Vyazovaya A., Pasechnik O., Solovieva N., Khromova P., Zhuravlev V., Ogarkov O. Genomic signatures of drug resistance in highly resistant Mycobacterium tuberculosis strains of the early ancient sublineage of Beijing genotype in Russia. Int. J. Antimicrob. Agents, 2020, vol. 56, no. 2: 106036. doi: 10.1016/j.ijantimicag.2020.106036Mokrousov I., Vyazovaya A., Pasechnik O., Gerasimova A., Dymova M., Chernyaeva E., Tatarintseva M., Stasenko V. Early ancient sublineages of Mycobacterium tuberculosis Beijing genotype: unexpected clues from phylogenomics of the pathogen and human history. Clin. Microbiol. Infect., 2019, vol. 25, no. 8, pp. 1039.e1–1039.e6. doi: 10.1016/j.cmi.2018.11.024Mokrousov I., Vyazovaya A., Sinkov V., Gerasimova A., Ioannidis P., Jiao W., Khromova P., Papaventsis D., Pasechnik O., Perdigão J., Rastogi N., Shen A., Skiba Y., Solovieva N., Suffys P., Tafaj S., Umpeleva T., Vakhrusheva D., Yarusova I., Zhdanova S., Zhuravlev V., Ogarkov O. Practical approach to detection and surveillance of emerging highly resistant Mycobacterium tuberculosis Beijing 1071-32-cluster. Sci. Rep., 2021, vol. 11: 21392. doi: 10.1038/s41598-021-00890-7Mokrousov I., Vyazovaya A., Solovieva N., Sunchalina T., Markelov Y., Chernyaeva E., Melnikova N., Dogonadze M., Starkova D., Vasilieva N., Gerasimova A., Kononenko Y., Zhuravlev V., Narvskaya O. Trends in molecular epidemiology of drug-resistant tuberculosis in Republic of Karelia, Russian Federation. BMC Microbiol., 2015, vol. 15: 279. doi: 10.1186/s12866-015-0613-3Pasechnik O., Vyazovaya A., Vitriv S., Tatarintseva M., Blokh A., Stasenko V., Mokrousov I. Major genotype families and epidemic clones of Mycobacterium tuberculosis in Omsk region, Western Siberia, Russia, marked by a high burden of tuberculosis-HIV coinfection. Tuberculosis (Edinb.), 2018, vol. 108, pp. 163–168. doi: 10.1016/j.tube.2017.12.003Shamputa I.C., Lee J., Allix-Béguec C., Cho E.J., Lee J., Rajan V., Lee E.G., Min J.H., Carroll M.W., Goldfeder L.C., Kim J.H., Kang H.S., Hwang S., Eum S.Y., Park S.K., Lee H., Supply P., Cho S.-N., Via L.E., Barry C.E. Genetic diversity of Mycobacterium tuberculosis isolates from a tertiary care tuberculosis hospital in South Korea. J. Clin. Microbiol., 2010, vol. 48, pp. 3873–3894. doi: 10.1128/jcm.02167-09Supply P., Allix C., Lesjean S., Cardoso-Oelemann M., Rüsch-Gerdes S., Willery E., Savine E., de Haas P., van Deutekom H., Roring S., Bifani P., Kurepina N., Kreiswirth B., Sola C., Rastogi N., Vatin V., Gutierrez M.C., Fauville M., Niemann S., Skuce R., Kremer K., Locht C., van Soolingen D. Proposal for standardization of optimized mycobacterial interspersed repetitive unit-variable-number tandem repeat typing of Mycobacterium tuberculosis. J. Clin. Microbiol., 2006, vol. 44, pp. 4498–4510. doi: 10.1128/JCM.01392-06Van Embden J.D., Cave M.D., Crawford J.T., Dale J.W., Eisenach K.D., Gicquel B., Hermans P., Martin C., McAdam R., Shinnick T.M. Strain identification on Mycobacterium tuberculosis by DNA fingerprinting: recommendations for a standardized methodology. J. Clin. Microbiol., 1993, vol. 31, pp. 406–409. doi: 10.1128/jcm.31.2.406-409.1993Vinogradova T., Dogonadze M., Zabolotnykh N., Badleeva M., Yarusova I., Vyazovaya A., Gerasimova A., Zhdanova S., Vitovskaya M., Solovieva N., Pasechnik O., Ogarkov O., Mokrousov I. Extremely lethal and hypervirulent Mycobacterium tuberculosis strain cluster emerging in Far East, Russia. Emerg. Microbes Infect., 2021, vol. 10, no. 1, pp. 1691–1701. doi: 10.1080/22221751.2021.1967704Wada T., Iwamoto T., Maeda S., Genetic diversity of the Mycobacterium tuberculosis Beijing family in East Asia revealed through refined population structure analysis. FEMS Microbiol. Lett., 2009, vol. 291, no. 1, pp. 35–43. doi: 10.1111/j.1574-6968.2008.01431.xYin Q.Q., Liu H.C., Jiao W.W., Li Q.J., Han R., Tian J.L., Liu Z.G., Zhao X.Q., Li Y.J., Wan K.L., Shen A.D., Mokrousov I. Evolutionary history and ongoing transmission of phylogenetic sublineages of Mycobacterium tuberculosis Beijing genotype in China. Sci. Rep., 2016, vol. 6: 34353. doi: 10.1038/srep34353Zhdanova S., Mokrousov I., Orlova E., Sinkov V., Ogarkov O. Transborder molecular analysis of drug-resistant tuberculosis in Mongolia and Eastern Siberia, Russia. Transbound. Emerg. Dis., 2022, vol. 69, no. 5, pp. e1800-e1814. doi: 10.1111/tbed.14515