Genomic diversity of toxigenic Vibrio cholerae O1 biovar El Tor strains isolated during three waves of the 7th cholera pandemic

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. High genome variability of the 7th cholera pandemic agent, V. cholerae El Tor, led to emergence of genovariants with distinct set of altered genes. The aim of the work was to analyze the dynamics of changes in pathogenicity, epidemicity as well as drug resistance and phylogeny in toxigenic strains of V. cholerae El Tor isolated in Russia and endemic regions during three waves of ongoing pandemic. Materials and methods. We used whole-genome nucleotide sequences of 155 strains, obtained by us (42) and taken from the NCBI Genbank (113). DNA sequencing was performed on Ion PGM platform. Phylogenetic relations were determined based on the Bayesian analysis of core SNPs obtained using Snippy 4.6 software package. Antibiotic resistance was assessed applying disk diffusion test. Results. SNP data revealed that the studied strains (1970–2023) might be divided into three clusters. A clear correlation between each-cluster strain genotype and relevant isolation timing was observed. Separation of genetically altered cluster II and III strains isolated during the 2nd and 3rd waves of the pandemic from typical cluster I strains is associated with acquisition of new DNA regions and mutations in pathogenicity and drug resistance genes. Due to different combination of mutations, cluster III strains are genetically heterogeneous. Genome comparison showed that this diversity increased dramatically during the 3rd wave, which led to emergence of new genovariants with higher pathogenic and epidemic potential. It is demonstrated that antibiotic resistance in strains both from endemic regions and Russia over the past 30 years (1993–2023) has undergone significant changes. Thereat, the changing drug resistance clearly correlated with the occurrence of mutations in various pathogenicity genes. Conclusion. It is shown that over the past two decades the agent genome underwent a rather rapid change resulting in emergence of various genovariants. A change in the pathogen variants in Russia has been established. Strains combining genetic markers of hyper-virulence and multiple drug resistance are of particular concern. Genome variability of the strains identified in points at a need for constant genomic surveillance to obtain data on altering epidemically important properties for timely generation of new diagnostic and preventive means.

About the authors

Nina I. Smirnova

Russian Anti-Plague Institute “Microbe” of Rospotrebnadzor

Author for correspondence.
Email: rusrapi@microbe.ru

DSc (Biology), Professor, Head Researcher, Laboratory of Pathogenic Vibrios

Russian Federation, Saratov

D. A. Rybal’chenko

Russian Anti-Plague Institute “Microbe” of Rospotrebnadzor

Email: rusrapi@microbe.ru

Researcher, Laboratory of Pathogenic Vibrios, Department of Microbiology

Russian Federation, Saratov

Yu. V. Lozovsky

Russian Anti-Plague Institute “Microbe” of Rospotrebnadzor

Email: rusrapi@microbe.ru

PhD (Medicine), Junior Researcher, Laboratory of Pathogenic Vibrios, Department of Microbiology

Russian Federation, Saratov

Ya. M. Krasnov

Russian Anti-Plague Institute “Microbe” of Rospotrebnadzor

Email: rusrapi@microbe.ru

PhD (Chemistry), Head of the Genomic and Proteomic Analysis Laboratory, Department of Microbiology

Russian Federation, Saratov

E. Yu. Shchelkanova

Russian Anti-Plague Institute “Microbe” of Rospotrebnadzor

Email: rusrapi@microbe.ru

PhD (Biology), Senior Researcher, Department “State Collection of Pathogenic Bacteria”

Russian Federation, Saratov

A. V. Fedorov

Russian Anti-Plague Institute “Microbe” of Rospotrebnadzor

Email: rusrapi@microbe.ru

Junior Researcher, Genomic and Proteomic Analysis Laboratory, Department of Microbiology

Russian Federation, Saratov

V. V. Kutyrev

Russian Anti-Plague Institute “Microbe” of Rospotrebnadzor

Email: rusrapi@microbe.ru

RAS Full Member, DSc (Medicine), Professor, Director

Russian Federation, Saratov

References

  1. Бароян О.В. Холера Эль-Тор. М.: Медицина, 1971. 256 с. [Baroyan O.V. Cholera Biovar El Tor. Moscow: Meditsina, 1971. 256 p. (In Russ.)]
  2. Водопьянов С.О., Водопьянов А.С., Олейников И.П., Титова С.В. Распространенность ICE элементов различных типов у V. cholerae // Здоровье населения и среда обитания — ЗНиСО. 2018. № 1. C. 33–35. [Vodop’yanov S.O., Vodop’yanov A.S., Oleynikov I.P., Titova S.V. Prevalence of ice elements of different types in V. cholerae. Zdorov’e naseleniya i sreda obitaniya — ZNiSO = Public Health and Life Environment — PH&LE, 2018, no. 1, pp. 33–35. (In Russ.)]
  3. Кологоров А.И., Кедрова О.В., Пахомов Д.А., Пискунова Н.В., Ковтунов А.И., Васенин А.С., Кабин В.В., Илюхин А.А., Грачева И.В., Раздорский А.С., Сафронов В.А. Закономерности распространения холеры в бассейне Волги в 1970–1973 гг. // Проблемы особо опасных инфекций. 2010. № 104. C. 22–27. [Kologorov A.I., Kedrova O.V., Pakhomov D.A., Piskunova N.V., Kovtunov A.I., Vasenin A.S., Kabin V.V., Ilyukhin A.A., Gracheva I.V., Razdorskiy A.S., Safronov V.A. Regularities of Cholera Spread in the Volga Basin in 1970-1973. Problemy osobo opasnykh infektsiy = Problems of Particularly Dangerous Infections, 2010, no. 104, pp. 22–27. (In Russ.)] doi: 10.21055/0370-1069-2010-2(104)-22-27
  4. Монахова Е.В., Ghosh A., Mutreja A., Weill F., Ramamurthy T. Эндемичная холера в Индии и завозная холера в России: что общего? // Проблемы особо опасных инфекций. 2020. № 3. C. 17–26. [Monakhova E.V., Ghosh A., Mutreja A., Weill F., Ramamurthy T. Endemic cholera in india and imported cholera in Russia: what is common? Problemy osobo opasnykh infektsiy = Problems of Particularly Dangerous Infections, 2020, no. 3, pp. 17–26. (In Russ.)] doi: 10.21055/0370-1069-2020-3-17-26
  5. Онищенко Г.Г., Москвитина Э.А., Кругликов В.Д., Титова С.В., Адаменко О.Л., Водопьянов А.С., Водопьянов С.О. Эпидемиологический надзор за холерой в России в период седьмой пандемии // Вестник Российской академии медицинских наук. 2015. Т. 70, № 2. C. 249–256. [Onishchenko G.G., Moskvitina E.A., Kruglikov V.D., Titov S.V., Adamenko O.L., Vodop’yanov A.S., Vodop’yanov S.O. Surveillance of cholera In Russia during the seventh pandemic. Vestnik Rossiiskoi akademii meditsinskikh nauk = Herald of the Russian Academy of Sciences, 2015, vol. 70, no. 2, pp. 249–256. (In Russ.)] doi: 10.15690/vramn.v70i2.1320.
  6. Попова А.Ю., Носков А.К., Ежлова Е.Б., Кругликов В.Д., Монахова Е.В., Чемисова О.С., Лопатин А.А., Иванова С.М., Подойницына О.А., Водопьянов А.С., Левченко Д.А., Савина И.В. Эпидемиологическая ситуация по холере в Российской Федерации в 2023 г. и прогноз на 2024 г. // Проблемы особо опасных инфекций. 2024. № 1. C. 76–88. [Popova A.Yu., Noskov A.K., Ezhlova E.B., Kruglikov V.D., Monakhova E.V., Chemisova O.S., Lopatin A.A., Ivanova S.M., Podoynitsyna O.A., Vodop’yanov A.S., Levchenko D.A., Savina I.V. Epidemiological situation on cholera in the Russian Federation in 2023 and forecast for 2024. Problemy osobo opasnykh infektsiy = Problems of Particularly Dangerous Infections, 2024, no. 1, pp. 76–88. (In Russ.)] doi: 10.21055/0370-1069-2024-1-76-88
  7. Рыбальченко Д.А., Щелканова Е.Ю., Лозовский Ю.В., Федоров А.В., Смирнова Н.И. Распространенность разных типов интегративного конъюгативного элемента SXT/R391, кодирующего множественную резистентность к антибиотикам, среди клинических штаммов возбудителя холеры // Проблемы особо опасных инфекций. 2022. № 1. C. 137–147. [Rybal’chenko D.A., Shchelkanova E.Yu., Lozovsky Yu.V., Fedorov A.V., Smirnova N.I. Prevalence of different types of integrative conjugative element SXT/R391 encoding multiple antibiotic resistance among clinical strains of cholera agent. Problemy osobo opasnykh infektsiy = Problems of Particularly Dangerous Infections, 2022, no. 1, pp. 137–147. (In Russ.)] doi: 10.21055/0370-1069-2022-1-137-147
  8. Рыбальченко Д.А., Лозовский Ю.В., Краснов Я.М., Щелканова Е.Ю., Смирнова Н.И. Молекулярно-генетический анализ штаммов Vibrio cholerae O1 Эль-Тор, выявленных на территории России в 2023 г. // Молекулярная генетика, микробиология и вирусология. 2024. Т. 42, № 1. C. 34–42. [Rybal’chenko D.A., Lozovsky Yu.V., Krasnov Ya.M., Shchelkanova E.Yu., Smirnova N.I. Molecular-Genetic Analysis of Vibrio cholerae O1 El Tor Strains Identified In Russia in 2023. Molekulyarnaya genetika, mikrobiologiya i virusologiya = Molecular Genetics, Microbiology and Virology, 2024, vol. 42, no. 1, pp. 34–42. (In Russ.)] doi: 10.17116/molgen20244201134.
  9. Савельев В.Н., Савельева И.В., Васильева О.В., Бабенышев Б.В., Ковалев Д.А., Грижебовский Г.М., Антоненко А.Д., Курбанов Ш.Х., Бутаев Т.М., Куличенко А.Н. Эволюция Vibrio cholerae eltor и обнаружение их генотипических вариантов на Кавказе // Проблемы особо опасных инфекций. 2012. Т. 4, № 114. C. 58–60. [Savel’ev V.N., Savel’eva I.V., Vasil’eva O.V., Babenyshev B.V., Kovalev D.A., Grizhebovsky G.M., Antonenko A.D., Kurbanov Sh.Kh., Butaev T.M., Kulichenko A.N. Evolution of Vibrio cholerae El Tor and detection of their gene-variants in the Caucasus. Problemy osobo opasnykh infektsiy = Problems of Particularly Dangerous Infections, 2012, vol. 4, no. 114, pp. 58–60. (In Russ.)] doi: 10.21055/0370-1069-2012-4-58-60
  10. Смирнова Н.И., Заднова С.П., Шашкова А.В., Кутырев В.В. Вариабельность генома измененных вариантов Vibrio cholerae биовара Эль Тор, завезенных на территорию России в современный период // Молекулярная генетика, микробиология и вирусология. 2011. Т. 26, № 3. C. 102–110. [Smirnova N.I., Zadnova S.P., Shashkova A.V., Kutyrev V.V. Genome variability in the altered variants of Vibrio cholerae biovar El Tor isolated In Russia. Molekulyarnaya genetika, mikrobiologiya i virusologiya = Molecular Genetics, Microbiology and Virology, 2011, vol. 26, no. 3, pp. 102–110. (In Russ.)] doi: 10.3103/S0891416811030062
  11. Смирнова Н.И., Рыбальченко Д.А., Плеханов Н.А., Лозовский Ю.В., Федоров А.В., Кутырев В.В. Новые генетические варианты возбудителя холеры и их распространение в эндемичных странах и России // Молекулярная генетика, микробиология и вирусология. 2023. Т. 41, № 1. C. 10–17. [Smirnova N.I., Rybal’chenko D.A., Plekhanov N.A., Lozovsky Yu.V., Fedorov A.V., Kutyrev V.V. New genetic variants of cholera agent and their distribution in epidemic countries and Russia. Molekulyarnaya genetika, mikrobiologiya i virusologiya = Molecular Genetics, Microbiology and Virology, 2023, vol. 41, no. 1, pp. 10–17. (In Russ.)] doi: 10.17116/molgen20234101110
  12. Bhandari M., Jennison A.V., Rathnayake I.U., Huygens F. Evolution, distribution and genetics of atypical Vibrio cholerae — a review. Infect. Genet. Evol., 2021, vol. 89: 104726. doi: 10.1016/j.meegid.2021.104726
  13. Chaguza C., Chibwe I., Chaima D., Musicha P., Ndeketa L., Kasambara W., Mhango C., Mseka U.L., Bitilinyu-Bangoh J., Mvula B., Kipandula W., Bonongwe P., Munthali R.J., Ngwira S., Mwendera C.A., Kalizang’oma A., Jambo K.C., Kambalame D., Kamng’ona A.W., Steele D., Chauma-Mwale A., Hungerford D., Kagoli M., Nyaga M.M., Dube Q., French N., Msefula C.L., Cunliffe N.A., Jere K.C. Genomic insights into the 2022–2023 Vibrio cholerae outbreak in Malawi. Nat. Commun., 2024, vol. 15, no. 1: 6291. doi: 10.1038/s41467-024-50484-w
  14. Dolores J., Satchell K.J. Analysis of Vibrio cholerae genome sequences reveals unique rtxA variants in environmental strains and an rtxA-null mutation in recent altered El Tor isolates. mBio, 2013, vol. 4, no. 2, pp. 1–9. doi: 10.1128/mBio.00624-12
  15. Dziejman M., Balon E., Boyd D., Fraser C.M., Heidelberg J.F., Mekalanos J.J. Comparative genomic analysis of Vibrio cholerae: genes that correlate with cholera endemic and pandemic disease. Proc. Natl Acad. Sci. USA, 2002, vol. 9, no. 3, pp. 1556–1561. doi: 10.3410/f.1004686.53905
  16. Gladkikh A.S., Feranchuk S.I., Ponomareva A.S., Bochalgin N.O., Mironova L.V. Antibiotic resistance in Vibrio cholerae El Tor strains isolated during cholera complications in Siberia and the Far East of Russia. Infect. Genet. Evol., 2020, vol. 78: 104096. doi: 10.1016/j.meegid.2019.104096
  17. Kim H.B., Wang M., Ahmed S., Park C.H., LaRocque C.R., Faruque A.S., Salam M.A., Khan W.A., Qadri F., Calderwood S.B., Jacoby G.A., Hooper D.C. Transferable Quinolone Resistance in Vibrio cholerae. Antimicrob. Agents Chemother., 2010, vol. 54, pp. 799–803. doi: 10.1128/AAC.01045-09
  18. Mironova L.V., Gladkikh A.S., Ponomareva A.S., Feranchuk S.I., Bochalgin N.О., Basov E.A., Khunkheeva Yu.Z., Balakhonov S.V. Comparative genomics of Vibrio cholerae El Tor strains isolated at epidemic complications in Siberia and at the Far East. Infect. Genet. Evol., 2018, vol. 60, pp. 80–88. doi: 10.1016/j.meegid.2018.02.023
  19. Mutreja A., Kim D.W., Thomson N., Connor T.R., Lee J.H., Kariuki S., Croucher N.J., Choi S.Y., Harris S.R., Lebens M., Niyogi S.K., Kim E.J., Ramamurthy T., Chun J., Wood J.L., Clemens J.D., Czerkinsky C., Nair G.B., Holmgren J., Parkhill J., Dougan G. Evidence for multiple waves of global transmission within the seventh cholera pandemic. Nature, 2011, vol. 477, pp. 462–465. doi: 10.1038/nature10392
  20. Nair G.B., Faruque S.M., Bhuiyan N.A., Kamruzzaman M., Siddique A.K., Sack D.A. New variants of Vibrio cholerae O1 biotype El Tor with attributes of the classical biotype from hospitalized patients with acute diarrhea in Bangladesh. J. Clin. Microbiol., 2002, vol. 40, no. 9, pp. 3296–3299. doi: 10.1128/JCM.40.9.3296-3299.2002
  21. Pant A., Das B., Bhadra R.K. CTX phage of Vibrio cholerae: genomics and applications. Vaccine, 2020, vol. 29, no. 38, suppl. 1: A7-A12. doi: 10.1016/j.vaccine.2019.06.034
  22. Reimer A.R., Domselaar G.V., Stroika S., Walker M., Kent H., Tarr C., Talkington D., Rowe L., Olsen-Rasmussen M., Frace M., Sammons S., Dahourou G.A., Boncy J., Smith A.M., Mabon P., Petkau A., Graham M., Gilmour M.W., Gerner-Smidt P. Comparative Genomics of Vibrio cholerae from Haiti, Asia, and Africa. Emerg. Infect. Dis., 2011, vol. 17, no. 11, pp. 2113–2121. doi: 10.3201/eid1711.110794
  23. Safa A., Nair G.B., Kong R.Y. Evolution of new variants of Vibrio cholerae O1. Trends Microbiol., 2010, vol. 18, pp. 46–54. doi: 10.1016/j.tim.2009.10.003
  24. Samanta P., Mandal R.S., Saha R.N. Shaw S., Ghosh P., Dutta S., Ghosh A., Imamura D., Morita M., Ohnishi M., Ramamurthy T., Mukhopadhyay A.K. A point mutation in carR is involved in the emergence of polymyxin B-sensitive Vibrio cholerae O1 El Tor biotype by influencing gene transcription. Infect. Immun., 2020, vol. 88, no. 5: e00080-20. doi: 10.1128/IAI.00080-20
  25. Spagnoletti M., Ceccarelli D., Rieux A., Fondi M., Taviani E., Fani R., Colombo M.M., Colwell R.R., Balloux F. Acquisition and evolution of SXT-R391 integrative conjugative elements in the seventh-pandemic Vibrio cholerae lineage. mBio, 2014, vol. 5, no. 4: e01356-14. doi: 10.1128/mBio.01356-14
  26. Talkington D., Bopp C., Tarr C., Parsons M.B., Dahour G., Freeman M., Joyce K., Turnsek M., Garrett N., Humphrys M., Gomez G., Stroika S., Boncy J., Ochieng B., Oundo J., Klena J., Smith A., Keddy K., Gerner-Smidt P. Characterization of toxigenic Vibrio cholerae from Haiti, 2010—2011. Emerg. Infect. Dis., 2011, vol. 17, no. 11, pp. 2122–2129. doi: 10.3201/eid1711.110805
  27. Taviani E., Grim C.J., Choi J., Chun J., Haley B., Hasan N.A., Huq A., Colwell R.R. Discovery of novel Vibrio cholerae VSP-II genomic islands using comparative genomic analysis. FEMS Microbiol. Lett., 2010, vol. 308, pp. 130–137. doi: 10.1111/j.1574-6968.2010.02008.x
  28. Weill F.X., Domman D., Njamkepo E., Tarr C., Rauzier J., Fawal N., Keddy K.H., Salje H., Moore S., Mukhopadhyay A.K., Bercion R., Luquero F.J., Ngandjio A., Dosso M., Monakhova E., Garin B., Bouchier C., Pazzani C., Mutreja A., Grunow R., Sidikou F., Bonte L., Breurec S., Damian M., Njanpop-Lafourcade B.M., Sapriel G., Page A.L., Hamze M., Henkens M., Chowdhury G., Mengel M., Koeck J.L., Fournier J.M., Dougan G., Grimont P.A.D., Parkhill J., Holt K.E., Piarroux R., Ramamurthy T., Quilici M.L., Thomson N.R. Genomic history of the seventh pandemic of cholera in Africa. Science, 2017, vol. 358, no. 6364, pp. 785–789. doi: 10.1126/science.aad5901

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Figure 1. Phylogenetic analysis of toxigenic V. cholerae O1 El Tor strains isolated in the Russian Federation and cholera-endemic Asian and African countries in 1970–2023. Note. Analysis was conducted using full-genome sequencing data based on Bayesian test (performed in the Mr.Bayes 3.2.7 application) of core SNPs obtained using the Snippy 4.6 software package. The dendrogram rooted to the reference strain V. cholerae N16961 was visualized using the iTOL v6 online application (https://itol.embl.de).

Download (1MB)
Indexing metadata
3. Figure 2. Dynamic prevalence changes for mutant virulence genes ctxB and tcpA, deleted pandemicity island VSP-II and ICE SXT element among toxigenic V. cholerae O1 El Tor strains isolated in Russian Federation (A) and cholera-endemic Asian and African countries (B). Nucleotide sequences of ctxB and tcpA gene alleles (C)

Download (929KB)
Indexing metadata
4. Figure 3. Dynamic prevalence changes in drug resistance genes among various variants of the cholera pathogen isolated in Russian Federation (A) and endemic Asian and African countries (B) during the 2nd and 3rd waves of the current cholera pandemic. Sensitivity to polymyxin B (PolS) and resistance to nalidixic acid (NalR) of the studied isolates: M3208 and M1509 — genovariant strains with mutant gyrA, parC and carR genes; M671 is a typical strain with intact gyrA, parC and carR genes used as a control (C)

Download (913KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Smirnova N.I., Rybal’chenko D.A., Lozovsky Y.V., Krasnov Y.M., Shchelkanova E.Y., Fedorov A.V., Kutyrev V.V.

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».