文献解读 | 自然环境中mcr-1阳性的黏菌素耐药大肠埃希菌的基因组流行病学及传播特征

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2024-06-03 17:37:07
原创

文章题目：Genomic epidemiology and transmission characteristics of mcr1-positive colistin-resistant Escherichia coli strains circulating at natural environment

文章链接：doi: 10.1016/j.scitotenv.2023.163600

发表时间：2023.7

发表期刊：Sci Total Environ

IF：9.8

研究背景：黏菌素耐药机制大致可分为mcr非依赖性和mcr依赖性两类。与铜绿假单胞菌和肺炎克雷伯菌相比，大肠埃希菌的黏菌素耐药很少是由染色体突变引起的，因为这些突变可能会带来适应性成本。在10种不同的mcr亚型中，mcr-1在大肠埃希菌中最为常见。基于mcr-1多样化的遗传机制，mcr-1的高流行率将给临床和环境带来进一步风险。

研究对象：养殖场来源的MCR-positive Escherichia coli（MCRPEC）

研究方法：PCR、药敏检测（AST）、S1-PFGE、Southern blotting、conjugational transfer、MLST、cgMLST、cgSNP、系统发育树、最小生成树、比较基因簇

主要研究内容及结果：

1、MCRPEC分离株的样本来源和分析流程

本研究在2019年5月，从浙江省嘉兴市的6家养殖场采集了976份样本（图1），包括12份养殖场人员的粪便、769份动物粪便、55份家庭环境样本和140份养殖场环境样本，总计分离1116株黏菌素耐药菌株（MIC≥2mg/L），其中96株为mcr阳性（8.6%，96/ 1116），且均为mcr-1，93株来自E.coli。

图1样本来源养殖场的地理位置（右图橙色、浅蓝色和深蓝分别代表牛场、羊场和猪场）

图2研究内容示例图

2、MCRPEC耐药表型及耐药基因

93株MCRPEC的耐药情况如图所示，主要表现对黏菌素、氯霉素和环丙沙星的耐药性。共检测到45种ARGs，tet(A)（79.6%）、msrE（77.8%）、formA（100.0%）、mdf (A)（100.0%）、mcr-1（100.0%）等携带数量最多。此外，动物、农场环境和家庭环境菌株的ARGs分布无明显差异（P > 0.05）。

图3 A.MIC统计；B.ARGs热图；C.不同来源的菌株ARGs数量差异

3、MCRPEC的分子分型和系统发育分析

93株MCRPEC菌株包含31种ST分型，其中ST10数量最多（15.1%，14/93），其次是ST48（14.0%，13/93），它们都属于ST10复合体（STc10，45.2%，42/93），这说明STc10在该地区的食用动物和环境中分布广泛。此外，不同来源的MCRPEC菌株具有不同的ST分型，比如来自土壤的MCRPEC更具多样性，而其他来源的MCRPEC没有明显流行的ST。

系统发育树将93个MCRPEC分为三个分支（clade I、II、III），其中clade II和III的菌株较多，并在来源上呈现混杂性，STc10菌株在clade III中占主导地位。cgMLST分析鉴定了3286个核心基因，其中差异≤10个等位基因的菌株被认为发生了克隆传播，因此作者观察到15个不同的克隆传播事件，包括同一养殖场中动物与环境之间的传播，以及不同养殖场之间的传播。

图4 A.基于核心基因组的最大似然系统发育树；B.基于cgMLST等位基因构建的最小生成树

4、MCRPEC高度多样化的mcr-1遗传环境

S1-PFGE和Southern blotting杂交显示，60株MCRPEC的mcr-1基因位于不同大小的质粒上，而其余菌株的mcr-1基因则位于染色体上。这些质粒的大小在~ 20 kb到~ 170 kb不等。且接合转移实验发现超过三分之二的菌株能够将mcr-1基因转移到E.coli 600中（68.3%，41/60）。

更重要的是，这些MCRPEC菌株mcr-1侧翼区域的遗传背景显示出高度的多样性，总体可分为15类。且以M型为主（21），其次是F型（15）、A型（12）和L型（12）。4个养殖场均检测到M型遗传背景的菌株。最常见的序列结构是traL-mcr-1-ymoA-topB-yhcR-xerC（35.5%，33/93）。

图5 MCRPEC分离株的mcr-1遗传环境

文章结论

养殖场土壤中MCRPEC的存在可能是一个严重的公共卫生问题（40.7%的养殖场环境样品存在MCRPEC菌株，其中土壤样品占其中的98.2%）

染色体携带的mcr-1基因需要高度关注，因为它可能长期稳定的存在，其所介导的抗生素耐药性可能比质粒要严重得多（本研究33.3% MCRPEC的mcr-1基因由染色体携带）

克隆传递和质粒接合是质粒介导mcr-1扩增的主要途径，而移动元件（MGE）介导的水平基因转移是mcr-1染色体获得的主要途径。

图6本研究不同来源的MCRPEC菌株可能的传播模式

参考文献

Hu X, Chen Y, Xu H, et al. Genomic epidemiology and transmission characteristics of mcr1-positive colistin-resistant Escherichia coli strains circulating at natural environment [J]. Science of The Total Environment, 2023, 882.

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