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

看不见的线
659
2024-07-22 09:10:50
原创

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、bla_NDM-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IncF_repB(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IncF_repB(R1701)质粒。

接合实验显示，只有携带tmexCD2-toprJ2的IncF_repB(R1701)质粒成功转移到受体菌株。tmexCD2-toprJ2和bla_KPC-2在IncF_repB(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+bla_KPC-2携带的接合性质粒传播

pKP19-3088-159k的产生可能是在IncF_repB(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bla_KPC-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bla_KPC-2共携带的IncF_repB(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bla_NDM-1基因，橙点表示bla_KPC-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bla_KPC-2共携带的IncF_repB(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.

推荐课程

【课程】微生物比较基因组精品系列课——全套自学必入的系统课程

课程链接：微生物比较基因组精品系列课【全套】

【课程】铜绿假单胞菌基因组研究和分子分型实战

课程链接：铜绿假单胞菌基因组研究和分子分型实战

【课程】微生物比较基因组与群体进化——基因组变异专题研究

课程链接：微生物比较基因组与群体进化

【课程】微生物分子分型-MLST课程——分型全套（含理论、软件、方法）

课程链接：微生物分子分型-MLST课程

【课程】基因组结构分析神器Easyfig实操精品课

课程链接：基因组结构分析神器Easyfig实操精品课

【课程】BRIG绘图——结构比较专题2