Molecular and genetic characterization of LEPTOSPIRA spp. collection strains from the St. Petersburg Pasteur institute based on 16S rRNA gene sequencing data

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Leptospirosis is a zoonotic disease found virtually worldwide. Microscopic Agglutination Test with live leptospira (MAT) is the reference method for the serological diagnosis of leptospirosis. MAT is based on assessing serum potential to agglutinate live reference serovar Leptospira maintained at a reference laboratory. At some laboratories having own collections of isolated and reference Leptospira strains applicable for serological diagnosis, those microorganisms are maintained for many years by repeated subculturing, that increases markedly a chance of strain cross-contamination. The lack of adequate quality control for reference strains may affect data of epidemiological studies. Control of Leptospira spp. reference strains purity and stability of their antigenic composition is very important for diagnosis of leptospirosis. The study objective was to compare the 16S rRNA gene nucleotide sequences of some Leptospira strains from the collection of the St. Petersburg Pasteur Institute to with relevant sequences uploaded to GenBank. In this study, 38 Leptospira strains were investigated. Nucleotide sequences of 36 strains were deposited in the international GenBank database, inconsistencies were revealed in two strains. The study found that the control Leptospira strains from the collection of the St. Petersburg Pasteur Institute had minimal dissimilarities from international control strains. The analysis of the resultant 16S rRNA sequences has shown the presence of point mutations, transitions, deletions and insertions, regardless of the strain species. The open leptospira pan-genome demonstrates high genomic variability in species due to the capability of leptospira for lateral gene transfer in order to adapt to changing environmental conditions. The massive acquisition and loss of genes give rise to an increased species diversity. The 16S rRNA gene is suitable for screening diagnostics; however, high level of the fragment similarity and close phylogenetic relationship between different species put bounds to its use in genotyping. The presence of point nucleotide mutations is most likely associated with the evolutionary mechanisms of leptospira, their ability to horizontal gene transfer and crossing-over, including ribosomal genes, but this assumption necessitates additional research. For specimen genotyping it is necessary to select alternative genes with high specificity and sufficient level of nucleotide divergence. The study shows a need for genetic analysis of collection strains in order to control the purity of cultures.

About the authors

R. R. Baimova

St. Petersburg Pasteur Institute

Author for correspondence.
Email: baimova@pasteurorg.ru

Junior Researcher, Laboratory of Zoonoses

Russian Federation, St. Petersburg

Yu. V. Ostankova

St. Petersburg Pasteur Institute

Email: baimova@pasteurorg.ru

PhD (Biology), Head of the Laboratory of HIV Immunology and Virology; Senior Researcher, Laboratory of Molecular Immunology

Russian Federation, St. Petersburg

O. V. Blinova

St. Petersburg Pasteur Institute

Email: baimova@pasteurorg.ru

PhD (Chemistry), Junior Researcher, Laboratory of Zoonoses

Russian Federation, St. Petersburg

N. A. Stoyanova

St.Petersburg Pasteur Institute

Email: baimova@pasteurorg.ru

PhD (Medicine), Leading Researcher, Laboratory of Zoonoses

Russian Federation, St. Petersburg

N. K. Tokarevich

St. Petersburg Pasteur Institute

Email: baimova@pasteurorg.ru

DSc (Medicine), Professor, Head of the Laboratory of Zoonoses

Russian Federation, St. Petersburg

References

  1. Киселева Е.Ю., Бренева Н.В., Лемешевская М.В., Бурданова Т.М. Завозной случай лептоспироза с летальным исходом из Вьетнама в Иркутскую область // Инфекционные болезни. 2014. Т. 12, № 3. С. 95–99. [Kiseleva E.Yu., Breneva N.V., Lemeshevskaya M.V., Burdanova T.M. An imported case of leptospirosis with a lethal outcome from Vietnam to the Irkutsk region. Infektsionnye bolezni = Infectious Diseases, 2014, vol. 12, no. 3, pp. 95–99. (In Russ.)]
  2. Самсонова А.П., Петров Е.М., Савельева О.В., Иванова А.Е., Шарапова Н.Е. Анализ документированных результатов исследования сывороток крови больных, подозрительных на заболевание лептоспирозами, в реакции микроагглютинации // Инфекция и иммунитет. 2022. Т. 12, № 5. C. 875–890. [Samsonova A.P., Petrov E.M., Savelyeva O.V., Ivanova A.E., Sharapova N.E. Analyzying the documented results by using microscopic agglutination test to examine sera from patients suspected of leptospirosis. Infektsiya i immunitet = Russian Journal of Infection and Immunity, 2022, vol. 12, no. 5, pp. 875–890. (In Russ.)] doi: 10.15789/2220-7619-ATD-1758
  3. Соболева Г.Л., Ананьина Ю.В., Непоклонова И.В. Актуальные вопросы лептоспироза людей и животных // Российский ветеринарный журнал. 2017. № 8. С. 14–18. [Soboleva G.L., Ananyina Y.V., Nepoklonova I.V. Actual problems of human and animal leptospirosis. Rossijskij veterinarnyj zhurnal = Russian Veterinary Journal, 2017, no. 8, pp. 14–18. (In Russ.)]
  4. Стоянова H.A., Токаревич H.K., Волкова Г.В., Грачева H.A., Кравченко С.С., Кузина Н.В., Лисеева T.M., Мациевская Е.A., Пьяных В.А., Снегирев В.И., Сосницкий В.И. Актуальные проблемы лептоспирозной инфекции в Северо-Западном федеральном округе // Эпидемиология и вакцинопрофилактика. 2003. № 4 (11). С. 29–32. [Stoianova N., Tokarevich N., Gracheva L., Volkova G., Gracheva N., Kravchenko S., Kuzina N., Liseeva T., Matsievskaya E., Snegirev V., Sosnitsky V. Actual problems of leptospirosis infection in the Northwestern Federal District. Epidemiologiya i vaktsinoprofilaktika = Epidemiology and Vaccinal Prevention, 2003, no. 4 (11), pp. 29–32. (In Russ.)]
  5. Стоянова Н.А., Сергейко Л.М., Слепцова В.И. Иммунологический мониторинг и эпидемические особенности лептоспироза в Санкт-Петербурге // Микробиология эпидемиология и иммунобиология. 1996. № 6. С. 120–122. [Stoianova N., Sergeĭko L., Sleptsova V. Immunological monitoring and the epidemiological characteristics of leptospirosis in Saint Petersburg. Mikrobiologiya epidemiologiya i immunobiologiya = Journal of Microbiology, Epidemiology and Immunobiology, 1996, no. 6, pp. 120–122. (In Russ.)]
  6. Токаревич Н.К., Стоянова Н.А. Эпидемиологические аспекты антропогенного влияния на эволюцию лептоспирозов // Инфекция и иммунитет. 2011. Т. 1, № 1. С. 67–76. [Tokarevich N.K., Stoyanova N.A. Epidemiological aspects of anthropogenic influence to leptospirosis evolution. Infektsiia i immunitet = Russian Journal of Infection and Immunity, 2011, vol. 1, no. 1, pp. 67–76. (In Russ.)] doi: 10.15789/2220-7619-2011-1-67-76
  7. Behera S.K., Sabarinath T., Ganesh B., Mishra P.K.K., Niloofa R., Senthilkumar K., Verma M.R., Hota A., Chandrasekar S., Deneke Y., Kumar A., Nagarajan M., Das D., Khatua S., Sahu R., Ali S.A. Diagnosis of human leptospirosis: comparison of microscopic agglutination test with recombinant LigA/B antigen-based In-house IgM dot ELISA dipstick test and latex agglutination test using bayesian latent class model and MAT as gold standard. Diagnostics (Basel), 2022, vol. 12, no. 6: 1455. doi: 10.3390/diagnostics12061455
  8. Bharti A.R., Nally J.E., Ricaldi J.N., Matthias M.A., Diaz M.M., Lovett M.A., Levett P.N., Gilman R.H., Willig M.R., Gotuzzo E., Vinetz J.M.; Peru-United States Leptospirosis Consortium. Leptospirosis: a zoonotic disease of global importance. Lancet Infect. Dis., 2003, vol. 3, no. 12, pp. 757–771. doi: 10.1016/s1473-3099(03)00830-2
  9. Boonsilp S., Thaipadungpanit J., Amornchai P., Wuthiekanun V., Bailey M.S., Holden M.T., Zhang C., Jiang X., Koizumi N., Taylor K., Galloway R., Hoffmaster A.R., Craig S., Smythe L.D., Hartskeerl R.A., Day N.P., Chantratita N., Feil E.J., Aanensen D.M., Spratt B.G., Peacock S.J. A single multilocus sequence typing (MLST) scheme for seven pathogenic Leptospira species. PLoS Negl. Trop. Dis., 2013, vol. 7, no. 1: e1954. doi: 10.1371/journal.pntd.0001954
  10. Bourhy P., Collet L., Brisse S., Picardeau M. Leptospira mayottensis sp. nov., a pathogenic species of the genus Leptospira isolated from humans. Int. J. Syst. Evol. Microbiol., 2014, vol. 64, pt. 12, pp. 4061–4067. doi: 10.1099/ijs.0.066597-0
  11. Brenner D.J., Kaufmann A.F., Sulzer K.R., Steigerwalt A.G., Rogers F.C., Weyant R.S. Further determination of DNA relatedness between serogroups and serovars in the family Leptospiraceae with a proposal for Leptospira alexanderi sp. nov. and four new Leptospira genomospecies. Int. J. Syst. Bacteriol., 1999, vol. 49, pt. 2, pp. 839–858.doi: 10.1099/00207713-49-2-839
  12. Cerqueira G.M., McBride A.J., Queiroz A., Pinto L.S., Silva E.F., Hartskeerl R.A., Reis M.G., Ko A.I., Dellagostin O.A. Monitoring Leptospira strain collections: the need for quality control. Am. J. Trop. Med. Hyg., 2010, vol. 82, no. 1, pp. 83–87. doi: 10.4269/ajtmh.2010.09-0558
  13. Chappel R.J., Goris M., Palmer M.F., Hartskeerl R.A. Impact of proficiency testing on results of the microscopic agglutination test for diagnosis of leptospirosis. J. Clin. Microbiol., 2004, vol. 42, no. 12, pp. 5484–5488. doi: 10.1128/JCM.42.12.5484-5488.2004
  14. Chen H.W., Lukas H., Becker K., Weissenberger G., Halsey E.S., Guevara C., Canal E., Hall E., Maves R.C., Tilley D.H., Kuo L., Kochel T.J., Ching W.M. An improved enzyme-linked immunoassay for the detection of Leptospira-specific antibodies. Am. J. Trop. Med. Hyg., 2018, vol. 99, no. 2, pp. 266–274. doi: 10.4269/ajtmh.17-0057
  15. Clarridge J.E. 3rd. Impact of 16S rRNA gene sequence analysis for identification of bacteria on clinical microbiology and infectious diseases. Clin. Microbiol. Rev., 2004, vol. 17, no. 4, pp. 840–862. doi: 10.1128/CMR.17.4.840-862.2004
  16. Costa F. , Hagan J.E., Calcagno J., Kane M., Torgerson P., Martinez-Silveira M.S., Stein C., Abela-Ridder B., Ko A.I. Global morbidity and mortality of Leptospirosis: a systematic review. PLoS Negl. Trop. Dis., 2015, vol. 9, no. 9: e0003898. doi: 10.1371/journal.pntd.0003898
  17. Di Azevedo M.I.N., Lilenbaum W. An overview on the molecular diagnosis of animal leptospirosis. Lett. Appl. Microbiol., 2021, vol. 72, no. 5, pp. 496–508. doi: 10.1111/lam.13442
  18. Faine S., Adler B., Bolin C., Perolat P. “Leptospira” and leptospirosis. Melbourne: MediSci, 1999. 295 p.
  19. Fortes-Gabriel E., Guedes M.S., Shetty A., Gomes C.K., Carreira T., Vieira M.L., Esteves L., Mota-Vieira L., Gomes-Solecki M. Enzyme immunoassays (EIA) for serodiagnosis of human leptospirosis: specific IgG3/IgG1 isotyping may further inform diagnosis of acute disease. PLoS Negl. Trop. Dis., 2022, vol. 16, no. 2: e0010241. doi: 10.1371/journal.pntd.0010241
  20. Fouts D.E., Matthias M.A., Adhikarla H., Adler B., Amorim-Santos L., Berg D.E., Bulach D., Buschiazzo A., Chang Y.F., Galloway R.L., Haake D.A., Haft D.H., Hartskeerl R., Ko A.I., Levett P.N., Matsunaga J., Mechaly A.E., Monk J.M., Nascimento A.L., Nelson K.E., Palsson B., Peacock S.J., Picardeau M., Ricaldi J.N., Thaipandungpanit J., Wunder E.A. Jr., Yang X.F., Zhang J.J., Vinetz J.M. What makes a bacterial species pathogenic? Comparative genomic analysis of the genus Leptospira. PLoS Negl. Trop. Dis., 2016, vol. 10, no. 2: e0004403. doi: 10.1371/journal.pntd.0004403
  21. Ghazaei C. Pathogenic Leptospira: advances in understanding the molecular pathogenesis and virulence. Open Vet. J., 2018, vol. 8, no. 1, pp. 13–24. doi: 10.4314/ovj.v8i1.4
  22. Guedes I.B., de Souza G.O., de Paula Castro J.F., Cavalini M.B., de Souza Filho A.F., Maia A.L.P., Dos Reis E.A., Cortez A., Heinemann M.B. Leptospira interrogans serogroup Pomona strains isolated from river buffaloes. Trop. Anim. Health Prod., 2021, vol. 53, no. 2: 194. doi: 10.1007/s11250-021-02623-4
  23. Guernier V., Allan K.J., Goarant C. Advances and challenges in barcoding pathogenic and environmental Leptospira. Parasitology, 2018, vol. 145, no. 5, pp. 595–607. doi: 10.1017/S0031182017001147
  24. Haake D.A., Suchard M.A., Kelley M.M., Dundoo M., Alt D.P., Zuerner R.L. Molecular evolution and mosaicism of leptospiral outer membrane proteins involves horizontal DNA transfer. J. Bacteriol., 2004, vol. 186, no. 9, pp. 2818–2828. doi: 10.1128/JB.186.9.2818-2828.2004
  25. Hookey J.V., Bryden J., Gatehouse L. The use of 16S rDNA sequence analysis to investigate the phylogeny of Leptospiraceae and related spirochaetes. J. Gen. Microbiol., 1993, vo. 139, no. 11, pp. 2585–2590. doi: 10.1099/00221287-139-11-2585
  26. Jayasundara D., Senavirathna I., Warnasekara J., Gamage C., Siribaddana S., Kularatne S.A.M., Matthias M., Mariet J.F., Picardeau M., Agampodi S., M Vinetz J. 12 novel clonal groups of Leptospira infecting humans in multiple contrasting epidemiological contexts in Sri Lanka. PLoS Negl. Trop. Dis., 2021, vol. 15, no. 3: e0009272. doi: 10.1371/journal.pntd.0009272
  27. Khodaverdi Darian E., Forghanifard M.M., Moradi Bidhendi S., Chang Y.F., Yahaghi E., Esmaelizad M., Khaleghizadeh M., Khaki P. Cloning and sequence analysis of LipL32, a surface-exposed lipoprotein of pathogenic Leptospira spp. Iran. Red Crescent Med. J., 2013, vol. 15, no. 11: e8793.
  28. Kmety E., Dikken H. Classification of the species Leptospira interrogans and history of its serovars. Groningen: University Press Groningen, 1993. 104 p.
  29. Ko A.I., Goarant C., Picardeau M. Leptospira: the dawn of the molecular genetics era for an emerging zoonotic pathogen. Nat. Rev. Microbiol., 2009, vol. 7, no. 10, pp. 736–747. doi: 10.1038/nrmicro2208
  30. Lam J.Y., Low G.K., Chee H.Y. Diagnostic accuracy of genetic markers and nucleic acid techniques for the detection of Leptospira in clinical samples: a meta-analysis. PLoS Negl. Trop. Dis., 2020, vol. 14, no 2: e0008074. doi: 10.1371/journal.pntd.0008074
  31. Landolt N.Y., Chiani Y.T., Pujato N., Jacob P., Schmeling M.F., García Effron G., Vanasco N.B. Utility evaluation of two molecular methods for Leptospira spp. typing in human serum samples. Heliyon, 2022, vol. 9, no. 2: e12564. doi: 10.1016/j.heliyon.2022.e12564
  32. Levett P.N. Leptospirosis. Clin. Microbiol. Rev., 2001, vol. 14, no. 2, pp. 296–326. doi: 10.1128/CMR.14.2.296-326.2001
  33. Masuzawa T., Sakakibara K., Saito M., Hidaka Y., Villanueva S.Y.A.M., Yanagihara Y., Yoshida S.I. Characterization of Leptospira species isolated from soil collected in Japan. Microbiol. Immunol., 2018, vol. 62, no. 1, pp. 55–59. doi: 10.1111/1348-0421.12551
  34. Morey R.E., Galloway R.L., Bragg S.L., Steigerwalt A.G., Mayer L.W., Levett P.N. Species-specific identification of Leptospiraceae by 16S rRNA gene sequencing. J. Clin. Microbiol., 2006, vol. 44, no. 10, pp. 3510–3516. doi: 10.1128/JCM.00670-06
  35. Philip N., Bahtiar Affendy N., Ramli S.N.A., Arif M., Raja P., Nagandran E., Renganathan P., Taib N.M., Masri S.N., Yuhana M.Y., Than L.T.L., Seganathirajah M., Goarant C., Goris M.G.A., Sekawi Z., Neela V.K. Leptospira interrogans and Leptospira kirschneri are the dominant Leptospira species causing human leptospirosis in Central Malaysia. PLoS Negl. Trop. Dis., 2020, vol. 14, no. 3: e0008197. doi: 10.1371/journal.pntd.0008197
  36. Picardeau M. Virulence of the zoonotic agent of leptospirosis: still terra incognita? Nat. Rev. Microbiol., 2017, vol. 15, no. 5, pp. 297–307. doi: 10.1038/nrmicro.2017.5
  37. Picardeau M. Leptospira and Leptospirosis. Methods Mol. Biol., 2020, vol. 2134, pp. 271–275. doi: 10.1007/978-1-0716-0459-5_24
  38. Postic D., Riquelme-Sertour N., Merien F., Perolat P., Baranton G. Interest of partial 16S rDNA gene sequences to resolve heterogeneities between Leptospira collections: application to L. meyeri. Res. Microbiol., 2000, vol. 151, no. 5, pp. 333–341. doi: 10.1016/s0923-2508(00)00156-x
  39. Rajapakse S. Leptospirosis: clinical aspects. Clin. Med. (Lond), 2022, vol. 22, no. 1, pp. 14–17. doi: 10.7861/clinmed.2021-0784
  40. Slack A.T., Symonds M.L., Dohnt M.F., Smythe L.D. Identification of pathogenic Leptospira species by conventional or real-time PCR and sequencing of the DNA gyrase subunit B encoding gene. BMC Microbiol., 2006, vol. 6: 95. doi: 10.1186/1471-2180-6-95
  41. Stimson A.M. Note on an organism found in yellow-fever tissue. Public Health Reports, 1907, vol. 22, no. 18, p. 541. doi: 10.2307/4559008
  42. Strutzberg-Minder K., Ullerich A., Dohmann K., Boehmer J., Goris M. Comparison of two Leptospira type strains of serovar Grippotyphosa in Microscopic Agglutination Test (MAT) diagnostics for the detection of infections with Leptospires in horses, dogs and pigs. Vet. Sci., 2022, vol. 9, no. 9: 464. doi: 10.3390/vetsci9090464
  43. Sugunan A.P., Vijayachari P., Sharma S., Roy S., Manickam P., Natarajaseenivasan K., Gupte M.D., Sehgal S.C. Risk factors associated with leptospirosis during an outbreak in Middle Andaman, India. Indian J. Med. Res., 2009, vol. 130, vol. 1, pp. 67–73.
  44. Sykes J.E., Gamage C.D., Haake D.A., Nally J.E. Understanding leptospirosis: application of state-of-the-art molecular typing tools with a One Health lens. Am. J. Vet. Res., 2022, vol. 83, no. 10: ajvr.22.06.0104. doi: 10.2460/ajvr.22.06.0104
  45. Torgerson P.R., Hagan J.E., Costa F., Calcagno J., Kane M., Martinez-Silveira M.S., Goris M.G., Stein C., Ko A.I., Abela-Ridder B. Global burden of Leptospirosis: estimated in terms of disability adjusted life years. PLoS Negl. Trop. Dis., 2015, vol. 9, no. 10: e0004122. doi: 10.1371/journal.pntd.0004122
  46. Zhang C., Yang H., Li X., Cao Z., Zhou H., Zeng L., Xu J., Xu Y., Chang Y.F., Guo X., Zhu Y., Jiang X. Molecular typing of pathogenic Leptospira serogroup Icterohaemorrhagiae strains circulating in China during the past 50 years. PLoS Negl. Trop. Dis., 2015, vol. 9, no. 5: e0003762. doi: 10.1371/journal.pntd.0003762

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Figure 1. Phylogenetic tree built on the obtained Leptospira spp. 16S rRNA sequences and sequences of reference strains taken from GenBank

Download (795KB)
Indexing metadata
3. Figure 2. Multiple alignment of the obtained sequences with reference strains obtained from the international GenBank database

Download (473KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 Baimova R.R., Ostankova Y.V., Blinova O.V., Stoyanova N.A., Tokarevich N.K.

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».