Toxigenikus Vibrio cholerae evolúció és rezervoárok létrehozása vízi ökoszisztémákban
Eredmények
Négy megyében – Artibonite, Centre, Nord-Ouest és Ouest – fordul elő a Haitin bejelentett kolerás esetek 90%-a (9). Erőfeszítéseinket az Ouest megyére összpontosítottuk (1A. ábra), egy vízi ökoszisztémákban gazdag tengerparti régióra, ahol toxigén V. cholerae O1-t izoláltunk rögzített folyami és torkolati helyekről (1A. ábra). A toxigenikus vízi V. cholerae O1 előfordulása korrelált a megnövekedett hőmérséklettel és csapadékmennyiséggel, de nem a fekális kólibaktériumok számával, ami arra utal, hogy a jelenlét nem kizárólag a fekális szennyezésnek köszönhető (10). A havi esetszámok Ouestben, amelyek évente oszcilláltak, de a száraz évszakban csökkentek, az esős évszakban (áprilistól októberig) pedig nőttek, korreláltak a hőmérséklet és az esőzés növekedésével (1B. ábra). Ez összhangban van a V. cholerae O1 bangladesi és perui endémiás mintáival, ahol a szezonális kolerajárványok a környezetben lévő V. cholerae O1 mennyiségének növekedésével és a víz hőmérsékletének vagy csapadékmennyiségének emelkedésével korrelálnak (11, 12).
A szelektív nyomás (adaptáció) vagy genetikai sodródás alatti evolúció megkülönböztetéséhez kiszámítottuk a nem szinonim (dN) és a szinonim szubsztitúció (dS) arányát (dN/dS) (SI Függelék, S6. ábra és S5. táblázat). A klinikai izolátumok evolúciós dinamikáját elsősorban a tisztító szelekció vezérelte (dN/dS = 0,6, P < 0,001), ami összhangban van a negatív Tajima D-vel (-2,3, P < 0,005) és egy szűk keresztmetszetet és/vagy szelektív söprést átélő populációval. A negatív szelekció várhatóan a már kialakult járványt hajtja az emberekben, amely a diverzifikáló szelekció által vezérelt korai járványfázisban elérte az adaptív tájkép csúcsát (14). Ezzel szemben a környezeti izolátumok nagyobb nemszinonim rátát mutattak (dN/dS = 2,1, P < 0,001), ami egy heterogén mikrobiális populációra jellemző, amely nemrég került be egy új környezetbe, és új variánsok által vezérelt diverzifikáló szelekció rögzítésén megy keresztül. Valójában környezet-specifikus molekuláris lenyomatokat találtunk a V. cholerae genomjában, amely sikeresen szaporodott és fennmaradt a vízi környezetben. A környezeti izolátumok filogeniájának gerincén 2012 és 2015 között összesen hét nem-szinonim mutáció jelent meg kódoló régiókban, amelyek potenciálisan szelektív előnyt biztosítanak a V. cholerae környezeti populációjának (3. ábra és SI függelék, S7. táblázat). Három környezet-specifikus mutáció, kettő a gerinc elágazás elején (3. ábra), egy pedig egy belső ágban (SI Függelék, S7. táblázat), a II. típusú szekréciós rendszer (TSSII) génjeit érintette: az általános szekréciós útvonal A és G fehérjéit, valamint a K-t (SI Függelék, S7. táblázat). A TSSII kulcsszerepet játszik a V. cholerae virulenciájában és túlélésében különböző fülkékben, például vízi rezervoárokban vagy emberi gazdákban (26). A belső ágak mentén talált egyéb mutációk a környezeti stresszre adott válasszal, a V. cholerae kemotaxisával/mozgékonyságával a változó környezeti jelzésekre adott válaszként, a flagellum horoghosszának szabályozásával, a biofilmképződéssel az extraintestinalis környezetben és az exponenciális növekedéssel a rendelkezésre álló tápanyagokra adott válaszként kapcsolatos géneket érintették (SI függelék, S7. ábra és S7. táblázat). A fejlődő környezeti vonalhoz sikeresen hozzájáruló környezeti izolátumokat nemcsak a Gressierben található kórházak és kolerakezelő központok közelében gyűjtötték, hanem a közeli Goave és Carrefour régiókban is (3. ábra).
A V. cholerae fejlődése és alkalmazkodása a haiti vízi víztározókban. A 2012 és 2015 között Haitin gyűjtött 27 környezeti izolátum filogenetikai kapcsolata és földrajzi eloszlása. A környezeti populáció evolúciója során szerzett, az ősállapotok Bayes-féle következtetésével rekonstruált nemszinonim mutációk a fa gerince mentén vannak feltüntetve. A fa törzse (túlélő vonal) mentén észlelt SNP-ket 1-től 7-ig sorszámoztuk, hogy megkönnyítsük az összehasonlítást az SI Függelék S7. táblázatában közölt kiegészítő információkkal. A térképek a vízi forrás szerint csoportosított mintavételi helyeket mutatják, sárga, piros, narancssárga és ciánszínű pontokkal jelölve a Gressier régióban, lilával a Carrefour régióban, és kékkel a Jacmel régióban.
A haiti járványt mozgató epidemiológiai és környezeti evolúciós erők bizonyítékai arra ösztönöztek minket, hogy a kolera vízi környezeten és gazdákon keresztül történő terjedésének és populációgenetikai követésének dinamikus modelljét vizsgáljuk meg. A csoportunk korábbi koleramodelljeihez hasonlóan (27), az alapul szolgáló járványtani modellünk a fogékony-fertőzött-gyógyult víztározóval (SIRW) kereten alapul, amely a klasszikus fogékony-fertőzött-gyógyult (SIR) keret kiterjesztése egy vízi víztározóban (W) lévő kórokozó-koncentrációt tartalmazó rekesszel (4. ábra és SI függelék, S8. és S9. ábra). Kirpich és munkatársaival (27) összhangban lehetővé tettük a gazdaszervezeten kívüli replikációt, valamint a környezeti átvitel, a kioldódás és a bomlás szezonalitását, amint azt az esetszámok csapadékkal való jelentős korrelációja is sugallja. E járványtani megfogalmazás mellett modellünkben figyelembe vettünk egy evolúciós komponenst is. Mind a semleges sodródást, mind a szelekciós nyomást figyelembe vesszük a többfókuszú keretrendszerünkben, ahol a Ne-t a genetikai diverzitás kiszámításával és koaleszcens megközelítések alkalmazásával mérjük (SI Függelék, Szöveg). Más tanulmányokkal összhangban, a szelekció alatt álló lokuszok esetében a környezeti túlélőképesség és a gazdaszervezeti átvitelben való alkalmasság közötti kompromisszumot feltételeztünk. A modellszimulációk eredményei összefoglalják a Ne és a havi esetszámok minőségi jellemzőit (4A. ábra és SI Függelék, S8. ábra).
A kolera vegyes transzmissziós modellje és a védőoltás előrejelzése. (A) Ne (effektív populációméret) az adatokból (szürke) és a környezeti replikációval végzett szimulációban (zöld), valamint Ne a környezeti replikáció nélküli szimulációban (lila). (B) Az oltás és a kontroll különböző forgatókönyvei a környezeti replikációval végzett modellszimulációban, különösen a 64%-os (0,01 d-1 arány), a 88%-os (0,04 d-1 arány) és a 64%-os oltási lefedettség a környezeti pusztulási arány 10%-os növekedésével. Itt a vakcinázási lefedettséget a fogékony egyedek százalékos csökkenéseként határozzuk meg (a vakcinázás 2-3 hónapos időtartama után elért közelítőleg stabil állapot elérésekor). Szemben Kirpich és munkatársai (27) és a környezeti replikáció nélküli szimulációkkal (SI Függelék, S10 ábra), amelyekben a 64%-os vakcinázási lefedettség egy éven belül felszámolja a kórokozót, itt vagy több vakcinázásra (88%-os lefedettség) vagy megnövekedett környezeti romlásra (10%-os növekedés) van szükség a kolera ellenőrzéséhez a környezeti replikáció jelenlétében.
Először is, a modell kimenete és az adatok egyaránt a Ne emelkedését és csökkenését mutatják kezdetben, ami a gyors terjeszkedést, majd a kezdeti kitörés után a negatív szelekciót tükrözi (4A. ábra). Ezután következett a Ne második növekedésének megfigyelése 2013-ban, amely nagyobb mértékű volt, mint ami pusztán a gazdaszervezet általi átvitel alapján várható lenne, és amelyet egy megelőző szezonális fellángolás idézett elő, és amely egy csökkenő incidencia időszakába nyúlt át. A vízi rezervoáron belüli diverzifikációról szóló hipotézisünk magyarázatot kínál a Ne e relatív fellendülésére, és azt ésszerű modellszimulációk támasztják alá, ahol a környezeti replikáció bevonása lehetővé teszi ezt az evolúciós feltárást, szemben a környezeti replikáció nélküli esetekkel (4A. ábra és SI függelék, S8. ábra). Különösen a 2012 végétől 2013 közepéig tartó csúcs idején a túlélő környezeti vonal következő génjeiben mutattak ki uuSNP-ket: Vch1786_I0012 (1 C→T), Vch1786_I0051 gén (3 C→T), Vch1786_I0998 (30 G→A), Vch1786_I1539 (44 A→G), rseA (52 G→A), epsG (61 A→C) és Vch1786_II0794 (107 C→A) (SI függelék, S3 ábra). E gének mutációi hozzájárulhattak a környezeti törzsek fokozott alkalmazkodásához a vízi ökoszisztémában, bár jövőbeli in vitro vizsgálatokra lesz szükség a V. cholerae fitneszhez való hozzájárulásuk vizsgálatához. A környezeti szaporodás csúcspontját a Ne jelentős csökkenése követi, amely a 2014-es nagyobb nyugalmi időszakot megelőzően kezdődik. Az esetek előfordulása ismét nem magyarázza meg teljesen ennek a csökkenésnek a nagyságrendjét. Míg a populáció szűk keresztmetszete a Ne csökkenését idézi elő, a szimulációk szerint a környezeti replikáció szükséges a vízi víztározóban való fennmaradáshoz alkalmazkodott gének rögzülésének felgyorsításához. 2014 végén a környezeti rezervoárok átterjednek a gazdákra, és a klinikai esetek száma megugrik, amit valószínűleg a gazdapopuláció kedvező gazdaszervezeti alkalmazkodása és/vagy az immunitás elvesztése fokozhat. Az esetadatokra kalibrált kiterjedt szimulációk azt sugallják, hogy a megfigyelt Ne-hez való további illeszkedés érdekében a környezeti replikációt is be kell vonni a modellbe. Eredményeink egyik fő következménye, hogy a vízi rezervoárban történő replikáció és adaptáció megnehezítheti a gazdaszervezetre irányuló védekezési stratégiákat. Valóban, a szimulációkban 2015-től előrevetítve megfigyeltük, hogy a környezeti replikáció hiányában a vakcinázás könnyedén eltávolíthatja a kórokozót (SI függelék, S10 ábra). A megfigyelt Ne-nek megfelelő környezeti adaptáció és replikáció esetén azonban a populáció sokkal nagyobb részének beoltása vagy a vízi rezervoárt érintő beavatkozás hozzáadása szükséges a kolera felszámolásához a dinamikus vegyes transzmissziós modellünkben (4B. ábra).