Evoluce toxigenních Vibrio cholerae a vznik rezervoárů ve vodních ekosystémech

Pro rozlišení evoluce pod selekčním tlakem (adaptace) nebo genetického driftu jsme vypočítali poměr rychlosti nesynonymních (dN) a synonymních substitucí (dS) (dN/dS) (SI Appendix, obr. S6 a tabulka S5). Evoluční dynamika klinických izolátů byla řízena především purifikační selekcí (dN/dS = 0,6, P < 0,001), což odpovídá negativnímu Tajimovu D (-2,3, P < 0,005) a populaci, která zažívá úzká hrdla a/nebo selekční výkyvy. Očekává se, že negativní selekce bude pohánět již zavedenou epidemii u lidí, která dosáhla vrcholu v adaptivní krajině během rané fáze epidemie poháněné diverzifikační selekcí (14). Naproti tomu izoláty z prostředí vykazovaly větší nesynonymní míru (dN/dS = 2,1, P < 0,001), což je charakteristické pro heterogenní mikrobiální populaci nedávno zavlečenou do nového prostředí a procházející fixací nové varianty poháněné diverzifikační selekcí. Ve skutečnosti jsme v genomech V. cholerae, které se úspěšně replikovaly a přetrvávaly ve vodním prostředí, našli molekulární otisky specifické pro dané prostředí. Podél páteře fylogeneze environmentálních izolátů se v letech 2012-2015 objevilo celkem sedm nesynonymních mutací v kódujících oblastech, které potenciálně poskytují selekční výhodu environmentální populaci V. cholerae (obr. 3 a příloha SI, tabulka S7). Tři environmentálně specifické mutace, dvě na počátku páteřní bifurkace (obr. 3) a jedna ve vnitřní větvi (SI Appendix, tabulka S7), ovlivnily geny v sekrečním systému typu II (TSSII): proteiny obecné sekreční dráhy A a G a K (SI Appendix, tabulka S7). TSSII hraje klíčovou roli ve virulenci a přežívání V. cholerae v různých nikách, jako jsou vodní rezervoáry nebo lidští hostitelé (26). Další mutace nalezené podél vnitřních větví ovlivnily geny související s odpovědí na stres v prostředí, chemotaxí/motilitou V. cholerae v reakci na kolísavé signály prostředí, kontrolou délky háčku bičíku, tvorbou biofilmu v extraintestinálním prostředí a exponenciálním růstem v reakci na dostupné živiny (SI Appendix, Fig. S7 a Table S7). Izoláty z prostředí, které úspěšně přispěly k vyvíjející se environmentální linii, byly shromážděny nejen v blízkosti nemocnic a center pro léčbu cholery nacházejících se v Gressieru, ale také v blízkých regionech Goave a Carrefour (obr. 3).

Důkazy o epidemiologických a environmentálních evolučních silách, které poháněly haitskou epidemii, nás motivovaly k úvaze o dynamickém modelu sledování přenosu cholery a populační genetiky prostřednictvím vodního prostředí a hostitelů. Stejně jako v předchozích modelech cholery naší skupiny (27) je náš základní epidemiologický model založen na rámci vnímavý-infikovaný-odstraněný s rezervoárem (SIRW), což je rozšíření klasického rámce vnímavý-infikovaný-odstraněný (SIR) s přidaným oddílem pro koncentraci patogenu ve vodním rezervoáru (W) (obr. 4 a příloha SI, obr. S8 a S9). V souladu s Kirpichem et al. (27) jsme připustili replikaci mimo hostitele spolu se sezónností přenosu, vylučování a rozpadu v prostředí, jak naznačuje významná korelace počtu případů se srážkami. Kromě této epidemiologické formulace jsme v našem modelu zvažovali evoluční složku. Jak neutrální drift, tak selekční tlaky jsou zohledněny v našem multilokusovém rámci, kde měříme Ne výpočtem genetické diverzity a využitím koalescenčních přístupů (příloha SI, text). V souladu s jinými studiemi jsme u lokusů podléhajících selekci předpokládali kompromis mezi přežitím v prostředí a fitness při přenosu na hostitele. Výsledky modelových simulací rekapitulují kvalitativní rysy Ne a měsíčních počtů případů (obr. 4A a SI Appendix, obr. S8).

Za prvé, výstup modelu i data vykazují vzestup a pokles Ne, což zpočátku odráží rychlou expanzi následovanou negativní selekcí po počátečním vypuknutí epidemie (obr. 4A). Poté přišlo pozorování druhého nárůstu Ne v roce 2013, většího rozsahu, než by se dalo očekávat pouze na základě přenosu z hostitele, vyvolaného předchozím sezónním vzplanutím a přecházejícího do období snižování výskytu. Naše hypotéza o diverzifikaci v rámci vodního rezervoáru nabízí vysvětlení tohoto relativního vzestupu Ne a je podpořena rozumnými modelovými simulacemi, kde zahrnutí replikace prostředí umožňuje tento evoluční průzkum na rozdíl od případů bez replikace prostředí (obr. 4A a příloha SI, obr. S8). Zejména během vrcholu na konci roku 2012 až v polovině roku 2013 byly uuSNPs detekovány v následujících genech přežívající environmentální linie: Vch1786_I0012 (1 C→T), gen Vch1786_I0051 (3 C→T), Vch1786_I0998 (30 G→A), Vch1786_I1539 (44 A→G), rseA (52 G→A), epsG (61 A→C) a Vch1786_II0794 (107 C→A) (SI Appendix, Fig. S3). Mutace v těchto genech mohly přispět ke zvýšené adaptaci environmentálních kmenů ve vodním ekosystému, ačkoli k prozkoumání jejich příspěvku k fitness V. cholerae budou zapotřebí budoucí studie in vitro. Po vrcholu environmentální replikace následuje výrazný pokles Ne, který začíná před hlavním obdobím klidu v roce 2014. Výskyt případů opět plně nevysvětluje rozsah tohoto poklesu. Zatímco populační úzké hrdlo vyvolává pokles Ne, simulace naznačují, že environmentální replikace je nezbytná k urychlení fixace genů adaptovaných na přetrvávání ve vodním rezervoáru. Na konci roku 2014 se environmentální rezervoár přelévá do hostitelů s prudkým nárůstem klinických případů, což je pravděpodobně posíleno prospěšnou adaptací hostitele a/nebo ztrátou imunity v hostitelské populaci. Rozsáhlé simulace kalibrované podle údajů o případech naznačují, že pro dodatečné přizpůsobení pozorovanému Ne by měla být do modelu zahrnuta environmentální replikace. Hlavním důsledkem našich zjištění je, že replikace a adaptace ve vodním rezervoáru může ztížit kontrolní strategie zaměřené na přenos hostitelem. Při projekci do budoucna od roku 2015 jsme totiž v simulacích pozorovali, že očkování může snadno odstranit patogen v nepřítomnosti environmentální replikace (příloha SI, obr. S10). Pro adaptaci na prostředí a replikaci odpovídající pozorovanému Ne je však k eliminaci cholery v našem dynamickém modelu se smíšeným přenosem (obr. 4B) nutné očkování mnohem větší části populace nebo přidání zásahu ovlivňujícího vodní rezervoár

.