Evoluția Vibrio cholerae toxigenă și stabilirea de rezervoare în ecosistemele acvatice
Rezultate
Patru departamente – Artibonite, Centre, Nord-Ouest și Ouest – reprezintă 90% din cazurile de holeră raportate în Haiti (9). Ne-am concentrat eforturile asupra departamentului Ouest (Fig. 1A), o regiune de coastă bogată în ecosisteme acvatice în care am izolat V. cholerae O1 toxigenă din situri fixe riverane și estuarine (Fig. 1A). Prevalența V. cholerae O1 toxigenă acvatică s-a corelat cu creșterea temperaturii și a precipitațiilor, dar nu și cu numărul de coliformi fecali, ceea ce sugerează că prezența nu se datorează doar contaminării fecale (10). Numărul lunar de cazuri în Ouest, care oscilează anual, dar scade în timpul sezonului uscat și crește în timpul sezonului ploios (aprilie-octombrie), s-a corelat cu creșterea temperaturii și a precipitațiilor (Fig. 1B). Acest lucru este în concordanță cu modelele endemice de V. cholerae O1 din Bangladesh și Peru, unde focarele sezoniere de holeră se corelează cu creșterea V. cholerae O1 în mediul înconjurător și creșterea temperaturii apei sau a precipitațiilor (11, 12).
Pentru a face distincția între evoluția sub presiune selectivă (adaptare) sau derivă genetică, am calculat raportul ratei de substituție nesinonimă (dN) și sinonimă (dS) (dN/dS) (apendicele SI, Fig. S6 și tabelul S5). Dinamica evolutivă a izolatelor clinice a fost determinată în principal de selecția purificatoare (dN/dS = 0,6, P < 0,001), în concordanță cu un D negativ al lui Tajima (-2,3, P < 0,005) și cu o populație care se confruntă cu blocaje de gâtuială și/sau mături selective. Este de așteptat ca selecția negativă să conducă epidemia deja stabilită la om, care a atins un vârf în peisajul adaptiv în timpul unei etape epidemice timpurii conduse de selecția diversificatoare (14). În schimb, izolatele de mediu au prezentat rate nesinonime mai mari (dN/dS = 2,1, P < 0,001), caracteristice unei populații microbiene eterogene introduse recent într-un mediu nou și care suferă fixarea unei noi selecții diversificatoare conduse de variante. De fapt, am găsit amprente moleculare specifice mediului în genomurile de V. cholerae care s-au replicat cu succes și au persistat în mediul acvatic. Un total de șapte mutații nesinonime în regiunile de codificare, care ar putea acorda un avantaj selectiv populației de V. cholerae din mediul înconjurător, au apărut de-a lungul coloanei vertebrale a filogeniei izolatelor din mediul înconjurător între 2012 și 2015 (Fig. 3 și apendicele SI, tabelul S7). Trei mutații specifice mediului, două la începutul bifurcației coloanei vertebrale (Fig. 3) și una într-o ramură internă (apendicele SI, tabelul S7), au afectat genele din sistemul de secreție de tip II (TSSII): proteinele A și G din calea secreției generale și K (apendicele SI, tabelul S7). TSSII joacă un rol esențial în virulența și supraviețuirea lui V. cholerae în diferite nișe, cum ar fi rezervoarele acvatice sau gazdele umane (26). Alte mutații găsite de-a lungul ramurilor interne au afectat genele legate de răspunsul la stresul de mediu, chemotaxia/motilitatea lui V. cholerae ca răspuns la indicii fluctuante de mediu, controlul lungimii cârligului flagelului, formarea biofilmului în mediul extraintestinal și creșterea exponențială ca răspuns la nutrienții disponibili (apendicele SI, figura S7 și tabelul S7). Izolatele de mediu care au contribuit cu succes la linia de mediu în evoluție au fost colectate nu numai în apropierea spitalelor și a centrelor de tratare a holerei situate în Gressier, ci și în regiunile învecinate Goave și Carrefour (Fig. 3).
Evoluția și adaptarea lui V. cholerae în rezervoarele acvatice haitiene. Relația filogenetică și distribuția geografică a 27 de izolate de mediu colectate între 2012 și 2015 în Haiti. Mutațiile nesinonime dobândite în timpul evoluției populației de mediu, reconstruite prin inferența bayesiană a stărilor ancestrale, sunt indicate de-a lungul coloanei vertebrale a arborelui. SNP-urile detectate de-a lungul trunchiului (neamul supraviețuitor) al arborelui au fost numerotate secvențial de la 1 la 7 pentru a facilita comparația cu informațiile suplimentare raportate în apendicele SI, tabelul S7. Hărțile prezintă locurile de prelevare a probelor, grupate în funcție de sursa acvatică, etichetate cu puncte galbene, roșii, portocalii și cyan în regiunea Gressier, mov pentru Carrefour și albastre în regiunea Jacmel.
Dovezile forțelor evolutive epidemiologice și de mediu care conduc epidemia haitiană ne-au motivat să luăm în considerare un model dinamic de transmitere a urmării holerei și de genetică a populației prin medii acvatice și gazde. Ca și în modelele anterioare de holeră ale grupului nostru (27), modelul nostru epidemiologic de bază se bazează pe cadrul susceptibil-infectat-recuperat cu rezervor (SIRW), o extensie a cadrului clasic susceptibil-infectat-recuperat (SIR) cu un compartiment adăugat pentru concentrația agentului patogen într-un rezervor acvatic (W) (Fig. 4 și Anexa SI, Figurile S8 și S9). În concordanță cu Kirpich et al. (27), am permis replicarea în afara gazdei, împreună cu sezonalitatea transmiterii în mediu, a excreției și a descompunerii, așa cum sugerează corelația semnificativă a numărului de cazuri cu precipitațiile. În plus față de această formulare epidemiologică, am luat în considerare o componentă evolutivă în modelul nostru. Atât deriva neutră, cât și presiunile de selecție sunt luate în considerare în cadrul nostru multilocus, în care măsurăm Ne prin calcularea diversității genetice și prin utilizarea abordărilor coalescente (Anexa SI, Text). În concordanță cu alte studii, am presupus un compromis între capacitatea de supraviețuire în mediul înconjurător și fitness în transmiterea la gazdă pentru loci supuși selecției. Rezultatele simulărilor modelului recapitulează caracteristicile calitative ale Ne și ale numărului lunar de cazuri (Fig. 4A și Apendice SI, Fig. S8).
Model de transmitere mixtă a holerei și predicția vaccinării. (A) Ne (dimensiunea efectivă a populației) observată din date (gri) și în simularea cu replicarea mediului (verde) și Ne în simularea fără replicarea mediului (violet). (B) Scenarii distincte de vaccinare și control pentru simularea modelului cu replicarea mediului, în special acoperiri de vaccinare de 64% (rata de 0,01 d-1), 88% (rata de 0,04 d-1) și 64% cu o creștere de 10% a ratei de degradare a mediului. Aici definim acoperirea prin vaccinare ca fiind reducerea procentuală a numărului de indivizi susceptibili (la atingerea unei stări de echilibru aproximativ după 2 sau 3 luni de vaccinare). Spre deosebire de Kirpich et al. (27) și de simulările fără replicarea mediului (Apendice SI, Fig. S10), în care o acoperire prin vaccinare de 64% eradică agentul patogen în decurs de un an, aici este nevoie fie de mai multă vaccinare (acoperire de 88%), fie de o creștere a descompunerii mediului (creștere de 10%) pentru a controla holera în prezența replicării mediului.
În primul rând, atât rezultatul modelului, cât și datele prezintă o creștere și o scădere a Ne inițial, reflectând o expansiune rapidă urmată de o selecție negativă după epidemia inițială (Fig. 4A). Apoi a urmat observarea unei a doua creșteri a Ne în 2013, de o amploare mai mare decât ar fi de așteptat doar prin transmiterea la gazdă, produsă de o erupție sezonieră precedentă și care s-a extins într-o perioadă de reducere a incidenței. Ipoteza noastră privind diversificarea în cadrul rezervorului acvatic oferă o explicație pentru această recrudescență relativă a Ne și este susținută de simulări rezonabile ale modelului în care includerea replicării mediului permite această explorare evolutivă, spre deosebire de cazurile fără replicare a mediului (Fig. 4A și Anexa SI, Fig. S8). În special, în timpul vârfului de la sfârșitul anului 2012 până la mijlocul anului 2013, au fost detectate uuSNP-uri în următoarele gene ale neamului de mediu supraviețuitor: Vch1786_I0012 (1 C→T), gena Vch1786_I0051 (3 C→T), Vch1786_I0998 (30 G→A), Vch1786_I1539 (44 A→G), rseA (52 G→A), epsG (61 A→C) și Vch1786_II0794 (107 C→A) (apendicele SI, Fig. S3). Este posibil ca mutațiile în aceste gene să fi contribuit la adaptarea crescută a tulpinilor de mediu în ecosistemul acvatic, deși vor fi necesare studii viitoare in vitro pentru a investiga contribuția acestora la fitness-ul V. cholerae. Vârful de replicare în mediul înconjurător este urmat de un declin substanțial în Ne începând înainte de perioada de acalmie majoră din 2014. Din nou, incidența cazurilor nu explică pe deplin amploarea acestei scăderi. În timp ce gâtul de gâtuială al populației induce o scădere a Ne, simulările sugerează că replicarea în mediu este necesară pentru a accelera fixarea genelor adaptate la persistența în rezervorul acvatic. La sfârșitul anului 2014, rezervoarele din mediul înconjurător se revarsă asupra gazdelor, cu o creștere bruscă a numărului de cazuri clinice, posibil potențată de o adaptare benefică a gazdei și/sau de pierderea imunității în populația gazdă. Simulările extinse calibrate în funcție de datele privind cazurile sugerează că, pentru a se potrivi în plus cu Ne observat, ar trebui inclusă în model replicarea mediului. O ramificație majoră a constatărilor noastre este că replicarea și adaptarea în cadrul rezervorului acvatic pot face mai dificile strategiile de control care vizează transmiterea la gazdă. Într-adevăr, făcând o proiecție din 2015 în simulări, am observat că vaccinarea poate elimina cu ușurință agentul patogen în absența replicării în mediul înconjurător (apendicele SI, Fig. S10). Cu toate acestea, pentru adaptarea mediului și replicarea în concordanță cu Ne observat, este necesară vaccinarea unei porțiuni mult mai mari din populație sau adăugarea unei intervenții care să afecteze rezervorul acvatic pentru a elimina holera în modelul nostru dinamic de transmitere mixtă (Fig. 4B).
.