CC BY
15
Молекулярно-генетические исследования
7. Parola, Philippe, Paddock, C.D. & Raoult, Didier, 2005. Tick-Borne Rickettsioses around the World: Emerging Diseases Challenging Old Concepts. , 18(4), pp.719-756.
8. Roux, V. et al., 1997. Citrate synthase gene comparison, a new tool for phylogenetic analysis, and its
application for the rickettsiae. International journal of systematic bacteriology, 47(2), pp.252-61.
9. Shpynov S., Rudakov N., Fournier P.-E., Raoult D. 2003. «Candidatus Rickettsia Tarasevichiae» in Ixodes Persulcatus ticks collected in Russia. Annals of the New York Academy of Sciences, 990. p. 162-172.
Карташов Михаил Юрьевич - м.н.с. отдела молекулярной вирусологии флавивирусов и вирусных гепатитов ФБУН ГНЦ ВБ «Вектор», Кольцово.
Микрюкова тамара Петровна - канд. биол. наук, с.н.с., отдела молекулярной вирусологии флавивирусов и вирусных гепатитов ФБУН ГНЦ ВБ «Вектор», Кольцово.
Корабельников игорь Васильевич - генеральный директор, д.м.н. ФГУП «Дезинфекция», г. Сыктывкар. Егорова Юлия игоревна - н.с. Сыктывкарский государственный университет, г. Сыктывкар.
тупота наталья Леонидовна - канд. биол. наук, н.с. отдела молекулярной вирусологии флавивирусов и вирусных гепатитов ФБУН ГНЦ ВБ «Вектор», Кольцово.
терновой Владимир Александрович - канд. биол. наук, зав. лаб. отдела молекулярной вирусологии флавивирусов и вирусных гепатитов ФБУН ГНЦ ВБ «Вектор», Кольцово.
Протопопова елена Викторовна - канд. биол. наук, в.н.с. отдела молекулярной вирусологии флавивирусов и вирусных гепатитов ФБУН ГНЦ ВБ «Вектор», Кольцово.
Локтев Валерий Борисович - д-р биол. наук, зав. отделом молекулярной вирусологии флавивирусов и вирусных гепатитов ФБУН ГНЦ ВБ «Вектор», Кольцово.
© Коллектив апвторов, 2014 Статья поступила в редакцию 14 октября 2014 г.
УДК 616.98:578.833.6
ПРОИСХОЖДЕНИЕ СУБТИПОВ ВКЭ КАК РЕЗУЛЬТАТ АДАПТАЦИИ К НОВОМУ ВИДУ ПЕРЕНОСЧИКА
С.Ю. Ковалев, Т.А. Мухачева Уральский федеральный университет им. первого Президента РФ Б.Н. Ельцина, г. Екатеринбург Россия, 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19. Тел.: +7 (343) 375-45-07; 375-46-09
В настоящее время существует несколько противоречащих друг другу гипотез эволюции ВКЭ, основанных на представлении о равномерном ходе молекулярных часов. В настоящей работе рассматривается альтернативная гипотеза, предполагающая формирование субтипов вируса в результате адаптивного скачка при смене ВКЭ вида основного переносчика - клеща. Анализ включал более тысячи последовательностей фрагмента гена Е и проводился на основе кластеронного подхода. Эволюция ВКЭ представляется как процесс последовательного возникновения одного субтипа из другого в результате чередования градуального и скачкообразного этапов и насчитывает не более 700 лет.
Ключевые слова: вирус клещевого энцефалита, эволюция, гипотеза.
ISSN 2221-7711 HaqwoHajibHbie npnopmeTbi Poccmm. 2014. № 3 (13) ORIGIN OF TBEV SUBTYPES THROUGH THE ADAPTATION TO NEW VECTOR SPECIES
S. Y. Kovalev, T.A. Mukhacheva Ural Federal University named after the first President of Russia B.N.Yeltsin
Nowadays, there are several contradictory hypotheses for TBEV evolution, all of them being based on the general assumption of constant evolution rate. In the present paper, we discuss an alternative hypothesis suggesting adaptive switch to a new vector species as a key factor in the formation of TBEV subtypes. Analysis included more than one thousand sequences of the gene E fragment and was based on the clusteron approach. TBEV evolution is represented here as a process of successive origin of one subtype from another in the course of alternation of gradual and saltatory stages. The age of TBEV populations seems not to exceed 700 years.
Keywords: tick-borne encephalitis virus, evolution, the hypothesis.
Клещевой вирусный энцефалит является природно-очаговой трансмиссивной инфекцией, эпидемиология которой тесно связана с экологией и биологией иксодовых клещей. Для циркуляции вируса клещевого энцефалита (ВКЭ) в природе необходимы как клещи - резервуар и переносчик, так и позвоночные животные, чья кровь является источником питания клещей и основным средством передачи вируса от зараженного клеща к незараженному при их питании на одном животном [1].
В настоящее время существует три взаимоисключающих гипотезы о происхождении и распространении ВКЭ. Первая предполагает появление ВКЭ на Дальнем Востоке примерно 2500 лет назад и его клинальное распространение с востока на запад Евразии [2]. Вторая говорит о том, что ВКЭ ведет свое происхождение из Европы (24003200 лет назад), а распространение ВКЭ, вероятнее всего, проходило с запада на восток Евразии [3]. Наконец, третья предполагает компромиссный сценарий - центром происхождения была Западная Сибирь (1800-4900 лет назад), а распространение ВКЭ шло в двух направлениях -как на запад, так и на восток Евразии [4]. Как мы видим, хотя все гипотезы предлагают различные направления распространения, предполагаемое время происхождения вируса измеряется двумя-тремя тысячами лет. Дело в том, что в основе всех этих гипотез лежит предположение о равномерном ходе молекулярных часов, т.е. одинаковой скорости накопления мутаций на протяжении всей эволюции вируса. Однако, данный подход представляется нам не совсем правильным, поскольку он не учитывает экологические факторы в эволюции ВКЭ и его тесную связь с основным переносчиком - клещом, адаптация к которому может влиять на ход молекулярных часов. Так, известно, что переносчиком европейского субтипа (ВКЭ-Ев) является клещ I. ricinus (L.), тогда как дальневосточного (ВКЭ-Дв) и сибирского (ВКЭ-Сиб) субтипов - I. persulcatus (Schulze) [5]. Каж-
дый субтип ВКЭ характеризуется определенными аминокислотными заменами в белке Е [5], что говорит о необходимости учета не только филогенетических, но и фенотипических признаков исследуемых вирусных популяций. Мы предполагаем, что данные аминокислотные замены могут иметь адаптивный характер и являться основным фактором в формировании субтипов вируса.
Недавно для изучения ВКЭ нами был предложен подход, в основе которого лежит кластерон как элементарная единица структуры вирусной популяции, объединяющая штаммы на основе идентичности аминокислотной последовательности фрагмента белка Е [6]. Штаммы ВКЭ, входящие в один кластерон, как правило, объединены общим происхождением и определенным типом территориального распределения. Было показано, что кластеронный состав, размер клас-теронов и их возраст позволяет решать вопросы происхождения и распространения природных очагов КЭ, а также изучать эволюцию ВКЭ [7].
В настоящей статье предпринята попытка рассмотреть эволюцию ВКЭ на основе закономерностей, выявленных при анализе кластеронной структуры трех субтипов ВКЭ, а также общих представлений об изменчивости РНК-содержащих вирусов в связи с их адаптацией к новому хозяину.
Материалы и методы. В исследование были включены 1104 нуклеотидных последовательности фрагмента гена Е всех трех субтипов ВКЭ, размещенных в GenBank: 693 ВКЭ-Сиб, 365 ВКЭ-Ев и 146 ВКЭ-Дв. Анализ был проведен в соответствии с предложенной методикой [6]. Возраст кластеронов рассчитывали на основе ранее определенной скорости изменчивости фрагмента гена Е в 1.54х10-4 синонимических замен на сайт в год [8].
результаты. Популяция вируса ВКЭ была представлена в виде кластеронной структуры, отражающей как фенотипические, так и филогенетические связи между кластеронами [6]. Кластеронная структура ВКЭ состоит из трех
Молекулярно-генетические исследования
доменов, соответствующих субтипам и представленных самым крупным (по числу входящих в него штаммов) кластероном-«основателем» и производными от него кластеронами. ВКЭ-Дв и ВКЭ-Ев устроены относительно просто и имеют один кластерон-«основатель», в то время как структура ВКЭ-Сиб сложнее и состоит из двух субдоменов, соответствующим азиатской и восточно-европейской (Балтийской) филогенетическим линиям [6].
Пространственно-временной анализ класте-ронной структуры популяций ВКЭ показал, что 1) кластероны-«основатели» всегда старше производных кластеронов, 2) наблюдается возрастная иерархия и между кластеронами-«основателя-ми», а значит и между субтипами: возраст клас-терона-«основателя» ВКЭ-Дв составил более 664 (560-815) лет, а ВКЭ-Ев - самого «молодого» - 325 (273-398) лет, причем ВКЭ-Сиб занимает промежуточное положение - около 423 лет (357-520). Кроме того, было показано, что между кластеро-нами-«основателями» разных субтипов ВКЭ есть «точки перехода», отражающие критичные для субтипа аминокислотные замены. За одним исключением (штаммы группы 884-84), мы не обнаружили штаммов, чьи аминокислотные последовательности фрагмента белка Е соответствовали хотя бы одной из трех точек перехода, что, вероятно, говорит о крайне низкой жизнеспособности вирусов с «переходной» структурой белка Е.
обсуждение. Применение кластеронного анализа позволяет нам не только понять связи субтипов ВКЭ на уровне нуклеотидных последовательностей, но и проследить переходы между ними, сопровождающиеся ключевыми для адаптации вируса аминокислотными заменами. Отсутствие переходных форм между субтипами и их приспособленность к разным переносчикам (по крайней мере, ВКЭ-Ев по сравнению с ВКЭ-Дв и ВКЭ-Сиб) дают основание предполагать формирование субтипов в результате адаптивного скачка при смене вирусом основного переносчика. Данное предположение соответствует теории квантовой эволюции, согласно которой видообразование носит скачкообразный характер и происходит в короткий период времени [9].
Таким образом, по нашему мнению, расчет возраста должен быть произведен не для всей популяции вируса, а отдельно для каждого субтипа или групп (кластеронов), обладающих различными экологическими или биологическими
характеристиками. Определение возраста без учета адаптивных скачков неизбежно приводит к его необоснованному завышению. Исходя из того, что возраст кластерона-«основателя» является максимальным по сравнению с производными, можно допустить, что возраст субтипа ВКЭ соответствует возрасту его кластерона-«ос-нователя». В свою очередь, возраст ВКЭ в целом соответствует возрасту самого «старого» класте-рона-«основателя» дальневосточного субтипа, насчитывающему более 650 лет. Таким образом, мы предполагаем, что первые очаги клещевого энцефалита появились на Дальнем Востоке, что соответствует ранее выдвинутой гипотезе о клинальном распространении ВКЭ с востока на запад Евразии [2]. В целом, эволюция ВКЭ, насчитывающая не более 700 лет, может быть представлена как процесс последовательного возникновения одного субтипа из другого в результате адаптивной эволюции. Причиной распространения вируса по территории Евразии, по всей видимости, был антропогенный фактор [8]. Так, время возникновения ВКЭ-Ев (немногим более 300 лет) практически совпадает со временем появления штаммов ВКЭ-Сиб на Северо-Западе России в результате колонизации европейцами Западной Сибири в начале XVII века [8].
Исходя из полученных данных, мы предлагаем гипотезу, согласно которой эволюция ВКЭ есть чередование градуального и скачкообразного этапов накопления мутаций. В постоянных условиях мы наблюдаем градуальный этап эволюции ВКЭ, когда накопление мутаций происходит с определенной скоростью, которая может быть определена. Скорость же накопления мутаций на этапе перехода в другую адаптационную зону (смена переносчика) в естественных условиях расчёту пока не поддается в силу ускорения молекулярных часов и непредсказуемости направления эволюционных изменений.
В заключение отметим, что предлагаемая гипотеза носит универсальный характер и дает возможность объяснить появление не только новых субтипов, но и новых вирусов комплекса КЭ, что, несомненно, имеет важное практическое значение.
Благодарности. Данная работа была поддержана Правительством Свердловской области и грантом N0. 13-04-96045_а Российского фонда фундаментальных исследований.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Labuda M., Jones L.D., Williams T., Danielova V., Nuttall P.A. Efficient transmission of tick-borne encephalitis virus between cofeeding ticks. J Med Entomol. 1993; 30(1):295-299.
2. Zanotto P.M., Gao G.F., Gritsun T., Marin M.S., Jiang W.R., Venugopal K. et al. An arbovirus cline across the northern hemisphere. Virology. 1995; 210(1): 152-159.
ISSN 2221-7711 Национальные приоритеты России. 2014. № 3 (13)
3. Subbotina E.L., Loktev V.B. Molecular Evolution of the Tick-Borne Encephalitis and Powassan Viruses. Mol Biol. 2012; 46(1):75-84.
4. Heinze D.M., Gould E.A., Forrester N.L. Revisiting the clinal concept of evolution and dispersal for the tickborne flaviviruses by using phylogenetic and biogeographic analyses. J Virol. 2012; 86(16):8663-8671.
5. Ecker M., Allison S.L., Meixner T, Heinz F.X. Sequence analysis and genetic classification of tick-borne encephalitis viruses from Europe and Asia. J Gen Virol. 1999; 80 ( Pt 1):179-185.
6. Kovalev S.Y., Mukhacheva T.A. Clusteron structure
of tick-borne encephalitis virus populations. Infect Genet Evol. 2013; 14:22-28.
7. Kovalev S.Y., Mukhacheva T.A. Clusterons as a Tool for Monitoring Populations of Tick-Borne Encephalitis Virus. J Med Virol. 2014; 86(2):283-289.
8. Kovalev S.Y., Chernykh D.N., Kokorev V.S., Snitkovskaya T.E., Romanenko V.V. Origin and distribution of tick-borne encephalitis virus strains of the Siberian subtype in the Middle Urals, the north-west of Russia and the Baltic countries. J Gen Virol. 2009; 90(Pt 12):2884-2892.
9. Simpson G.G. Tempo and mode in evolution: Columbia University Press.1944.
Ковалев Сергей Юрьевич - доцент кафедры физиологии и биохимии растений департамента «Биологический факультет» Уральского федерального университета им. первого Президента РФ Б.Н. Ельцина,
Мухачева татьяна Александровна - м.н.с. кафедры физиологии и биохимии растений департамента «Биологический факультет» Уральского федерального университета им. первого Президента РФ Б.Н. Ельцина
© С.Ю. Ковалев, Т.А. Мухачева, 2014 Статья поступила в редакцию 1 октября 2014 г.
УДК 577.21:579.834.114
МУЛЬТИЛОКУСНОЕ СИКВЕНС-ТИПИРОВАНИЕ БОРРЕЛИЙ НА ТЕРРИТОРИИ РОССИИ: ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ ИТОГИ И ПЕРСПЕКТИВЫ
Т.А. Мухачева, С.Ю. Ковалев Уральский федеральный университет им. Первого президента России Б.Н. Ельцина Россия, 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19. Тел.: +7 (343) 375-45-07; 375-46-09
В изучении разнообразия, эволюции и распространения боррелий Borrelia burgdorferi sensu lato - возбудителей иксодового клещевого боррелиоза - всё большее значение приобретает метод мульти-локусного сиквенс-типирования (MLST). За трехлетний период (2011-2014 гг.) нами были определены сиквенс-типы 96 штаммов и изолятов B. afzelii, B. bavariensis и B. garinii, выделенных из клещей на территории России. В работе обсуждаются особенности филогеографической структуры каждого вида, некоторые сложности в проведении анализа и возможные направления дальнейших исследований.
Ключевые слова: Borrelia burgdorferi sensu lato, мультилокусное сиквенс-типирование.
MULTILOCUS SEQUENCE TYPING OF BORRELIA SPECIES IN RUSSIA: INTERIM RESULTS AND PERSPECTIVES
T.A. Mukhacheva, S. Y. Kovalev Ural Federal University named after the first President of Russia B.N.Yeltsin
Multilocus sequence typing (MLST) is becoming a powerful tool in research of the genetic diversity, evolutionary processes and spread of Borrelia burgdorferi sensu lato, the causative agent of Lyme borreliosis. During the 3-years period (2011-2014) we were able to determine sequence-types for 96 Borrelia strains and isolates of B.afzelii, B.bavariensis and B.garinii from Russia. Phylogeographic patterns for each species as well as some difficulties in analysis and future perspectives are discussed.
Keywords: Borrelia burgdorferi sensu lato, multilocus sequence typing.
