Опыт использования современных геномных технологий для изучения микроорганизмов и их сообществ

Цель исследования. Целью данной работы явился обзор основных результатов геномных исследований микроорганизмов и их сообществ, выполненных на базе научно-исследовательской лаборатории Гомельского государственного медицинского университета.

Материалы и методы. Геномный, транскриптомный и метагеномный анализ микроорганизмов желудка и респираторного тракта.

Результаты. Проведен анализ возможностей современных платформ высокопроизводительного секвенирования ДНК, описаны собственные результаты использования геномного, транскриптомного и метагеномного анализа для изучения микробиоты у пациентов с различной патологией желудка и респираторного тракта.

Заключение. В ходе анализа полученных данных выявлены особенности структуры микробных сообществ желудка пациентов, инфицированных Н. pylori с различной патологией желудка: долевое участие Н. pylori в составе метагенома образцов, с различным формами рака желудка не превысило 25 %, гастрита — 6 %, язвы желудка — 1 %. При этом, минимальное количество Н. pylori во всех случаях могло достигать 0,1 %. Выявлена значительная степень вариабельности CagA и CagY локусов Н. pylori. В бактериальном микробиоме пациента с диагнозом «коронавирусная инфекция» установлено доминирование бактерий рода Streptoccocus (36 %), в вирусном — SARS-CoV-2 составляет 59 % от общего количества вирусов в данном материале. При анализе 13 штаммов Klebsiella pneumoniae с множественной и экстремальной устойчивостью к антибиотикам установлена принадлежность изученных штаммов к пяти MLST-типам, три из которых относятся к группам высокого эпидемического риска.

1. Бородинов АГ, Манойлов ВВ, Заруцкий ИВ, Петров АИ, Курочкин ВЕ. Поколения методов секвенирования ДНК (обзор). Научное приборостроение. 2020;30(4):3-20.

2. Воропаев ЕВ, Осипкина ОВ, Баранов ОЮ, Рузанов ДЮ, Лызикова ЮА, Платошкин ЭН, Зятьков АА, Шафарост АС, Зайцева ВИ. Метод определения видового состава микробных сообществ c использованием Т-ПДРФ анализа рДНК-маркеров. Инструкция по применению. Рег. №: 120-1118. Дата утверждения: 30.11.2018.

3. Стома ИО. Микробиом в медицине: руководство для врачей. М.: ГЭОТАР-Медиа, 2020. 320 с.

4. Стома ИО, Ющук НД. Микробиом человека на стыке инфектологии и других разделов медицины: современное состояние проблемы и переоценка взглядов на патогенез заболеваний. Инфекционные болезни: новости, мнения, обучение. 2019;8(3):78-84. DOI: https://doi.org/10.24411/2305-3496-2019-13012

5. Воропаев ЕВ, Баранов ОЮ, Валентович ЛН, Осипкина ОВ, Зятьков АА, Бонда НА, Воропаева АВ, Платошкин ЭН, Мицура ВМ, Шафорост АС. Структурно-функциональная организация генома клинически значимого штамма Helicobacter pylori HP42k, изолированного от пациентки учреждения здравоохранения Республики Беларусь. Молекулярная медицина. 2020;18(2):39-43.

6. Allali I, Arnold JW, Roach J, et al. A comparison of sequencing platforms and bioinformatics pipelines for compositional analysis of the gut microbiome. BMC Microbiol. 2017;17(1):194. DOI: https://doi.org/10.1186/s12866-017-1101-8

7. Ardui S, Ameur A, Vermeesch JR, Hestand MS. Single molecule real-time (SMRT) sequencing comes of age: applications and utilities for medical diagnostics. Nucleic Acids Res. 2018;46(5):2159-2168. DOI: https://doi.org/10.1093/nar/gky066

8. Stoma IO, Baranov OY, Voropaev EV, Osipkina OV, Ziatskov AA, Shaforost AS, Padutov VE, Panteleev SV, Kiryanov PS, Mozharovskaya LV. Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 isolate SARS-CoV-2/human/BLR/Sars-Cov-2 isolate 724 Gomel Belarus/2021, complete genome. [Electronic resource]. NCBI Nucleotide. GenBank NCBI: MW674675.1 [date of access 2021 Aug 12]. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/MW674675.1

9. Gomel State Medical University. Stomach metagenome[Electronicresource].NCBI.SRAPRJNA700813 1. [date of access 2021 Aug 12]. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/sra/?term=PRJNA700813

10. GISAID: hCoV-19/Belarus/Gomel/2021 Accession ID: EPI_ISL_1222766. [Electronic resource]. [date of access 2021 Aug 12]. Available from: https://www.gisaid.org

11. Gloor GB, Macklaim JM, Pawlowsky-Glahn V, Egozcue JJ. Microbiome Datasets Are Compositional: And This Is Not Optional. Front Microbiol. 2017 Nov;15(8):2224. DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2017.02224

12. Goodwin S, McPherson J, McCombie W. Coming of age: ten years of next-generation sequencing technologies. Nat Rev Genet. 2016 May 17;17(6):333-351. DOI: https://doi.org/10.1038/nrg.2016.49

13. Hengyun Lu, Francesca Giordano, Zemin Ning, Oxford Nanopore MinION Sequencing and Genome Assembly. Genomics, Proteomics & Bioinformatics, 2016;14(5):265-279. DOI: https://doi.org/10.1016/j.gpb.2016.05.004

14. TRAPID. Online tool for the fast, reliable and userfriendly analysis of de novo transcriptomes. [Electronic resource]. [date of access 2021 Aug 12]. Available from: http://bioinformatics.psb.ugent.be/trapid_02/

15. Воропаев ЕВ, Осипкина ОВ. Алгоритм функциональной аннотации транслируемых последовательностей в геноме клинически значимых для Беларуси штаммов Helicobacter pylori [Электронный ресурс]. Достижения медицинской науки Беларуси. [дата обращения 2021 Aug 12]. Режим доступа: http://med.by/dmn/book.php?book=19-4_2

16. One Codex. A fast, easy-to-use platform for microbiome sequencing and analysis. [Electronic resource]. [date of access 2021 August 12]. Available from: https://www.onecodex.com

17. Li J, Du P, Ye AY, Zhang Y, Song C, Zeng H, Chen C. GPA: A Microbial Genetic Polymorphisms Assignments Tool in Metagenomic Analysis by Bayesian Estimation. Genomics Proteomics Bioinformatics. 2019 Feb;17(1):106-117. DOI: https://doi.org/10.1016/j.gpb.2018.12.005

18. Ребриков ДВ, Коростин ДО, Шубина ЕС, Ильински18. й ВВ. NGS: высокопроизводительное секвенирование: монография. 3-е изд. Москва: Лаборатория знаний, 2020. 235 с.

19. Voropaev EV, Osipkina OV, Baranov OU, Ziatskov AA, Voropaev AV, Platoshkin EN, Bonda NA. Valentovich LN. Helicobacter pylori complete genome in Belarus. [Electronic resource]. NCBI Nucleotide. GenBank NCBI: NZ_CP034314.1 [date of access 2021 August 12]. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/1535583272

20. Voropaev EV. New pathogenic Helicobacter pylori strain in Belarus. [Electronic resource]. NCBI Nucleotide. GenBank NCBI: NZ_SZUB00000000.1.[date of access 2021 Aug 12]. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/1635704349

21. Shintani M, Sanchez ZK, Kimbara K. Genomics of microbial plasmids: classifcation and identifcation based on replication and transfer systems and host taxonomy. (англ.). Frontiers In Microbiology. 2015;6:242-242. DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2015.00242

22. Stoma I, Littmann ER, Peled JU, Giralt S, van den Brink MRM, Pamer EG, Taur Y. Compositional flux within the intestinal microbiota and risk for bloodstream infection with gram-negative bacteria. Clin Infect Dis. 2020 Jan 24:ciaa068. DOI: https://doi.org/10.1093/cid/ciaa068

23. Stoma I, Moduleva E; Gubanova T, Iskrou I, Karpov I, Krivenko S, Shturich I, Kalachyk O, Uss A., Rummo O. Gut microbiome dynamics over a course of kidney transplantation: preliminary results of a pilot study. Transplantation: 2020; 104(Is S3):S191 DOI:https://doi.org/10.1097/01.tp.0000699336.48313.1e

24. Sun J, Liao XP, D’Souza AW, et al. Environmental remodeling of human gut microbiota and antibiotic resistome in livestock farms. Nat Commun. 2020 Mar 18;11(1):1427. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-020-15222-y

25. Toyokawa M, Taniguchi M, Uesaka K, Nishimura K. Complete Genome Sequence of Multidrug-Resistant Strain Nocardia wallacei FMUON74, Isolated from a Sputum Culture. Microbiol Resour Announc. 2020 Nov 19;9(47):e01022-20. DOI: https://doi.org/10.1128/MRA.01022-20

26. Tatusova T, DiCuccio M, Badretdin A, Chetvernin V, Nawrocki EP, Zaslavsky L, Lomsadze A, Pruitt KD, Borodovsky M, Ostell J. NCBI prokaryotic genome annotation pipeline. Nucleic Acids Res. 2016; 44(14): 6614-6624. DOI: https://doi.org/10.1093/nar/gkw569