文献解读 | 肺炎克雷伯菌全球基因组图谱:时空种群结构分析——中国已形成可稳定传播的ST11 CRhvKp菌株

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2024-03-26 09:08:48
原创

文章题目：Global genomic profiling of Klebsiella pneumoniae: A spatio-temporal population structure analysis

文章链接：doi: 10.1016/j.ijantimicag.2023.107055

发表时间：2024.2

发表期刊：Int J Antimicrob Agents

IF：10.8

研究背景/目的：肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）是一种重要的临床致病菌，具有高致病性和多重耐药的潜力。早期发现的碳青霉烯耐药肺炎克雷伯菌（CRKP）总是出现在经典肺炎克雷伯菌（cKp）中，与高毒力肺炎克雷伯菌（hvKp）关系并不密切，但近年来，碳青霉烯耐药和高毒力逐渐趋于出现在同一菌株中。本研究的目的是应用降维和聚类方法对K. pneumoniae基因组数据进行分析，并可视化K. pneumoniae的种群结构，观察碳青霉烯耐药（CR）和高毒（hv）表型传播和趋同的关键模式及复杂进化途径。

研究对象：PATRIC数据库的18565株K. pneumoniae（16797株合格）

研究方法：群体结构分析（降维-UMAP、聚类-HDBSCAN）、系统发育分析、关键遗传位点分析（CatBoost）

主要研究内容及结果：

1、样本来源和组成情况

本研究从PATRIC数据库下载了18565株K. pneumoniae的基因组序列和元数据。根据基因组相似性和完整性标准进行筛选后，共获得16797株K. pneumoniae。这些分离株收集于1937-2021年，覆盖五大洲的102个国家或地区。其中2012-2021年包含12820株，占76.32%。美国、中国大陆、西班牙、英国和意大利为前5大感染源地。

共检测到24种序列分型（ST），33种荚膜多糖（KL）和7种脂寡糖外核（OCL）分型，数量超过100。ST258、ST11、ST307、ST15和ST147是最常见的5种STs。

CRKP和hvKP分别为8690株（51.74%）和1955株（11.63%）。其中碳青霉烯耐药的高毒力肺炎克雷伯菌（CRhvKP）有1158株(6.89%)。

2、核心基因组群体结构分析

本研究计算了16797株K. pneumoniae的cgMLST距离，并进行UMAP降维和HDBSCAN聚类分析。对于每个聚类，识别最频繁的特征类，然后根据最频繁的类在所有类中的百分比计算纯度。如图1B所示，在65个高密度簇中，簇内菌株之间的ST、KL和OCL高度一致，但图1C显示，其分离地点和收集年份有很大差别。

图1 K. pneumoniae核心基因组聚类分析（B、C代表每个簇特征或来源的纯度）

通过添加不同的菌株特征信息可以对该聚类簇的结果做一步分析。

图2展示了优势ST在不同地区的分布情况。正如我们已知的那样，ST258主要分布在北美（71.99%），ST11主要分布在中国（55.08%）。其中ST258的10个聚集簇除了北美以外，1个来自拉丁美洲和加勒比，1个来自欧洲和中亚，1个来自亚太；而ST11除中国以外，部分来源于拉丁美洲和加勒比，或欧洲和中亚，但经常与来自中国的分离株混合在一起。

一般来说，同一菌群中的菌株属于一种KL型，但不同菌群中的菌株也可能属于相同的KL型。在ST258的10个聚集簇中发现了2种KL型（KL106和KL107），在ST11的9个聚集簇中发现了5种不同的KL型（KL15、24、47、64和105）。这些结果表明，随着时间的推移，不同血清型的K. pneumoniae菌株可能从相同的ST菌株进化而来。

图3代表的是聚类簇与CRhv类型之间的关系。碳青霉烯敏感的肺炎克雷伯菌（CSKP）具有较强的遗传多样性，分布在非聚类群体中，而CRKP菌株在聚类和非聚类群体中均有分布，部分聚类群体以CRKP为主。CRKP前5种STs分别为ST258、ST11、ST512、ST147和ST15。且CRKP在所有地区都很普遍（表1）。产生CRKP主要区域的ST是北美的ST258和中国的ST11。然而各地区CRKP菌株携带的碳青霉烯酶基因也存在差异，比如bla_KPC-2普遍分布在拉丁美洲和加勒比地区（83.10%）、中国（78.67%）及北美（53.93%），bla_NDM-1主要存在于亚太地区（除中国；35.96%）和非洲（27.05%）。bla_KPC-3主要存在于北美（38.98%），bla_OXA-232主要存在于亚太地区（除中国；47.21%），bla_OXA-48主要分布在欧洲和中亚（41.31%）和非洲（32.22%）。

共有1955个分离株被确定为hv菌株，这些菌株至少含有以下位点之一（peg-344、iro、iuc、rmp、rmpA2）。其中CRhvKP有1158株，且超过半数分离自中国（52.42%）。CRKP、hvKP和CRhvKP分别于1996、1986和2015年在苏格兰、台北和北京首次报道。而在本研究的基因组数据分析中，CRKP、hvKP和CRhvKP分别出现在1997、1937和2012年。第一个CRKP菌株来源于美国，序列分型为ST111，属于42簇，携带bla_KPC-2基因。最早的两个hvKP分离株出现在荷兰，它们携带rmp2A基因，序列分型为ST82。2012年确定了7个CRhvKP，1个来自阿富汗（ST231；bla_NDM-1），一个来自瑞士（ST48；OXA-48），三个来自俄罗斯（ST23、ST23、ST395；bla_OXA-48)，两个来自中国（ST218、ST15；bla_KPC-2）。

此外，图4的结果显示簇25及簇48-49的菌株可能存在从CS non-hv向CR non-hv的转变，而簇50的菌株可能存在从CS hv向CR hv的转变。

图2 K. pneumoniae核心基因组UMAP图（按地区着色，对ST注释）

图3K. pneumoniae核心基因组UMAP图（按CRhv类型着色，对聚类簇注释）

图4 CR和hv的出现和融合

3、ST11 CRhvKP的稳定传播

ST11（n=653, 56.39%）在CRhvKP中占主导地位。ST11的K. pneumoniae仅占全部分析菌株的11.94%，但占所有CRhvKP分离株的56.39%。

有9个聚集簇被标记为ST11相关，它们分别是簇7、8、9、15、20、24、51、60和65。作者基于这些簇中的ST11菌株构建系统发育树，并观察到两种进化动力学模式。模式A（图右侧）显示，CR基因从簇51转移到其他簇，从欧洲和中亚传播到拉丁美洲和加勒比，以及中国。在模式B（图左侧）中，簇15主要为ST11、KL47、OL101菌株，而簇7、8、9和65主要为ST11、KL64、 O1/O2v1菌株，其中簇7、9和65与CRhvKP密切相关，这说明近年来中国已经形成了可稳定传播的ST11 CRhvKP菌株（簇7、9和65）。

图5 ST11簇中ST11分离株的系统发育树

4、Cluster和CRhv特征性遗传位点鉴定

为评价单个核心基因组等位基因在聚类中的贡献，作者构建了CatBoost模型，以评估cgMLST等位基因与簇数或CRhv类型之间的关联。其目的是确定驱动簇分类的关键特征，并预测与稳定CRhv表型相关的因素。

在CRhv类型分类的等位基因列表中突出了acrR基因位点（KP1_RS06250），发现该基因突变可赋予多重耐药性，包括碳青霉烯耐药性。与大肠杆菌OmpF孔蛋白编码基因同源的ompK35基因（KP1_RS09095）的缺失也可能导致碳青霉烯耐药。hha（KP1_RS06230）基因产物作为溶血素表达的调节因子，参与了大肠埃希菌毒力因子的调节。

文章结论

1、ST11K. pneumoniae有两个主要的进化事件。①获得耐药性决定因素成为CR并从中国传播到世界其他地区；②中国CR菌株进一步获得高毒质粒成为CRhvKP，随后CRhvKP发生克隆扩增。

2、中国已经形成了可稳定传播的ST11 CRhvKP菌株（ST11、KL64、 O1/O2v1）

参考文献

Heng H, Yang X, Ye L, et al. Global genomic profiling of Klebsiella pneumoniae: A spatio-temporal population structure analysis [J]. Int J Antimicrob Agents, 2024, 63(2): 107055.

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