文献解读 | 接合质粒促进了tmexCD2-toprJ2在碳青霉烯耐药肺炎克雷伯菌中的传播
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- 2024-07-22 09:10:50
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文章题目:Conjugative plasmids facilitate the transmission of tmexCD2-toprJ2 among carbapenem-resistant Klebsiella pneumoniae
文章链接:doi: 10.1016/j.scitotenv.2023.167373
发表时间:2024.1
发表期刊:Sci Total Environ
IF:9.8
研究背景:替加环素耐药的机制最常与染色体编码的非特异性外排泵过表达或rpsJ基因编码的核糖体S10蛋白突变有关,该基因不具有水平转移能力,对人类公共健康构成的威胁有限。然而,质粒介导的替加环素耐药决定因子的发现,如tet(A)和tet(X)变体,对替加环素耐药的水平传播构成了风险。据报道,肺炎克雷伯菌主要检测到的tet(A)变体介导了低水平的替加环素耐药性,而赋予高水平替加环素耐药性的tet(X)变体在肺炎克雷伯菌中很少报道,但在大肠埃希菌中很常见。新发现的质粒编码的RND外排泵tmexCD-toprJ在动物源肺炎克雷伯菌中对多种药物产生耐药性,从根本上削弱了替加环素的功能。
研究对象:tmexCD-toprJ阳性的CRKP
研究方法:药敏检测(AST)、接合转移试验、MLST、系统发育分析
主要研究内容及结果:
1、tmexCD-toprJ阳性CRKP的流行性及基因组特征
2018-2020年郑州大学附属教学医院获得了2031株CRKP,药敏试验显示134株对替加环素不敏感(134/2031, 6.60%)。其中有7株tmexCD-toprJ阳性(7/134, 5.22%),分别来源于血液(n = 4)、尿液(n = 1)和痰液(n = 2)。
7株tmexCD-toprJ-CRKP的耐药谱见表1。ST11、ST978、ST147和ST2667是它们的4种序列分型,且以ST2667为主。4株ST2667 CRKP是在不同的时间不同的患者中分离的,表明ST2667可能存在克隆传播(共有<25个SNPs)。其中KP18-29菌株鉴定为tmexCD1-toprJ1,而其他分离株鉴定为tmexCD2- toprJ2。
各分离株全基因组测序(WGS)的基本情况如表2所示。值得注意的是,KP18-29除了在其IncFIB(Mar)/IncHI1B型质粒p18-29-MDR(MK262712)上携带tmexCD1-toprJ1外,还同时携带黏菌素及碳青霉烯耐药基因(mcr-8.2、blaNDM-1),这意味着该分离株对所有临床关键的抗菌药物都具有耐药性。而6个tmexCD2-tprJ2阳性CRKP分离株产KPC-2,其中ST2667(KP18-2110-2、KP19-3023和KP19-3088)菌株产NDM-1和KPC-2。KP19-3088鉴定出两个tmexCD2-to-prJ2拷贝,且它们分别位于NDM-1携带的IncHI5样质粒及KPC-2携带的IncFrepB(R1701)质粒上。有趣的是,之后分离的KP20-425-1和KP20-558菌株也携带与pKP19-3088-159k高度相似的IncFrepB(R1701)质粒。
接合实验显示,只有携带tmexCD2-toprJ2的IncFrepB(R1701)质粒成功转移到受体菌株。tmexCD2-toprJ2和blaKPC-2在IncFrepB(R1701)质粒上的共存为tmexCD2-toprJ2的传播提供了更大的抗生素选择压力。
2、tmexCD2-toprJ2+blaKPC-2携带的接合性质粒传播
pKP19-3088-159k的产生可能是在IncFrepB(R1701)型质粒pKP19-3023-142k(CP063749)的基础上插入了同一菌株中IncHI5样质粒pKP19-3088-375k(CP063149)的“int-int-hp1-hp2-tnfxB1-ISRor5- tmexCD2-toprJ2”片段(图1a)。
回顾性研究发现,ST2667 CRKP菌株之间具有高度的遗传相似性,存在克隆传播的可能。且在2019年鉴定出tmexCD2-toprJ2和blaKPC-2共携带的ST2667菌株KP19-3088后,2020年分离的pKP19-3088-159k样质粒携带株KP20-558、KP20-425-1属于其它ST型(ST978和ST147)。接合实验进一步证实了pKP19-3088-159k的可转移性,这一发现为质粒pKP19-3088-159k在临床CRKP中的水平传播提供了直接证据(图1b)。
图1 tmexCD2-toprJ2和blaKPC-2共携带的IncFrepB(R1701)型质粒的遗传和转化分析(a.pKP19-3088-159k比较基因组圈图;b.质粒转移示意图:黄点表示tmexCD2-toprJ2簇,蓝点表示blaNDM-1基因,橙点表示blaKPC-2簇)
3、tmexCD-toprJ在Klebsiella spp.中的分布
为了进一步了解tmexCD-toprJ在克雷伯氏菌中的流行情况,作者从NCBI基因组数据库中检索到41,699个Klebsiella spp.基因组(截至2022.05.22)并下载进行基因组分析。其中tmexCD-toprJ阳性Klebsiella spp.检出112例(0.27%),K. pneumoniae 95例。来源分析显示,大部分tmexCD-toprJ阳性K. pneumoniae来自中国的人或动物。且所有tmexCD-toprJ阳性的K. pneumoniae均出现在2013年以后,特别是2017、2018、2019和2021年的阳性菌株数量较多。在这些K. pneumoniae中检测到3种tmexCD-toprJ变体,以tmexCD1-toprJ1为主(图2a)。系统发育分析表明,本研究大部分分离株与其他来自人类的tmexCD1-toprJ1阳性K. pneumoniae有密切的亲缘关系。比如分离株KP20-425-1与动物tmexCD1- toprJ1阳性K. pneumoniae关系密切(140个SNP),提示tmexCD-toprJ阳性K. pneumoniae可能在不同宿主之间传播(图2a)。
图2 a.101株K. pneumoniae的系统发育分析;b.119株克雷伯菌的碳青霉烯酶基因、mcr基因和tmexCD-toprJ变体分布
4、Klebsiella spp.中碳青霉烯酶基因、黏菌素耐药基因与tmexCD-toprJ的共存
本研究共调查了119例tmexCD-toprJ阳性Klebsiella spp.,这些菌株同时携带碳青霉烯或黏菌素耐药基因。其中有7株Klebsiella spp.(7/119, 5.88%)碳青霉烯酶基因,黏菌素耐药基因,以及tmexCD-toprJ三者共存。
约1/3的tmexCD-toprJ阳性Klebsiella spp.携带黏菌素耐药基因(35/119,29.41%)。同时携带tmexCD-toprJ和碳青霉烯酶基因的Klebsiella spp.也占很大比例(46/119,38.66%)。此外,某分离株还携带tet(X4)基因,编码替加环素失活酶。来源分析发现,携带碳青霉烯酶基因和tmexCD-toprJ的分离株主要从人类中分离,而携带mcr基因和tmexCD-toprJ的分离株通常来源于动物(图2b)。
文章结论
1、tmexCD2- toprJ2和blaKPC-2共携带的IncFrepB(R1701)接合质粒可在CRKP中水平转移;
2、克雷伯菌的tmexCD-toprJ最早出现在2013年,从2017年开始携带tmexCD-toprJ的克雷伯菌阳性率逐渐上升;
3、人类来源的克雷伯菌tmexCD-toprJ阳性株几乎都携带碳青霉烯酶基因,表明tmexD-toprJ可能在临床CRKP中流行。
4、动物来源的克雷伯菌tmexCD-toprJ阳性株高于人类来源,且其tmexD-toprJ通常单独存在或与mcr基因共存。
参考文献
Yao H, Zhang T, Peng K, et al. Conjugative plasmids facilitate the transmission of tmexCD2-toprJ2 among carbapenem-resistant Klebsiella pneumoniae [J]. Science of The Total Environment, 2024, 906.
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