Toksynotwórcza ewolucja Vibrio cholerae i ustanowienie rezerwuarów w ekosystemach wodnych
Wyniki
Cztery departamenty-Artibonite, Centre, Nord-Ouest i Ouest- odpowiadają za 90% zgłoszonych przypadków cholery na Haiti (9). Skoncentrowaliśmy nasze wysiłki na Departamencie Ouest (ryc. 1A), regionie przybrzeżnym bogatym w ekosystemy wodne, gdzie wyizolowaliśmy toksygenne V. cholerae O1 z ustalonych miejsc rzecznych i estuarium (ryc. 1A). Występowanie toksygennego wodnego V. cholerae O1 korelowało z podwyższoną temperaturą i opadami deszczu, ale nie z liczbą bakterii coli w kale, co sugeruje, że obecność nie była spowodowana wyłącznie zanieczyszczeniem kałem (10). Miesięczna liczba przypadków w Ouest, oscylująca w ciągu roku, ale zmniejszająca się w porze suchej i zwiększająca się w porze deszczowej (od kwietnia do października), korelowała z podwyższoną temperaturą i opadami (ryc. 1B). Jest to zgodne z wzorcami endemicznego V. cholerae O1 w Bangladeszu i Peru, gdzie sezonowe ogniska cholery korelują ze zwiększoną ilością V. cholerae O1 w środowisku i wzrostem temperatury wody lub opadów (11, 12).
Aby rozróżnić ewolucję pod presją selektywną (adaptacja) lub dryf genetyczny, obliczyliśmy stosunek szybkości substytucji nonsynonimicznej (dN) i synonimicznej (dS) (Dodatek SI, Fig. S6 i Tabela S5). Dynamika ewolucyjna klinicznych izolatów była głównie napędzana przez selekcję oczyszczającą (dN/dS = 0,6, P < 0,001), zgodną z ujemnym Tajima’s D (-2,3, P < 0,005) i populacją doświadczającą wąskich gardeł i / lub selektywnych wymiatań. Oczekuje się, że negatywna selekcja napędza już ustaloną epidemię u ludzi, która osiągnęła szczyt w krajobrazie adaptacyjnym podczas wczesnej fazy epidemii napędzanej przez selekcję różnicującą (14). W przeciwieństwie do tego, izolaty środowiskowe wykazały większe wskaźniki nonsynonimiczne (dN/dS = 2,1, P < 0,001), charakterystyczne dla heterogenicznej populacji drobnoustrojów niedawno wprowadzonej do nowego środowiska i przechodzącej utrwalanie nowych wariantów napędzanych selekcją różnicującą. W rzeczywistości znaleźliśmy specyficzne dla środowiska odciski molekularne w genomach V. cholerae, które z powodzeniem replikowały się i utrzymywały w środowisku wodnym. W sumie siedem nonsynonimowych mutacji w regionach kodujących, potencjalnie dających selektywną przewagę populacji środowiskowej V. cholerae, pojawiło się wzdłuż szkieletu filogenezy izolatów środowiskowych między 2012 a 2015 rokiem (Figura 3 i Dodatek SI, Tabela S7). Trzy mutacje specyficzne dla środowiska, dwie wczesne w bifurkacji szkieletu (Fig. 3) i jedna w gałęzi wewnętrznej (Dodatek SI, Tabela S7), wpłynęły na geny w systemie sekrecji typu II (TSSII): białka ogólnego szlaku sekrecji A i G oraz K (Dodatek SI, Tabela S7). TSSII odgrywa kluczową rolę w wirulencji i przetrwaniu V. cholerae w różnych niszach, takich jak zbiorniki wodne lub ludzki gospodarz (26). Inne mutacje znalezione wzdłuż wewnętrznych gałęzi dotyczyły genów związanych z odpowiedzią na stres środowiskowy, chemotaksją/motywnością V. cholerae w odpowiedzi na zmienne wskazówki środowiskowe, kontrolą długości haka flagowego, tworzeniem biofilmu w środowisku pozajelitowym oraz wzrostem wykładniczym w odpowiedzi na dostępne składniki odżywcze (Dodatek SI, Ryc. S7 i Tabela S7). Izolaty środowiskowe, które z powodzeniem przyczyniły się do ewolucji linii środowiskowej, zostały zebrane nie tylko w pobliżu szpitali i ośrodków leczenia cholery zlokalizowanych w Gressier, ale także w pobliskich regionach Goave i Carrefour (ryc. 3).
Ewolucja i adaptacja V. cholerae w haitańskich zbiornikach wodnych. Pokrewieństwo filogenetyczne i dystrybucja geograficzna 27 izolatów środowiskowych zebranych w latach 2012-2015 na Haiti. Nonsynonimiczne mutacje nabyte podczas ewolucji populacji środowiskowej, zrekonstruowane poprzez bayesowskie wnioskowanie o stanach przodków, są wskazane wzdłuż szkieletu drzewa. SNP wykryte wzdłuż pnia (linia przetrwania) drzewa zostały kolejno ponumerowane od 1 do 7, aby ułatwić porównanie z dodatkowymi informacjami podanymi w SI Appendix, Tabela S7. Mapy pokazują miejsca pobierania próbek, pogrupowane według źródła wodnego, oznaczone żółtymi, czerwonymi, pomarańczowymi i cyjanowymi kropkami w regionie Gressier, fioletowymi dla Carrefour i niebieskimi w regionie Jacmel.
Dowody epidemiologicznych i środowiskowych sił ewolucyjnych napędzających epidemię haitańską zmotywowały nas do rozważenia dynamicznego modelu śledzenia transmisji cholery i genetyki populacji poprzez środowiska wodne i gospodarzy. Podobnie jak w poprzednich modelach cholery z naszej grupy (27), nasz podstawowy model epidemiologiczny opiera się na ramie podatny-zakażony-odzyskany z rezerwuarem (SIRW), rozszerzenie klasycznej ramy podatny-zakażony-odzyskany (SIR) z dodanym przedziałem dla stężenia patogenu w zbiorniku wodnym (W) (ryc. 4 i dodatek SI, ryc. S8 i S9). Zgodnie z Kirpich et al. (27), dopuściliśmy replikację poza żywicielem, wraz z sezonowością w transmisji środowiskowej, zrzucaniu i gniciu, jak sugeruje znacząca korelacja liczby przypadków z opadami. W uzupełnieniu do tego epidemiologicznego sformułowania, w naszym modelu uwzględniliśmy komponent ewolucyjny. Zarówno neutralny dryf jak i presja selekcyjna są uwzględnione w naszych ramach multilokalnych, gdzie mierzymy Ne poprzez obliczanie różnorodności genetycznej i wykorzystanie metod koalescencyjnych (Dodatek SI, Tekst). Zgodnie z innymi badaniami, założyliśmy, że dla loci podlegających selekcji istnieje kompromis pomiędzy przeżywalnością w środowisku a kondycją w transmisji gospodarza. Wyniki symulacji modelowych odtwarzają jakościowe cechy Ne i miesięcznej liczby przypadków (Ryc. 4A i Dodatek SI, Ryc. S8).
Mixed-transmission model of cholera and vaccination prediction. (A) Ne (efektywna wielkość populacji) obserwowana na podstawie danych (szary) i w symulacji z replikacją środowiskową (zielony) oraz Ne w symulacji bez replikacji środowiskowej (fioletowy). (B) Różne scenariusze szczepień i kontroli dla symulacji modelu z replikacją środowiskową, w szczególności pokrycie szczepieniami 64% (tempo 0,01 d-1), 88% (tempo 0,04 d-1) i 64% przy 10% wzroście tempa rozpadu środowiska. Definiujemy tu zasięg szczepień jako procentową redukcję liczby osobników podatnych na zakażenie (po osiągnięciu przybliżonego stanu ustalonego po 2-3 miesiącach od szczepienia). W przeciwieństwie do Kirpicha i wsp. (27) i symulacji bez replikacji środowiskowej (Dodatek SI, ryc. S10), w których 64% pokrycie szczepieniami eliminuje patogen w ciągu roku, tutaj albo więcej szczepień (88% pokrycia), albo zwiększony rozkład środowiskowy (wzrost o 10%) jest potrzebny do kontrolowania cholery w obecności replikacji środowiskowej.
Po pierwsze, wyniki modelu i dane wykazują wzrost i spadek Ne początkowo odzwierciedlając szybką ekspansję, po której nastąpiła negatywna selekcja po początkowym wybuchu epidemii (Rys. 4A). Potem nastąpiła obserwacja drugiego wzrostu Ne w 2013 roku, większego niż można by oczekiwać na podstawie samej transmisji przez żywiciela, spowodowanego poprzedzającym sezonowym zaostrzeniem i rozciągającego się na okres zmniejszonej zachorowalności. Nasza hipoteza dywersyfikacji w zbiorniku wodnym oferuje wyjaśnienie tego względnego wzrostu Ne i jest wspierana przez rozsądne symulacje modelowe, w których włączenie replikacji środowiskowej pozwala na tę ewolucyjną eksplorację w przeciwieństwie do przypadków bez replikacji środowiskowej (Fig. 4A i Dodatek SI, Fig. S8). W szczególności, podczas szczytu od końca 2012 do połowy 2013 roku, uuSNPs zostały wykryte w następujących genach przetrwałej linii środowiskowej: Vch1786_I0012 (1 C→T), Vch1786_I0051 gen (3 C→T), Vch1786_I0998 (30 G→A), Vch1786_I1539 (44 A→G), rseA (52 G→A), epsG (61 A→C) i Vch1786_II0794 (107 C→A) (SI Appendix, Fig. S3). Mutacje w tych genach mogły przyczynić się do zwiększonej adaptacji szczepów środowiskowych w ekosystemie wodnym, chociaż przyszłe badania in vitro będą potrzebne do zbadania ich udziału w fitnessie V. cholerae. Po szczycie replikacji środowiskowej następuje znaczny spadek w Ne rozpoczynający się przed głównym okresem zastoju w 2014 r. Ponownie, częstość występowania przypadków nie wyjaśnia w pełni wielkości tego spadku. Podczas gdy wąskie gardło populacji wywołuje spadek Ne, symulacje sugerują, że replikacja środowiskowa jest konieczna do przyspieszenia utrwalania genów przystosowanych do przetrwania w zbiorniku wodnym. Pod koniec 2014 roku zbiorniki środowiskowe przenoszą się na żywicieli, powodując gwałtowny wzrost liczby przypadków klinicznych, prawdopodobnie wzmocniony przez korzystną adaptację żywiciela i/lub utratę odporności w populacji żywicieli. Szerokie symulacje skalibrowane do danych przypadków sugerują, że w celu dodatkowego dopasowania do obserwowanego Ne, replikacja środowiskowa powinna być włączona do modelu. Główną konsekwencją naszych ustaleń jest to, że replikacja i adaptacja w zbiorniku wodnym może utrudnić strategie kontroli ukierunkowane na transmisję gospodarza. Rzeczywiście, prognozując od 2015 roku w symulacjach, zaobserwowaliśmy, że szczepienie może łatwo usunąć patogen w przypadku braku replikacji środowiskowej (Dodatek SI, Fig. S10). Jednak w przypadku adaptacji środowiskowej i replikacji zgodnej z obserwowanym Ne, szczepienie znacznie większej części populacji lub dodanie interwencji wpływającej na zbiornik wodny jest konieczne do wyeliminowania cholery w naszym dynamicznym modelu mieszanego przenoszenia (ryc. 4B).
.