Agrarian Bulletin of the Agrarian Bulletin of the Аграрный вестник Урала 1997-4868 2307-0005 88339 10.32417/1997-4868-2024-24-08-1071-1081 Биология Biology Биология The genetic potential of toxigenic Escherichia coli isolated from calves and piglets Генетический потенциал токсигенных Escherichia coli, выделенных от телят и поросят Тищенко Александр Сергеевич Tischenko Aleksandr Sergeevich Кощаев Андрей Георгиевич Koschaev Andrey Georgievich kagbio@mail.ru

доктор биологических наук;

doctor of sciences in biology;

 Милованов Александр Валериевич Milovanov Aleksandr Valerievich Елисютикова Анастасия Васильевна Elisyutikova Anastasiya Vasil'evna Терехов Владимир Иванович Terehov Vladimir Ivanovich Малышева Татьяна Вячеславовна Malysheva Tat'yana Vyacheslavovna Кубанский государственный аграрный университет имени И.Т. Трубилина Краснодар Россия Kuban State Agrarian University named after I.T. Trubilin Krasnodar Russian Federation Кубанский государственный аграрный университет Kuban State Agrarian University Кубанский государственный аграрный университет имени И. Т. Трубилина Россия Кубанский государственный аграрный университет имени И. Т. Трубилина Russian Federation Кубанский государственный аграрный университет имени И. Т. Трубилина Россия Кубанский государственный аграрный университет имени И. Т. Трубилина Russian Federation Пашковский сельскохозяйственный колледж Россия Пашковский сельскохозяйственный колледж Russian Federation Кубанский государственный медицинский университет Министерства здравоохранения Российской Федерации Россия Кубанский государственный медицинский университет Министерства здравоохранения Российской Федерации Russian Federation 03 09 2024 03 09 2024 24 08 1071 1081 03 09 2024 https://usau.editorum.ru/en/nauka/article/88339/view

Аннотация. Исследование направлено на генетическую характеристику диареегенных Escherichia coli, выделенных от крупного рогатого скота и свиней. Цель – изучение генетического потенциала, ответственного за выработку экзотоксинов у патогенных кишечных палочек, – возбудителей эшерихиоза у телят и поросят. Научная новизна работы заключается в расшифровке геномов диареегенных E. coli с наличием нуклеотидных последовательностей нескольких экзотоксинов, включая термолабильный, термостабильный и шигаподобный, а также колицинов, гемолизинов и цикломодулинов, имеющих патогенетическое значение в развитии эшерихиозной инфекции у телят и поросят. Работа выполнялась с использованием микробиологических и молекулярно-генетических методов исследований и масс спектрометрического анализа. В результате генетическому скринингу с помощью полимеразной цепной реакции в агарозном геле было подвергнуто 135 изолятов кишечной палочки. Установлено, что 68 (50,36 %) эшерихий обладали маркерами токсигенности, при этом ген термолабильного экзотоксина регистрировали чаще других (48,5 %), и большинство было зафиксировано у E. coli, выделяемых от поросят (29,4 %). У 19 (27,9 %) изолятов установили наличие генов, кодирующих выработку нескольких экзотоксинов. По результатам полимеразной цепной реакции 4 изолята кишечной палочки с разным набором нуклеотидных последовательностей, отвечающих за продукцию двух и более экзотоксинов одновременно, были подвергнуты полногеномному секвенированию. Проведены сборка и аннотация геномов эшерихий и их депонирование базу данных NCBI Prokaryotic Genome Annotation Pipeline под общим номером BioProject PRJNA887444. Необходимы дальнейшие исследования генов кишечных палочек и их роль в патогенном потенциале возбудителей эшерихиоза для последующих разработок эффективных средств профилактики и контроля инфекции.

Abstract. The study aims to genetically characterize diarrhoeagenic Escherichia coli isolated from cattle and pigs. The main propose is genetic potential responsible for the production of exotoxins in pathogenic E. coli, the causative agents of escherichiosis in calves and piglets. The scientific novelty of the work consists in deciphering the genomes of diarrheogenic E. coli with the presence of nucleotide sequences of several exotoxins, including thermolabile, thermostable and shigap-like, as well as colicins, hemolysins and cyclomodulins, which have pathogenetic significance in the development of escherichia infection in calves and piglets. The study was carried out using microbiological and molecular genetic methods of research and mass spectrometric analysis. As a result, 135 E. coli isolates were subjected to genetic screening by polymerase chain reaction in agarose gel. It was found that 68 (50.36 %) escherichia had toxigenicity markers, while the thermolabile exotoxin gene was recorded more often than others (48.5 %), and the majority was recorded in E. coli isolated from piglets (29.4 %). In 19 (27.9 %) isolates, the presence of genes encoding the production of several exotoxins was established. According to the results of the polymerase-chain reaction, 4 E. coli isolates with a different set of nucleotide sequences responsible for the production of two or more exotoxins at the same time were subjected to genome-wide sequencing. The Escherichia genomes were assembled and annotated and deposited in the NCBI Prokaryotic Genome Annotation Pipeline database under the general number BioProject PRJNA887444. Further studies of E. coli genes and their role in the pathogenic potential of escherichiosis pathogens are needed for the subsequent development of effective means of preventing and controlling infection.

 Escherichia coli генетическое разнообразие полногеномное секвенирование экзотоксины патогенность токсигенность телята поросята Escherichia coli genetic diversity whole-genome sequencing exotoxins pathogenicity toxigenicity calves piglets

Fleckenstein J. M., Kuhlmann F. M. Enterotoxigenic Escherichia coli Infections // Current Infectious Disease Reports. 2020. No. 21 (3). Article number 9. DOI: 10.1007/s11908-019-0665-x. Fleckenstein J. M., Kuhlmann F. M. Enterotoxigenic Escherichia coli Infections // Current Infectious Disease Reports. 2020. No. 21 (3). Article number 9. DOI: 10.1007/s11908-019-0665-x. Lee M. S, Tesh V. L. Roles of Shiga Toxins in Immunopathology // Toxins. 2019. No. 11 (4). Article number 212. DOI: 10.3390/toxins11040212. Lee M. S, Tesh V. L. Roles of Shiga Toxins in Immunopathology // Toxins. 2019. No. 11 (4). Article number 212. DOI: 10.3390/toxins11040212. Carlini F., Maroccia Z., Fiorentini C., Travaglione S., Fabbri A. Effects of the Escherichia coli Bacterial Toxin Cytotoxic Necrotizing Factor 1 on Different Human and Animal Cells: A Systematic Review // International Journal of Molecular Sciences. 2021. No. 22. Article number 12610. DOI: 10.3390/ijms222212610. Carlini F., Maroccia Z., Fiorentini C., Travaglione S., Fabbri A. Effects of the Escherichia coli Bacterial Toxin Cytotoxic Necrotizing Factor 1 on Different Human and Animal Cells: A Systematic Review // International Journal of Molecular Sciences. 2021. No. 22. Article number 12610. DOI: 10.3390/ijms222212610. Zegeye E. D., Govasli M. L., Sommerfelt H., Puntervoll P. Development of an enterotoxigenic Escherichia coli vaccine based on the heat-stable toxin // Human Vaccines & Immunotherapeutics. 2019. No. 15 (6). Pp. 1379‒1388. DOI: 10.1080/21645515.2018.1496768. Zegeye E. D., Govasli M. L., Sommerfelt H., Puntervoll P. Development of an enterotoxigenic Escherichia coli vaccine based on the heat-stable toxin // Human Vaccines & Immunotherapeutics. 2019. No. 15 (6). Pp. 1379‒1388. DOI: 10.1080/21645515.2018.1496768. Тищенко А. С. Степаненко А. В., Терехов В. И. Экзотоксины патогенных Escherichia coli // Ветеринария Кубани. 2020. № 5. С. 3–7. DOI: 10.33861/2071-8020-2020-5-3-7. Tischenko A. S. Stepanenko A. V., Terehov V. I. Ekzotoksiny patogennyh Escherichia coli // Veterinariya Kubani. 2020. № 5. S. 3–7. DOI: 10.33861/2071-8020-2020-5-3-7. Кощаев А. Г., Черных О. Ю., Тищенко А. С. [и др.] Распространенность острых кишечных инфекций телят и поросят в Краснодарском крае // Ветеринария, зоотехния и биотехнология. 2023. № 10. С. 65–75. DOI: 10.36871/vet.zoo.bio.202310008. Koschaev A. G., Chernyh O. Yu., Tischenko A. S. [i dr.] Rasprostranennost' ostryh kishechnyh infekciy telyat i porosyat v Krasnodarskom krae // Veterinariya, zootehniya i biotehnologiya. 2023. № 10. S. 65–75. DOI: 10.36871/vet.zoo.bio.202310008. Medrano-Galarza C., LeBlanc S. J., Jones-Bitton A., et al. Associations between management practices and within-pen prevalence of calf diarrhea and respiratory disease on dairy farms using automated milk feeders // Journal of Dairy Science. 2018. No. 101 (3). Pp. 2293–2308. DOI: 10.3168/jds.2017-13733. Medrano-Galarza C., LeBlanc S. J., Jones-Bitton A., et al. Associations between management practices and within-pen prevalence of calf diarrhea and respiratory disease on dairy farms using automated milk feeders // Journal of Dairy Science. 2018. No. 101 (3). Pp. 2293–2308. DOI: 10.3168/jds.2017-13733. Dubreuil J. D. EAST1 toxin: An enigmatic molecule associated with sporadic episodes of diarrhea in humans and animals // Journal of Microbiology. 2019. No. 57 (7). Pp. 541‒549. DOI: 10.1007/s12275-019-8651-4. Dubreuil J. D. EAST1 toxin: An enigmatic molecule associated with sporadic episodes of diarrhea in humans and animals // Journal of Microbiology. 2019. No. 57 (7). Pp. 541‒549. DOI: 10.1007/s12275-019-8651-4. Pakbin B., Brück W. M., Rossen J. W. A. Virulence Factors of Enteric Pathogenic Escherichia coli: A Review // International Journal of Molecular Sciences. 2021. No. 22 (18). Article number 9922. DOI: 10.3390/ijms22189922. Pakbin B., Brück W. M., Rossen J. W. A. Virulence Factors of Enteric Pathogenic Escherichia coli: A Review // International Journal of Molecular Sciences. 2021. No. 22 (18). Article number 9922. DOI: 10.3390/ijms22189922. Wang H., Zhong Z., Luo Yu, Cox E., Devriendt B. Heat-Stable Enterotoxins of Enterotoxigenic Escherichia coli and Their Impact on Host Immunity // Toxins. 2019. No. 11 (1). Article number 24. DOI: 10.3390/toxins11010024. Wang H., Zhong Z., Luo Yu, Cox E., Devriendt B. Heat-Stable Enterotoxins of Enterotoxigenic Escherichia coli and Their Impact on Host Immunity // Toxins. 2019. No. 11 (1). Article number 24. DOI: 10.3390/toxins11010024. Govasli M. L., Diaz Y., Zegeye E. D., Darbakk C. et al. Purification and Characterization of Native and Vaccine Candidate Mutant Enterotoxigenic Escherichia coli Heat-Stable Toxins // Toxins. 2018. No. 10 (7). Article number 274. DOI: 10.3390/toxins10070274. Govasli M. L., Diaz Y., Zegeye E. D., Darbakk C. et al. Purification and Characterization of Native and Vaccine Candidate Mutant Enterotoxigenic Escherichia coli Heat-Stable Toxins // Toxins. 2018. No. 10 (7). Article number 274. DOI: 10.3390/toxins10070274. Menge C. Molecular Biology of Escherichia coli Shiga Toxins Effects on Mammalian Cells // Toxins. 2020. No. 12 (5). Article number 345. DOI: 10.3390/toxins12050345. Menge C. Molecular Biology of Escherichia coli Shiga Toxins Effects on Mammalian Cells // Toxins. 2020. No. 12 (5). Article number 345. DOI: 10.3390/toxins12050345. Feuerstein A., Scuda N., Klose C., Hoffmann A., Melchner A., Boll K., Riehm J. M. Antimicrobial Resistance, Serologic and Molecular Characterization of E. coli Isolated from Calves with Severe or Fatal Enteritis in Bavaria, Germany // Antibiotics. 2021. Vol. 11. No. 1. Article number 23. DOI: 10.3390/antibiotics11010023. Feuerstein A., Scuda N., Klose C., Hoffmann A., Melchner A., Boll K., Riehm J. M. Antimicrobial Resistance, Serologic and Molecular Characterization of E. coli Isolated from Calves with Severe or Fatal Enteritis in Bavaria, Germany // Antibiotics. 2021. Vol. 11. No. 1. Article number 23. DOI: 10.3390/antibiotics11010023. Prjibelski A., Antipov D., Meleshko D., Lapidus A., Korobeynikov A. Using SPAdes de novo assembler // Current Protocols in Bioinformatics. 2020. No. 70 (1). Article number 102. DOI: 10.1002/cpbi.102. Prjibelski A., Antipov D., Meleshko D., Lapidus A., Korobeynikov A. Using SPAdes de novo assembler // Current Protocols in Bioinformatics. 2020. No. 70 (1). Article number 102. DOI: 10.1002/cpbi.102. Rose R., Golosova O., Sukhomlinov D., Tiunov A., Prosperi M. Flexible design of multiple metagenomics classification pipelines with UGENE // Bioinformatics. 2019. No. 35 (11). Pp. 1963–1965. DOI: 10.1093/bioinformatics/bty901. Rose R., Golosova O., Sukhomlinov D., Tiunov A., Prosperi M. Flexible design of multiple metagenomics classification pipelines with UGENE // Bioinformatics. 2019. No. 35 (11). Pp. 1963–1965. DOI: 10.1093/bioinformatics/bty901. Mikheenko A., Prjibelski A., Saveliev V., Antipov D., Gurevich AVersatile genome assembly evaluation with QUAST-LG // Bioinformatics. 2018. No. 34 (13). Pp. i142–i150. DOI: 10.1093/bioinformatics/bty266. Mikheenko A., Prjibelski A., Saveliev V., Antipov D., Gurevich AVersatile genome assembly evaluation with QUAST-LG // Bioinformatics. 2018. No. 34 (13). Pp. i142–i150. DOI: 10.1093/bioinformatics/bty266. Li W., O’Neill K. R., Haft D. H., et al. RefSeq: expanding the Prokaryotic Genome Annotation Pipeline reach with protein family model curation // Nucleic Acids Research. 2021. No. 49 (1). Pp. 1020–1028. DOI: 10.1093/nar/gkaa1105. Li W., O’Neill K. R., Haft D. H., et al. RefSeq: expanding the Prokaryotic Genome Annotation Pipeline reach with protein family model curation // Nucleic Acids Research. 2021. No. 49 (1). Pp. 1020–1028. DOI: 10.1093/nar/gkaa1105. Escherichia coli strain:533 [Электронный ресурс]. URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/bioproject/PRJNA887444 (дата обращения: 26.01.2024). Escherichia coli strain:533 [Elektronnyy resurs]. URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/bioproject/PRJNA887444 (data obrascheniya: 26.01.2024). Frey J. RTX Toxins of Animal Pathogens and Their Role as Antigens in Vaccines and Diagnostics // Toxins. 2019. No. 11. Article number 719. DOI: 10.3390/toxins11120719. Frey J. RTX Toxins of Animal Pathogens and Their Role as Antigens in Vaccines and Diagnostics // Toxins. 2019. No. 11. Article number 719. DOI: 10.3390/toxins11120719. Duan Q., Xia P., Nandre R., Zhang W., Zhu G. Review of Newly Identified Functions Associated With the Heat-Labile Toxin of Enterotoxigenic Escherichia coli // Frontiers in Cellular and Infection Microbiology. 2019. No. 9. Article number 292. DOI: 10.3389/fcimb.2019.00292. Duan Q., Xia P., Nandre R., Zhang W., Zhu G. Review of Newly Identified Functions Associated With the Heat-Labile Toxin of Enterotoxigenic Escherichia coli // Frontiers in Cellular and Infection Microbiology. 2019. No. 9. Article number 292. DOI: 10.3389/fcimb.2019.00292. Li Ya., Li Yu., Mengist H. M., et al. Structural Basis of the Pore-Forming Toxin/Membrane Interaction // Toxins. 2021. No. 13. Article number 128. DOI: 10.3390/toxins13020128. Li Ya., Li Yu., Mengist H. M., et al. Structural Basis of the Pore-Forming Toxin/Membrane Interaction // Toxins. 2021. No. 13. Article number 128. DOI: 10.3390/toxins13020128. Cameron A., Zaheer R., Adator E. H., Barbieri R. Bacteriocin Occurrence and Activity in Escherichia coli Isolated from Bovines and Wastewater // Toxins. 2019. No. 11. Article number 475. DOI: 10.3390/toxins11080475. Cameron A., Zaheer R., Adator E. H., Barbieri R. Bacteriocin Occurrence and Activity in Escherichia coli Isolated from Bovines and Wastewater // Toxins. 2019. No. 11. Article number 475. DOI: 10.3390/toxins11080475. Murase K. Cytolysin A (ClyA): A Bacterial Virulence Factor with Potential Applications in Nanopore Technology, Vaccine Development, and Tumor Therapy // Toxins. 2022. No. 14 (2). Article number 78. DOI: 10.3390/toxins14020078. Murase K. Cytolysin A (ClyA): A Bacterial Virulence Factor with Potential Applications in Nanopore Technology, Vaccine Development, and Tumor Therapy // Toxins. 2022. No. 14 (2). Article number 78. DOI: 10.3390/toxins14020078. Schwidder M., Heinisch L. and Schmidt H. Genetics, Toxicity, and Distribution of Enterohemorrhagic Escherichia coli Hemolysin // Toxins. 2019. No. 11. Article number 502. DOI: 10.3390/toxins11090502. Schwidder M., Heinisch L. and Schmidt H. Genetics, Toxicity, and Distribution of Enterohemorrhagic Escherichia coli Hemolysin // Toxins. 2019. No. 11. Article number 502. DOI: 10.3390/toxins11090502.