弯曲杆菌中抗菌药物耐药基因的自然水平转移

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2024-02-04 10:10:29
原创

文章题目：Natural Horizontal Gene Transfer of Antimicrobial Resistance Genes in Campylobacter spp. From Turkeys and Swine

文章链接：10.3389/fmicb.2021.732969

发表时间：2021.9

发表期刊：Frontiers in Microbiology

IF：6.064

研究背景/目的：抗菌药物耐药的弯曲杆菌对公共健康构成严重威胁。耐药菌株的克隆扩增和耐药基因的水平传播可能会阻碍弯曲杆菌病的抗生素治疗临床效果。在这项研究中，作者使用了更接近真实条件的实验设计，以评估来自不同动物宿主（猪或火鸡）的同种或不同种弯曲杆菌（结肠弯曲杆菌或空肠弯曲杆菌）之间耐药基因的转移情况。

研究对象；结肠弯曲杆菌和空肠弯曲杆菌

研究方法：体外共培养、体内双菌接种、全基因组测序

研究思路：

主要研究内容及结果：

耐药模式
所有菌株都对一种或多种抗菌药物表现出耐药性。

表1 弯曲杆菌菌株的耐药模式

2、体外共培养和体内双菌接种

12组共培养实验，其中6组发现了新出现的菌株“Newly Emerged Strains”（NES）。表现的形式为基因的点突变、水平转移，以及同源重组（功能性基因取代非功能性基因）。

表2 弯曲杆菌体外共培养结果

体内接种分为4个组（3实验组-room 9、10、11和1对照组），每只火鸡接种两株弯曲杆菌（一株在第2天，另一株在9天），分别在第8、15、22天每组杀死10-15只火鸡进行盲肠弯曲杆菌的检测。在第15天，room 9空肠弯曲杆菌14229-5未在培养基上发现，其他2组正常，第22天重新检测到2种弯曲杆菌的盲肠定植。

双选择性CAC培养基上，用四环素和卡那霉素（TK）获得了双抗性菌株。Cc 6461具有四环素抗性且其染色体携带tet(O)，而Cc 13150尽管有质粒携带tet(O)，但在表型上对四环素敏感。新的杂交抗性模式（TK）与从供体Cc 6461获得四环素抗性（T）一致。泛基因组分析表明，在TK上获得的菌落与亲代菌株Cc 13150高度相似。通过对亲代菌株和NES菌株tet(O)区的比较，作者发现了同源重组事件的发生，即TK样本中Cc13150的非功能性tet(O)被供体菌株Cc 6461的功能性tet(O)取代。

表3动物实验结果

泛基因组分析结果总体而言，受体菌株中新抗性性状的出现是通过自发点突变或重组介导的水平基因转移发生的。作者观察到不同的HGT事件：（i）不存在ARG的基因组岛转移，（ii）ARG的等位基因转移，即通过同源重组用相同突变的等位基因替换已经存在的ARG。

3、突变介导的新型耐药

在Cj 6631和Cj 11601MD的体外共培养物中，NES与亲本菌株高度相似，但具有额外突变的基因rpsL（K88R），赋予链霉素抗性。为了区分来自Cj 6631的K88R rpsL水平转移和Cj 11601MD的一种新自发突变，作者比较了菌株之间的rpsL序列。除了K88R突变外，Cj 6631 rpsL序列还包括两个单核苷酸多态性（SNP）差异，这两个SNP在Cj 11601MD和NES的基因组中缺失。此外NES基因组的其余部分也与Cj 11601MD高度相似，这表明Cj 11601MD中存在自发点突变，而不是Cj 6631的突变rpsL转移。

作者还比较了“功能性”和“非功能性”tet(O)，发现“非功能性”的tet(O)在Cc 13150中的76位残基处为亮氨酸，而“功能性”tet(O)在该位置为脯氨酸。tet(O)L76P取代似乎恢复了菌株的四环素抗性。值得注意的是，三种已发表的携带“非功能性”tet(O)的四环素敏感菌株，在tet(O)基因的76位残基处鉴定为脯氨酸，因此，除了L76P突变之外，必须为这三个四环素敏感株找到新的解释。

4、抗性基因的水平转移

在Cc 6461和Cc 13150的共培养物中，tet(O)（2661 bp）所在的染色体基因组岛从供体Cc 6461转移到受体Cc 13150的染色体上，导致NES中的两个tet(O)拷贝，一个是新获得的染色体，另一个是原始质粒携带拷贝。值得注意的是，NES中的质粒携带的tet(O)与菌株Cc 13150中的质粒载体携带的tet(O)有两个氨基酸不同。不确定这是由于原始基因的双重突变，还是由于供体Cc 6461的tet(O)发生了额外的点突变。也就是说在相同两个菌株Cc 6461和Cc 13150的体外和体内实验中观察到不同的结果（水平转移和同源重组）。

表4 基因组岛转移信息

5、抗性基因水平转移的再现性

作者复制了 Cc 6461和 Cj 14229-5的共培养物，并对 10个显示双抗模式（SG）的菌落（A-J）进行继代培养和测序。最初的NES和来自复制实验新测序的NES显示了基因组岛的相同转移。10个分离株中有6个转移了额外的毒力相关基因。此外，连续的pseA、pseI和maf4（涉及弯曲杆菌运动）可能与AMR在单个HGT事件中一起转移。

图4 Cc 6461和Cj 14229-5体外共培养的10个分离物的泛基因组比较

文章结论

转化可以介导弯曲杆菌（结肠弯曲杆菌和空肠弯曲杆菌）种内和种间AMR基因的水平转移。在体外，抗性基因转移并非罕见事件，在特定菌株之间具有高度可重复性，同源重组似乎是抗性基因传播的重要选择机制。某些菌株似乎更容易获得或转移抗性基因，因此如何更好地识别这一类型的菌株对于预防AMR菌株传播非常重要。

参考文献

Guernier-Cambert V, Trachsel J, Maki J, et al. Natural horizontal gene transfer of antimicrobial resistance genes in Campylobacter spp. from turkeys and swine [J]. Front Microbiol, 2021, 12: 732969.

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