文献解读 | ST15 blaOXA-232肺炎克雷伯菌的全球系统地理学和基因组流行病学研究

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2024-07-22 09:36:28
原创

文章题目：Global Phylogeography and Genomic Epidemiology of Carbapenem-Resistant bla_OXA-232-Carrying Klebsiella pneumoniae Sequence Type 15 Lineage

文章链接：doi: 10.3201/eid2911.230463

发表时间：2023.11

发表期刊：Emerg Infect Dis

IF：7.2

研究背景：中国携带bla_OXA-48样基因的K. pneumoniae流行率在2018-2022年表现为上升趋势。其院内暴发，包括儿科患者，引起了人们对bla_OXA-48样CRKP分离株传播潜力的关注。bla_OXA-232是bla_OXA-48基因的一个变体，具有有限的碳青霉烯酶水解活性，于2011年在法国被首次发现。目前大多数bla_OXA-232基因存在于小而非接合性的ColKP3型质粒上。在中国，已发现携带bla_OXA-232的优势分型ST15介导低水平的碳青霉烯耐药，并且许多与毒力质粒共存。本文就bla_OXA-232-carringK. pneumoniae的传播史、共同祖先、进化率和种群结构展开了研究。

研究对象：bla_OXA-232-carringK. pneumoniae（21个分离株+309株NCBI参考株）

研究方法：药敏检测（AST）、全基因组测序（WGS）、接合转移实验、遗传背景分析、cgMLST、SNP、系统发育分析、贝叶斯分析、clade分组、有效种群大小轨迹分析

主要研究内容及结果：

1、临床和微生物学特征

本研究于2018.8-2022.8从浙江省5家医院的2398位K. pneumoniae感染患者中获得21株bla_OXA-232阳性菌株。这些分离株对碳青霉烯类药物表现为低水平耐药。（Table 1是临床背景信息，Table2是药敏试验检测结果）

2、基因组特征和质粒鉴定

为研究bla_OXA-232-bearing质粒的遗传特性，作者通过Oxford Nanopore MinION平台对分离株KP3295进行了全基因组测序。测序数据显示，KP3295由一条5,329,783 bp的染色体和10个质粒组成，其中bla_OXA-232基因位于ColKP3型质粒pKP3295-5-OXA-232（6141 bp）上。且其他20个菌株的bla_OXA-232基因也被发现由ColKP3型质粒携带，这些质粒大小相当（5,934-6,141 bp）。该质粒仅包含9个开放阅读框（ORF）：repA、mobA、mobB、mobC、mobD、ΔISEcp1、bla_OXA-232、ΔlysR和ΔereA（图1）。接合转移实验显示，该质粒无法转移到大肠埃希菌EC600中，这与其主链结构缺乏完整的接合转移元件是一致的。

与NCBI nucleotide数据库中102个bla_OXA-232-carring质粒的遗传环境对比分析表明，本研究的ColKP3型质粒与首次发现bla_OXA-232的大肠埃希菌质粒pOXA-232具有100%的覆盖率和100%的相似性。且当转座元件ISEcp1或Tn1000携带bla_OXA-232时，该6.1 kb质粒可以整合到更大的质粒中。

此外，这21株CRKP分离株还携带以下几种毒力决定因素，耶尔森菌素（ybt）、气杆菌素（iuc）和高粘液性（rmpA2）。所有菌株均为ybST277型，携带ybt16。除KP232、KP306和KP77外，其余分离株均为AbST1型（iuc1）。且这些基因都位于KP3295的IncFIB/ IncHI1b型质粒pKP3295-1（177,848 bp）上，与经典毒力质粒pLVPK具有91%的覆盖度和99%的相似性（图2B）。

图1bla_OXA-232-carring质粒的遗传环境对比分析

图2 KP3295bla_OXA-232-carring质粒（A）和毒力质粒（B）的比较基因组圈图

3、ST15谱系的出现与分化

作者利用cgMLST分析研究了2,118株ST15肺炎克雷伯菌的全球系统发育，并以20个等位基因为界，来确定克隆关系。结果显示，中国、美国、爱尔兰和英国是ST15患病率最高的国家，且许多国家之间存在高度同源的菌株（图3）。此外，这些ST15菌株的碳青霉烯耐药基因主要包括bla_KPC-2（19.07%）、bla_OXA-232（15.58%）和bla_NDM-1（10.57%）。

本研究的21个CRKP都被鉴定为ST15。作者将其与NCBI的309株ST15bla_OXA-232-carring K. pneumoniae进行了系统发育分析，这些菌株来自于10个不同的国家。通过cgSNP评估它们的克隆亲缘性发现ST15 bla_OXA-232-carringK. pneumoniae分离株的平均距离为29（range 0-208）个SNP。贝叶斯分层聚类法将ST15分离株分为I和II两个聚类，结果分别与中国及其他国家紧密对应。根据SNP distance≤20，将聚类I进一步划分为clade 1-4。来自浙江杭州的clade1的SNP distance为0~14，clade2的SNP distance为0 ~ 20。clade3主要来自上海，SNP distance为0 ~ 18个。来自浙江杭州和台州的clade4显示出0 ~ 17个SNP distance。来自其他9个国家的菌株主要分布在II类（clade5），SNP distance为0 ~ 202。

有效种群大小轨迹分析显示，clade1自2020年出现以来一直稳步上升；clade2和clade3分别从2017年和2016年开始出现强劲的种群增长；clade4出现后种群数量急剧下降，后趋于稳定，近年来有所增加；clade5出现得更早，但其数量在2014年开始减少。预计未来clade2和clade3将主导ST15 bla_OXA-232-carringK. pneumoniae的全球分布。

图3 ST15 bla_OXA-232-carringK. pneumoniae的cgMLST最小生成树

图4 ST15 bla_OXA-232-carring K. pneumoniae的系统发育分析（A.基于330个菌株重组过滤核心基因组、耐药基因、毒力基因的时间校准最大clade可信度贝叶斯系统发育；B.基于种群结构的ST15菌株有效种群大小）

4、21世纪ST15流行病谱系的跨洲传播

ST15谱系可能起源于美国（图5），之后其克隆被引入其他大陆，包括欧洲、亚洲和大洋洲。目前ST15在中国最为常见（93.33%，308/330）。且中国的流行克隆传播与来自美国（2011-2013年）、尼泊尔（2015年）和英国（2020年）的输入有关。其他全球传播事件起源于中国，并到达美国、欧洲和澳大利亚。

图5 bla_OXA-232-carringK. pneumoniae的时空传播轨迹图

文章结论

1、bla_OXA-232基因可以通过转座元件ISEcp1整合到IncF-、IncHI1B-和IncFII型质粒上。

2、ColKP3型微质粒可以整合在更大质粒上，表明尽管ColKP3不能自主传播，但它可能在自传质粒的帮助下被动员。

2、ST15 bla_OXA-232-carringK. pneumoniae在全球范围内特别是中国发生克隆传播。

3、ST15 bla_OXA-232-carringK. pneumoniae最早可能起源于美国。

参考文献

Wu Y, Jiang T, He X, et al. Global Phylogeography and Genomic Epidemiology of Carbapenem-Resistant bla_OXA-232–Carrying Klebsiella pneumoniae Sequence Type 15 Lineage [J]. Emerging Infectious Diseases, 2023, 29(11).

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