New genetic markers for Burkholderia pseudomallei strains typing

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Burkholderia pseudomallei is the causative agent of melioidosis, a serious infectious disease in humans and animals that may be asymptomatic long-term and quickly develop to pneumonia and septicemia in immunocompromised state and due to predisposing factors. Melioidosis is endemic in countries with tropical and subtropical climates, where B. pseudomallei is a part of the soil and water microbiota of stagnant water bodies, as well as the plant rhizosphere. The recording of imported melioidosis cases in countries with temperate climate zone, along with the continued threat of using this pathogen as a bioterrorism agent, indicate the relevance of research aimed at developing modern methods for its diagnosing and typing. Current research in the intraspecific differentiation of pathogenic strains of infectious diseases tends to use two or more types of molecular markers. A promising direction for the B. pseudomallei strains genotyping is based on using a combination of VNTR loci, which provides a high discriminating ability of the method of multi-locus variable tandem repeat number analysis (MLVA), and slowly evolving single nucleotide polymorphisms (SNPs). The aim of this work was to identify new VNTR and SNP loci suitable for use as genetic markers in molecular typing of the melioidosis causative agent. 20 strains of B. pseudomallei from the collection of the Volgograd Plague Control Research Institute and whole genome sequences of 85 B. pseudomallei strains from the GenBank NCBI database were analyzed. While typing melioidosis causative agent strains from the GenBank NCBI database for 4 VNTR loci, 74 genotypes were identified, of which 64 were unique (Hunter–Gaston index 0.997). It was found that the high allelic polymorphism of VNTR loci limited a potential to determine the geographical and phylogenetic relationships of B. pseudomallei isolates by using the MLVA-4 scheme, and the identified null alleles increased the risk of homoplasia. In this regard, the MLVA-4 scheme was supplemented with a VNTR marker in the BPSS1974 locus encoding a collagen-like protein as well as with SNP markers in the genes of lipid A biosynthesis lauroyl acyltransferase, RNA polymerase sigma factor RpoH, and glutamine amidotransferase. For amplification of the select loci, primers and probes were designed as part of the developed scheme, which were tested in the typing of B. pseudomallei collection strains. According to the results of a cluster analysis for 105 strains of the melioidosis causative agent, an integrated approach turned out to be optimal, allowing differentiation of strains within SNP groups based on VNTR profiles. The methodological approach developed for B. pseudomallei genetic typing, based on a comprehensive analysis of 4 SNP- and 5 MLVA-markers in our modification, allowed to differentiate strains according to the geographical regions of their origin and establish the clonal origin of isolates upon revealing cases of melioidosis.

About the authors

Margarita L. Ledenyova

Volgograd Plague Control Research Institute

Email: volresin@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-5923-4774

Scientific Researcher of the Laboratory of Gene Diagnostics

Russian Federation, 400131, Volgograd, Golubinskaya str., 7

Galina A. Tkachenko

Volgograd Plague Control Research Institute

Email: tkachenko_g@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0199-3342

PhD (Medicine), Associate Professor, Leading Researcher of the Laboratory of Gene Diagnostics

Russian Federation, 400131, Volgograd, Golubinskaya str., 7

Irina B. Zakharova

Volgograd Plague Control Research Institute

Author for correspondence.
Email: zib279@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-7808-7658

PhD (Biology), Associate Professor, Leading Researcher of the Laboratory of Pathogenic Burkholderia

Russian Federation, 400131, Volgograd, Golubinskaya str., 7

References

  1. Онищенко Г.Г., Топорков А.В., Липницкий А.В., Викторов Д.В. Проблемы противодействия биологическому терроризму на современном этапе // Инфекционные болезни: Новости. Мнения. Обучение. 2016. Т. 1, № 14. С. 24–31. [Onishchenko G.G., Toporkov A.V., Lipnitsky A.V., Viktorov D.V. Problems of counteraction to biological terrorism at the present stage. Infektsionnye bolezni: Novosti. Mneniya. Obuchenie = Infectious Diseases: News. Opinions. Training, 2016, vol. 1, no. 14, pp. 24–31. (In Russ.)]
  2. Патент № 2545702 Российская Федерация, МПК C12Q 1/68 (2006.01). Олигонуклеотидные праймеры Burk0090s/Burk0090as для оценки адаптационной изменчивости генома патогенных буркхольдерий: № 2013135429/10; заявлено 2013.07.26: опубликовано 10.04.2015. Бюл. № 10 / Савченко С.С., Ткаченко Г.А., Бондарева О.С., Шпак И.М., Леденева М.Л., Антонов В.А. Патентообладатель: Федеральное казенное учреждение здравоохранения Волгоградский научно-исследовательский противочумный институт Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека. 7 с. [Patent No. 2545702 Russian Federation, Int. Cl. C12Q 1/68 (2006.01). Oligonucleotide primers Burk0090s/Burk0090as for assessment of adaptive variability of genome of pathogenic burkholderia. No. 2013135429/10; application: 2013.07.26: date of publication 10.04.2015 / Savchenko S.S., Tkachenko G.A., Bondareva O.S., Shpak I.M., Ledeneva M.L., Antonov V.A. Proprietors: FSHE Volgograd Anti-Plague Institute of the Federal Service for Supervision of Consumer Rights Protection and Human Welfare. 7 p.]
  3. Aziz A., Sarovich D.S., Harris T.M., Kaestli M., McRobb E., Mayo M., Currie B.J., Price E.P. Suspected cases of intracontinental Burkholderia pseudomallei sequence type homoplasy resolved using whole-genome sequencing. Microb. Genom., 2017, vol. 3, no. 11: e000139. doi: 10.1099/mgen.0.000139
  4. Baker A., Pearson T., Price E.P., Dale J., Keim P., Hornstra H., Greenhill A., Padilla G., Warner J. Molecular phylogeny of Burkholderia pseudomallei from a remote region of Papua New Guinea. PLoS One, 2011, vol. 6, no. 3: e18343 doi: 10.1371/journal.pone.0018343
  5. Challacombe J.F., Stubben C.J., Klimko C.P., Welkos S.L., Kern S.J., Bozue J.A., Worsham P.L., Cote C.K., Wolfe D.N. Interrogation of the Burkholderia pseudomallei genome to address differential virulence among isolates. PLoS One, 2014, vol. 9, no. 12: e115951. doi: 10.1371/journal.pone.0115951
  6. Currie B.J., Haslem A., Pearson T., Hornstra H., Leadem B., Mayo M., Gal D., Ward L., Godoy D., Spratt B.G., Keim P. Identification of melioidosis outbreak by multilocus variable number tandem repeat analysis. Emerg. Infect. Dis., 2009, vol. 15, no. 2, pp. 169–174. doi: 10.3201/eid1502.081036
  7. Doker T.J., Quinn C.L., Salehi E.D., Sherwood J.J., Benoit T.J., Glass Elrod M., Gee J.E., Shadomy S.V., Bower W.A., Hoffmaster A.R., Walke H.T., Blaney D.D., DiOrio M.S., Melioidosis Investigation Team. Fatal Burkholderia pseudomallei infection initially reported as a Bacillus species, Ohio, 2013. Am. J. Trop. Med. Hyg., 2014, vol. 91, no. 4, pp. 743–746. doi: 10.4269/ajtmh.14-0172
  8. Elschner M.C., Hnizdo J., Stamm I., El-Adawy H., Mertens K., Melzer F. Isolation of the highly pathogenic and zoonotic agent Burkholderia pseudomallei from a pet green Iguana in Prague, Czech Republic. BMC Vet. Res., 2014, vol. 10: 283. doi: 10.1186/s12917-014-0283-7
  9. Engelthaler D.M., Bowers J., Schupp J.A., Pearson T., Ginther J., Hornstra H.M., Dale J., Stewart T., Sunenshine R., Waddell V., Levy C., Gillece J., Price L.B., Contente T., Beckstrom-Sternberg S.M., Blaney D.D., Wagner D.M., Mayo M., Currie B.J., Keim P., Tuanyok A. Molecular investigations of a locally acquired case of melioidosis in Southern A.Z., USA. PLoS Negl. Trop. Dis., 2011, vol. 5, no. 10: e1347. doi: 10.1371/journal.pntd.0001347
  10. Gee J.E., Gulvik C.A., Elrod M.G., Batra D., Rowe L.A., Sheth M., Hoffmaster A.R. Phylogeography of Burkholderia pseudomallei isolates, Western Hemisphere. Emerg. Infect. Dis., 2017, vol. 23, no. 7, pp. 1133–1138. doi: 10.3201/eid2307.161978
  11. Gétaz L., Abbas M., Loutan L., Schrenzel J., Iten A., Simon F., Decosterd A., Studer R., Sudre P., Michel Y., Merlani P., Emonet S. Fatal acute melioidosis in a tourist returning from Martinique Island, November 2010. Euro Surveill., 2011, vol. 16, no. 1: 19758.
  12. Gilad J., Harary I., Dushnitsky T., Schwartz D., Amsalem Y. Burkholderia mallei and Burkholderia pseudomallei as bioterrorism agents: national aspects of emergency preparedness. Isr. Med. Assoc. J., 2007, vol. 9, no. 7, pp. 499–503.
  13. Hunter P.R., Gaston M.A. Numerical index of the discriminatory ability of typing systems: an application of Simpson’s index of diversity. J. Clin. Microbiol., 1988, vol. 26, no. 11, pp. 2465–2466. doi: 10.1128/jcm.26.11.2465-2466.1988
  14. Jayasinghearachchi H.S., Francis V.R., Sathkumara H.D., Krishnananthasivam S., Masakorala J., Muthugama T., De Silva A.D., Corea E.M. Nonclonal Burkholderia pseudomallei population in melioidosis case cluster, Sri Lanka. Emerg. Infect. Dis., 2021, vol. 27, no. 11, pp. 2955–2957. doi: 10.3201/eid2711.210219
  15. Limmathurotsakul D., Golding N., Dance D.A., Messina J.P., Pigott D.M., Moyes C.L., Rolim D.B., Bertherat E., Day N.P., Peacock S.J., Hay S.I. Predicted global distribution of Burkholderia pseudomallei and burden of melioidosis. Nat. Microbiol., 2016, vol. 1: 15008. doi: 10.1038/nmicrobiol.2015.8
  16. Nandi T., Ong C., Singh A.P., Boddey J., Atkins T., Sarkar-Tyson M., Essex-Lopresti A.E., Chua H.H., Pearson T., Kreisberg J.F., Nilsson C., Ariyaratne P., Ronning C., Losada L., Ruan Y., Sung W.K., Woods D., Titball R.W., Beacham I., Peak I., Keim P., Nierman W.C., Tan P. A genomic survey of positive selection in Burkholderia pseudomallei provides insights into the evolution of accidental virulence. PLoS Pathog., 2010, vol. 6, no. 4: e1000845. doi: 10.1371/journal.ppat.1000845
  17. Okonechnikov K., Golosova O., Fursov M., UGENE team. Unipro UGENE: a unified bioinformatics toolkit. Bioinformatics, 2012, vol. 28, no. 8, pp. 1166–1167. doi: 10.1093/bioinformatics/bts091
  18. Sarovich D.S., Garin B., De Smet B., Kaestli M., Mayo M., Vandamme P., Jacobs J., Lompo P., Tahita M.C., Tinto H., Djaomalaza I., Currie B.J., Price E.P. Phylogenomic analysis reveals an Asian origin for African Burkholderia pseudomallei and further supports melioidosis endemicity in Africa. mSphere, 2016, vol. 1, no. 2: e00089-15. doi: 10.1128/mSphere.00089-15
  19. Schluter P.M., Harris S.A. Analysis of multilocus fingerprinting data sets containing missing data. Molecular. Ecology. Notes, 2006, vol. 6, no. 2, pp. 569–572.
  20. Selander R.K., Caugant D.A., Ochman H., Musser J.M., Gilmour M.N., Whittam T.S. Methods of multilocus enzyme electrophoresis for bacterial population genetics and systematics. Appl. Environ. Microbiol., 1986, vol. 51, no. 5, pp. 873–884. doi: 10.1128/aem.51.5.873-884.1986
  21. Tamura K., Stecher G., Kumar S. MEGA11: Molecular Evolutionary Genetics Analysis Version 11. Mol. Biol. Evol., 2021, vol. 38, no. 7, pp. 3022–3027. doi: 10.1093/molbev/msab120
  22. Untergasser A., Nijveen H., Rao X., Bisseling T., Geurts R., Leunissen J.A. Primer3Plus, an enhanced web interface to Primer3. Nucleic Acids Res., 2007, vol. 35 (Web Server issue): W71–74. doi: 10.1093/nar/gkm306
  23. U’Ren J.M., Schupp J.M., Pearson T., Hornstra H., Friedman C.L., Smith K.L., Daugherty R.R., Rhoton S.D., Leadem B., Georgia S., Cardon M., Huynh L.Y., DeShazer D., Harvey S.P., Robison R., Gal D., Mayo M.J., Wagner D., Currie B.J., Keim P. Tandem repeat regions within the Burkholderia pseudomallei genome and their application for high resolution genotyping. BMC Microbiol., 2007, vol. 7: 23. doi: 10.1186/1471-2180-7-23
  24. Wiersinga W.J., Currie B.J., Peacock S.J. Melioidosis. N. Engl. J. Med., 2012, vol. 367, no. 11, pp. 1035–1044. doi: 10.1056/NEJMra1204699
  25. Zhu X., Chen H., Li S., Wang L.C., Wu D.R., Wang X.M., Chen R.S., Li Z.J., Liu Z.G. Molecular characteristics of Burkholderia pseudomallei collected from humans in Hainan, China. Front. Microbiol., 2020, vol. 11: 778. doi: 10.3389/fmicb.2020.00778

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Figure 1. Comparative analysis of t 85 B. pseudomallei strains typing by using the MLVA-4 scheme (A) as well as combined use of the MLVA-4 scheme, the BPSS1974#I locus, and SNP1–4 (B)

Download (697KB)
Indexing metadata
3. Figure 2. Dendrogram constructed by using the Neighbor-Joining algorithm based on the results of 105 B. pseudomallei strains typing with complex analysis data using molecular markers of 5 VNTR and 4 SNP loci

Download (758KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2022 Ledenyova M.L., Tkachenko G.A., Zakharova I.B.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».