文献解读 | 质粒介导的肺炎克雷伯菌多黏菌素与替加环素耐药性特点

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2024-05-06 09:41:49
原创

文章题目：Convergence of plasmid-mediated Colistin and Tigecycline resistance in Klebsiella pneumoniae

文章链接：doi: 10.3389/fmicb.2023.1221428

发表时间：2024.1

发表期刊：Front Microbiol

IF：5.2

研究背景：肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）对黏菌素的耐药性通常归因于染色体突变，包括mgrB、phoP/phoQ、pmrA/pmrB和crrA/crrB。而质粒携带的mcr基因在黏菌素耐药性的传播中发挥更重要的作用，目前K. pneumoniae共发现3种mcr基因，包括mcr-1、mcr-7和mcr-8。质粒携带的替加环素耐药基因，如tet(X4)及 RND外排泵编码基因簇tmexCD1-toprJ1也在K. pneumoniae中被发现。令人担忧的是，最近的研究表明，tmexCD1-toprJ1可以与K. pneumoniae的其他耐药基因共转移，如mcr-8.2、bla_NDM-1和bla_KPC-2等，这或将导致K. pneumoniae耐药性的进一步蔓延。

研究对象：K. pneumoniae分离株K82及refseq数据库119个携带黏菌素耐药基因（CoRG）或替加环素耐药基因（TRG）的Klebsiella spp.质粒

研究方法：抗菌药物敏感性试验、接合转移实验、比较基因组圈图、比较基因簇分析、系统发育分析

主要研究内容及结果：

1、分离株Klebsiella pneumoniae K82的一般性特征

本研究从一例膀胱癌术后患者的尿液中分离获得K. pneumoniaeK82。该菌株对除亚胺培南和美罗培南以外的所有测试药物均耐药，包括替加环素和黏菌素。

WGS结果显示，K82属于ST656-KL23，黏菌素和替加环素耐药决定因子分别由质粒pK82-mcr-1和pK82-tmexCD-toprJ携带。

2、质粒pK82-mcr-1、pK82-tmexCD-toprJ的比较基因组分析

质粒pK82-mcr-1（图1A）长315,303 bp，平均G+C含量为47.57%，共鉴定出5种复制子蛋白，分别属于IncFIA(HI1)、IncHI2、IncHI2A、IncN和IncR不相容群。BLASTn检索结果显示pK82-mcr-1与4个携带mcr-1的质粒具有很高的相似性，它们都属于IncHI2/IncHI2A家族。且这些质粒都具有相似的IncHI2/IncHI2A型质粒骨架结构，包括replication, conjugative transfer system, maintenance, and stability functional regions。此外，pK82-mcr-1的可变区还存在IncR型质粒的完整骨架序列。

pK82-mcr-1的mcr-1基因包含在“ISApl1-mcr-1-pap2”结构中，由Tn6330丢失一个ISApl1拷贝所形成，这在mcr-1质粒中很常见。除mcr-1以外，pK82-mcr-1还携带11个其它类型的耐药基因及3个汞抗性和1个碲抗性的操纵子。接合转移实验显示，pK82-mcr-1可以转移至受体菌E.coli C600，并赋予转接合子K82的大部分耐药性。

质粒pK82-tmexCD-toprJ（图1B）属于IncFIB(K)/IncFII(K)型，除tmexCD1-toprJ1外，还存在两个ARGs和三个重金属抗性基因簇，赋予对砷，铜和银的抗性。此外，虽然在该质粒中有发现接合转移相关基因，但实验并未成功转移至受体菌E.coli C600或J53。比较分析发现质粒pK82-tmexCD-toprJ的骨架包括质粒维稳区（parB、umuCD）、接合转移区（tra）和重金属抗性区（sil、pco、ars基因簇），它们是较为保守的。tmexCD1-toprJ1属于该质粒的可变基因，且其他相似性质粒还观察到更多的耐药基因，说明这类质粒可能具有更高的可塑性。

3、携带黏菌素或替加环素耐药决定因子的克雷伯菌质粒特征

为进一步研究克雷伯菌属黏菌素或替加环素耐药质粒的情况，作者从GenBank下载了克雷伯菌属的7179个完整质粒序列，使用AMRFinderPlus鉴定其ARGs谱并最终获得了119个携带完整黏菌素或替加环素耐药决定因子的质粒以做进一步研究。

总计121个质粒（119个下载质粒+2个分离株质粒），67个携带CoRG，55个携带TRG，仅1个质粒pSYCC1_tmex_287k（CP113179）同时携带CoRG和TRG。预测结果显示大部分黏菌素和替加环素耐药质粒具有接合转移能力（图2A），最常见的CoRG是mcr-8，最常见的TRG是tmexCD1-toprJ1（图2B）。在携带CoRG的质粒上共鉴定出16个Inc. group，最常见的是IncFII；而TRG质粒共鉴定出15个Inc. group，最常见的是IncHI1B（图2C）。且两者超过一半的质粒为杂交质粒，IncFIA/IncFII和IncFIB/IncHI1B分别是CoRG质粒和TRG质粒最常见的hybrid group。

此外，这些质粒携带了14类抗菌药物的ARGs，单个质粒最多可赋予菌株11类抗菌药物的耐药性。其中最常见的表型是对β-内酰胺类耐药（61.16%，74/121），部分质粒对碳青霉烯类耐药（16.53%，20/121）。质粒的Mash聚类树显示这些质粒分为两个Cluster，且大致与CoRG和TRG的携带情况对应。然而某些CoRG和TRG的菌株密切相关，说明这些质粒可能具有同时携带CoRG和TRG的潜力。

4、mcr-1和tmexCD-toprJ共存于同一质粒

在上述研究中，作者发现了特殊质粒pSYCC1_tmex_287k（CoRG+TRG）。进一步分析发现，其复制子属于IncFIB/IncHI1B Inc. group，是TRG质粒中最常见的类群。pSYCC1_tmex_287k与7个携带tmexCD-toprJ的质粒具有很高的相似性，但pSYCC1_tmex_287k质粒上含有truncated mcr-1基因，而它们没有并完整或截断的mcr-1基因（图4A）。

比较基因组分析显示，与这些同源序列相比，pSYCC1_tmex_287k在dcm和ecoRIIR基因之间插入了一段包含mcr-1的片段。在该质粒中，mcr-1的遗传背景与Tn6330几乎相同，但其pap2下游的ISApl1被ISEc33插入破坏。

文章结论

本研究扩大了对K. pneumoniae携带的CoRG和TRG质粒多样性的认识，并首次报道了mcr-1和tmexCD1-toprJ1共存于同一质粒。

参考文献

Zhao Y, Qian C, Ye J, et al. Convergence of plasmid-mediated Colistin and Tigecycline resistance in Klebsiella pneumoniae [J]. Front Microbiol, 2023, 14: 1221428.

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