Molecular detection and phylogeography of the hypervirulent subtype of Mycobacterium tuberculosis Beijing 14717-15

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

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.

About the authors

Igor V. Mokrousov

St. Petersburg Pasteur Institute

Author for correspondence.
Email: imokrousov@mail.ru

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

Russian Federation, St. Petersburg

A. A. Vyazovaya

St. Petersburg Pasteur Institute

Email: imokrousov@mail.ru

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

Russian Federation, St. Petersburg

M. V. Badleeva

Dorzhi Banzarov Buryat State University

Email: imokrousov@mail.ru

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

Russian Federation, Ulan-Ude, Buryatia

A. A. Gerasimova

St. Petersburg Pasteur Institute

Email: imokrousov@mail.ru

Junior Researcher, Laboratory of Molecular Epidemiology and Evolutionary Genetics

Russian Federation, St. Petersburg

O. B. Belopolskaya

Resource Center “Bio-bank Center”, Research Park of St. Petersburg State University

Email: imokrousov@mail.ru

PhD (Biology), Leading Expert

Russian Federation, St. Petersburg

A. E. Masharsky

Resource Center “Bio-bank Center”, Research Park of St. Petersburg State University

Email: imokrousov@mail.ru

PhD (Biology), Leading Expert

Russian Federation, St. Petersburg

I. V. Kostyukova

Clinical Anti-tuberculosis Dispensary

Email: imokrousov@mail.ru

Bacteriologist, Head of the Bacteriology Laboratory

Russian Federation, Omsk

S. N. Zhdanova

Scientific Centre of the Family Health and Human Reproduction Problems

Email: imokrousov@mail.ru

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

Russian Federation, Irkutsk

R. S. Mudarisova

St. Petersburg Pasteur Institute

Email: imokrousov@mail.ru

Research Laboratory Assistant, Laboratory of Molecular Epidemiology and Evolutionary Genetics

Russian Federation, St. Petersburg

I. Avadenii

St. Petersburg Pasteur Institute; St. Petersburg Research Institute of Phthisiopulmonology

Email: imokrousov@mail.ru

Junior Researcher, Bacteriologist, Bacteriology Laboratory

Russian Federation, St. Petersburg; St. Petersburg

N. S. Solovieva

St. Petersburg Research Institute of Phthisiopulmonology

Email: imokrousov@mail.ru

PhD (Medicine), Head of the Bacteriology Laboratory

Russian Federation, St. Petersburg

D. A. Naizabayeva

Almaty Branch of National Center for Biotechnology; Al-Farabi Kazakh National University

Email: imokrousov@mail.ru

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

Kazakhstan, Almaty; Almaty

Yu. A. Skiba

Almaty Branch of National Center for Biotechnology

Email: imokrousov@mail.ru

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

Kazakhstan, Almaty

V. Yu. Zhuravlev

St. Petersburg Research Institute of Phthisiopulmonology

Email: imokrousov@mail.ru

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

Russian Federation, St. Petersburg

O. A. Pasechnik

Omsk State Medical University

Email: imokrousov@mail.ru

DSc (Medicine), Head, Department of Public Health

Russian Federation, Omsk

O. B. Ogarkov

Scientific Centre of the Family Health and Human Reproduction Problems

Email: imokrousov@mail.ru

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

Russian Federation, Irkutsk

References

  1. Беспятых 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: 10.15789/2220-7619-2019-1-173-182
  2. Вязовая 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/molgen20224002121
  3. Вязовая 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-1545
  4. Gagneux S. Ecology and evolution of Mycobacterium tuberculosis. Nat. Rev. Microbiol., 2018, vol. 16, pp. 202–213. doi: 10.1038/nrmicro.2018.8
  5. Kamerbeek 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.35.4.907-914.1997
  6. Kremer 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.42.9.4040-4049.2004
  7. Kumar 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/msy096
  8. Luo 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.1424063112
  9. Maeda 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.2014.09.005
  10. Mokrousov 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.3840605
  11. Mokrousov 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)01374-8
  12. Mokrousov 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-w
  13. Mokrousov 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.2020.106036
  14. Mokrousov 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.2018.11.024
  15. Mokrousov 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/s41598-021-00890-7
  16. Mokrousov 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/s12866-015-0613-3
  17. Pasechnik 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.2017.12.003
  18. Shamputa 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.02167-09
  19. Supply 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.01392-06
  20. Van 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.31.2.406-409.1993
  21. Vinogradova 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: 10.1080/22221751.2021.1967704
  22. Wada 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.x
  23. Yin 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/srep34353
  24. Zhdanova 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

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Figure 1. Scheme of the evolution of the Beijing Mycobacterium tuberculosis genotype, including the main Russian subtypes

Download (280KB)
Indexing metadata
3. Figure 2. Dendrogram of strains of the ancient sublineage of the Beijing genotype from Russia and Korea, built on the basis of whole genome SNPs based on the maximum likelihood algorithm

Download (70KB)
Indexing metadata
4. Figure 3. HhaI PCR-RFLP detection of substitution at genomic position 2423040 A > G (Rv2161c Val(s)33Ala)

Download (61KB)
Indexing metadata
5. Figure 4. Retrospective analysis of the geographical distribution of Beijing 14717-15 strains and other Beijing subtypes in Russian regions

Download (222KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 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.

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».