Characterization of toxigenic Corynebacterium diphtheriae strains isolated in Russia

• Published in: Russian Journal of Infection and Immunity
• Main Authors: O. Borisova Yu., N. Gadua T., A. Pimenova S., A. Chaplin V., I. Chagina A., Y. Urban N., N. Maksimova M., M. Korzhenkova P., S. Afanasiev S., L. Kafarskaya I., M. Afanasyev S., V. Krikun V., O. Yakunina Yu., О. Борисова Ю., Н. Гадуа Т., А. Пименова С., А. Чаплин В., И. Чагина А., Ю. Урбан Н., Н. Максимова М., М. Корженкова П., С. Афанасьев С., Л. Кафарская И., М. Афанасьев С., В. Крикун В., О. Якунина Ю.
• Format: Article in Journal/Newspaper
• Language: Russian
• Published: Publishing house of Saint Petersburg Pasteur Institute 2020
• Subjects: diphtheria; C. diphtheriae; toxigenic strains; patients; carriers; MLST; дифтерия; токсигенные штаммы; больные; бактерионосители; мультилокусное сиквенс-типирование; khanty; khanty-mansi; Mansi
• Online Access: https://www.iimmun.ru/iimm/article/view/1272; https://doi.org/10.15789/2220-7619-COT-1272

The aim of the study was to characterize toxigenic strains of Corynebacterium diphtheriae by examining 12 toxigenic strains of C. diphtheriae isolated in Russia between January, 2017 to June, 2019. The morphological, toxigenic and biochemical properties of C. diphtheriae was studied. Genotyping of C. diphtheriae strains was performed using MLST and dtxR gene sequencing with subsequent phylogenetic analysis. Results. Toxigenic strains of C. diphtheriae were isolated in the Novosibirsk, Samara and Chelyabinsk Regions, the Khanty-Mansi Autonomous Okrug — Yugra as well as the Republic of Northern Ossetia — Alania. Among these strains, 5 were isolated from diphtheria patients (moderate disease found in one case, mild course — remaining patients) and 7 strains were isolated from bacterial carriers. In two cases C. diphtheriae from diphtheria patients were identified as ST25 sequence type, gravis variant; in one case — ST8 type, gravis variant; two cases — ST67 sequence type, mitis variant. In asymptomatic carriers of tox-positive C. diphtheriae strains they belonged to ST25 sequence type, gravis variant — in two cases, ST67 type, mitis variant — in four cases. A sequencing type was not identified in one case. All sequence types were widespread globally being presented by a large number of isolates in the PubMLST and characterized by a substantial amount of derivative sequence types. At the same time, they belonged to different clonal complexes and differed markedly from each other contributing to their reliable difference as assessed by MLST. Study of gene dtxR sequence diversity showed that all allelic variants were typical for the representatives of these sequence types. New alleles of gene dtxR were not revealed in strains examined. It was shown that non-synonymous substitution C440T leading to A147V amino acid substitution was found solely in one allele distributed in ST8, ST185, ST195 and ST451 types suggesting at late mutation. In contrast, the polymorphism C640A resulting in the amino acid substitution L214I was found not only in the same allele, but also in the basal tree branches indicating that isoleucine was in the ancestral sequence of the protein. Цель исследования — характеристика токсигенных штаммов Corynebacterium diphtheriaе, выделенных на территории России в 2017–2019 гг. В исследование включено 12 токсигенных штаммов C. diphtheriae, выделенных в период с января 2017 г. по июнь 2019 г. Изучение штаммов С. diphtheriae проводили по культурально-морфологическим, токсигенным и биохимическим свойствам. Генотипирование штаммов C. diphtheriae осуществляли с помощью мультилокусного сиквенс-типирования (MЛСТ) и секвенирования гена dtxR с последующим проведением биоинформационного анализа. Результаты. Токсигенные штаммы С. diphtheriae были выделены в Новосибирской, Самарской и Челябинской областях, Ханты-Мансийском автономном округе — Югре и Республике Северная Осетия — Алания. Среди изученных штаммов 5 штаммов были выделены от больных дифтерией (из которых только в одном случае была средне-тяжелая форма клинического течения и в остальных — легкая форма) и 7 штаммов — от бактерионосителей. У больных дифтерией в двух случаях идентифицированы штаммы C. diphtheriae биовара gravis, принадлежащие к сиквенс-типу ST25, в одном случае — штамм биовара gravis ST8 и в двух случаях — штаммы биовара mitis ST67. У бактерионосителей токсигенных C. diphtheriae в двух случаях идентифицированы штаммы биовара gravis сиквенс-типа ST25 и в 4 случаях — штаммы биовара mitis ST67. В одном случае идентифицировать сиквенстип не удалось. Все выявленные сиквенс-типы широко распространены в мире и представлены большим количеством изолятов в базе данных PubMLST, а также характеризуются значительным количеством производных сиквенс-типов. При этом они входят в различные клональные комплексы и значительно отличаются друг от друга, что способствует их надежному различению в МЛСТ. Изучение особенностей структуры гена dtxR показало, что все выявленные аллельные варианты гена являются типичными для представителей этих сиквенс-типов, новых аллельных варианты гена dtxR у изученных штаммов не было обнаружено. Показано, что несинонимичная замена C440T с заменой аминокислоты А147V встречается в пределах только одного аллеля, характерного для представителей сиквенс-типов ST8, ST185, ST195 и ST451, что говорит о поздно произошедшей мутации. Полиморфизм C640A с заменой аминокислоты L214I присутствует не только в данном аллеле, но и в более базальных ветвях дерева, что свидетельствует об изолейцине как о предковом состоянии белка.