大肠埃希菌获得多重耐药质粒的限制和特异性转录、生长反应

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2024-02-04 10:20:19
原创

文章题目：Limited and Strain-Specific Transcriptional and Growth Responses to Acquisition of a Multidrug Resistance Plasmid in Genetically Diverse Escherichia coli Lineages

文章链接：10.1128/mSystems.00083-21

发表时间：2021.4

发表期刊：mSystems

IF：7.324

研究背景/目的：多药耐药MDR质粒并不广泛分布于整个大肠埃希菌物种，而是集中在少数克隆中。ESBL质粒载体最常见于谱系的低多样性克隆中，如ST131、ST648和ST410，其中ST131是发达国家最常见的耐多药大肠埃希菌血液和尿液感染原因。除了与复制、转录和翻译新的遗传物质相关的生物合成负担外，质粒的获取通常会破坏正常的细胞功能。本研究测试了不同的大肠埃希菌菌株在获得和维持MDR质粒的能力上是否存在差异，以及这是否与质粒获得后的转录反应有关。

研究对象；ST131、ST394和ST1122大肠埃希菌及其pLL35接合子

研究方法：全基因组测序、转录组测序、接合转移、质粒稳定性试验

研究思路：

主要研究内容及结果：

1、大肠埃希菌对pLL35的接合摄取

在本研究中，大多数菌株肺炎克雷伯菌在静态培养中的接合率要高于震荡培养。事实上只有3个菌株在震荡和静态条件下都获得了质粒。而由于震荡培养缺失大量重复，作者只能通过分析静态培养来估计所有菌株接合率的变化。实验结果显示，在静态培养中，菌株通过接合从肺炎克雷伯菌获得质粒的能力不同，然而一旦获得了质粒，所有菌株都能够稳定地维持质粒。

2、pLL35对抗性和细菌生长动力学的菌株特异性影响

质粒获得增加了对头孢噻肟的抗性，但质粒赋予的抗性水平因菌株而异。

作者通过亲本菌株标准化了每个质粒携带菌株的生长参数。根据相对生长参数的估计，获得了质粒获取对每个菌株生长的影响（值为1表示对质粒获取的生长没有影响）。菌株的相对最大生长速率、相对饱和密度和生长曲线的相对积分不同，但相对滞后时间相同。质粒获取对生长的最明显影响体现在生长曲线的相对积分上(图2)，这是衡量质粒获取对生长总体影响的有效指标。总的来说，ESBL质粒的获取对菌株的生长有不同的影响，可能导致生长增加和减少，同时一半受试菌株的生长影响可忽略不计。

3、获得pLL35的菌株特异性转录反应

每个菌株质粒获得的转录影响的火山图显示，在转录反应水平和差异表达基因方面，pLL35的获得具有高度的菌株特异性反应。获得质粒后，菌株ELU39、F104和F037的基因表达没有明显变化，菌株GU15、F054和F048的显著差异表达基因少于5个，菌株F022和F047的差异表达基因在10到22个之间。在菌株中观察到的转录反应的幅度和生长反应之间没有相关性。

4、受pLL35影响的表达功能因菌株而异

菌株之间的表达功能差异，受pLL35获取的显著影响。

在F022质粒载体中，整个1、2和3类鞭毛生物合成调节子相对于无质粒亲本菌株上调。基因组序列表明，这是由于在flhDC的负调节因子lrhA中插入了IS1-family的插入元件所致。

在F047中，pLL35导致了多种染色体基因上调，包括参与各种应激反应的基因，如cpxP（包膜应激反应）、deaD（低温反应）、ibpAB（热和氧化应激）和soxS（超氧化物应激主调节器）。质粒的存在也导致抗生素耐药和氧化应激反应调节子的阻遏基因marR的上调，以及其他功能如代谢转运基因（mgtA和PST）和厌氧代谢基因（glpD）上调。

在F048中，质粒载体的几个假定基因上调，其中3个显著上调。这个区域在Prophage Hunter进一步表征，显示为假定的∼60kb的前噬菌体。该前噬细胞包含78个基因，与前噬细胞CUS-3具有94%的相似性和28%的覆盖率。通过结构变异分析没有检测到噬菌体动员的证据，并且该区域的读取深度在亲本和接合子中一致，这表明观察到的上调不是由于存在额外的前噬菌体拷贝。

5、对pLL35的低水平转录反应的一致模式

使用主成分分析来检测在我们的宿主范围内差异表达的基因。分析显示，所有菌株的差异表达都有一些一致的模式，例如cit操纵子，his操纵子，hya、hyb、hyc操纵子以及nar、ttd操纵子和gad位点。

相反，所有菌株对pLL35的 csg、gat、waa、yad和yih操纵子的pLL35获得反应都有一个共同的下调模式。图3中基因的功能富集分析表明，对pLL35获得的转录反应因菌株而异。对这些差异表达位点的第5和第95百分位进行了确认，这些基因与细胞壁、信号转导、细胞运动、能量产生和转化以及碳水化合物运输和代谢相关，对质粒有持续的精细转录反应。

文章结论

1、不同谱系的大肠埃希菌获得ESBL质粒的能力具有菌株特异性。

2、对质粒获取的转录反应仅限于某些离散操纵子或调控子内少量基因的差异表达，这些操纵子和调控子的特性在菌株之间有所不同。

3、质粒获得会影响一系列细胞过程，对全局转录的影响更微妙。

4、ESBL质粒载体的相对生长和对头孢噻肟的耐药性在菌株之间存在差异。

总的来说，本研究的结果表明，多重耐药质粒获得对宿主细胞的影响是由特定的遗传相互作用引起的，这些相互作用可能难以先行预测，且适应度成本不一定是大肠埃希菌自然种群中耐药基因传播的障碍。

参考文献

Steven Dunn, Laura Carrilero, Michael Brockhurst, et al. Limited and Strain-Specific Transcriptional and Growth Responses to Acquisition of a Multidrug Resistance Plasmid in Genetically Diverse Escherichia coli Lineages [J]. mSystems, 2021, 6(2): e00083-21.

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