文献速览 | 国内ST463型KPC-PA的快速扩张及其相关质粒的进化历程

文章题目：Decadal Evolution of KPC-related plasmids in Pseudomonas aeruginosa high-risk clone ST463 in Zhejiang, China

文章链接：doi: 10.1038/s42003-024-07337-5

发表时间：2024.12

期刊：Communications biology

影响因子：5.2

概述

本研究探讨了我国浙江省高风险克隆株ST463的铜绿假单胞菌中KPC相关质粒的十年演变过程。作者在2011年至2020年间收集了1258株临床分离的铜绿假单胞菌，全基因组测序显示，ST463克隆株的KPC阳性率为90.6%。进一步研究发现，ST463克隆株早期通过获取KPC编码的II型（pT2-KPC）或I型质粒（pT1-KPC）应对碳青霉烯类抗生素压力。2012年至2017年间，由于pT1-KPC质粒的适应性成本较低且具有IS26驱动的blaKPC基因扩增能力，该质粒成为主导。到2017年至2020年，pT1-KPC质粒发生大片段缺失，形成了pT1 del-KPC质粒，其适应性成本更低，blaKPC-2基因稳定性增强，拷贝数灵活性提高，同时保持水平传播能力。最终，pT1 del-KPC质粒使得ST463成为我国的主要克隆株。研究强调了驱动ST463克隆株优势的进化压力，并提出了针对其传播和抗生素耐药性发展的控制策略。

主要内容

1、国内外ST463-PA的KPC质粒特征和差异研究对象：截止2024.8.27，NCBI数据库包含的580株ST463-PA，其中中国有（463/580）株、美国有（105/580）株。

• 中国的KPC质粒特征：

主要存在两种类型的KPC相关质粒（446/463）：type I 和 type II，大多数携带KPC基因（433/463）。且部分菌株同时携带这两种质粒。

• 国外的KPC质粒特征：

质粒类型多样化，包括type I、type II、type III、type IV和type V。

国外的ST463克隆分布较少，且大多不携带KPC基因。

2、ST463型分离株的基因组特征

本研究筛选获得106个ST463分离株，其中属于CRPA的有（102/839）个，属于非CRPA的有（4/419）个。

趋势：从2015年开始，CRPA中ST463分离株的检出率随时间显著增加（图2a）。

群体特征：ST463分离株主要携带type I质粒、blaKPC-2亚型基因（图2b)。

遗传背景：

• type I、type II质粒共携带菌株：blaKPC-2基因位于IS6100-related structure中（IS6100-ISKpn27-blaKPC-2-ΔISKpn6-korC-klcA Tn1403；

• 仅携带type I质粒的菌株：blaKPC-2基因位于I型质粒或染色体上，被多拷贝的IS26包围（IS26-ISKpn27-blaKPC2-ΔISKpn6-korC-klcA-IS26）（图2c)。

两者的基本结构相似，但侧翼的插入序列不同。

进化特征：type I质粒普遍存在两个大片段的缺失。

• 缺失片段一由编码DNA甲基转移酶、转录调节因子和假定蛋白的基因组成。

• 缺失片段二由编码IV型分泌系统（T4SS）VirB蛋白和转录调控因子的基因组成。

推测：I型质粒的片段缺失可能为克隆ST463提供了进化优势。

图2 106个ST463-PA分离株的基因组特征

(a). I型质粒覆盖率（红点）,ST463的CRPA流行率（蓝线）；

(b). ST463-PA分离株的核心基因组系统发育树；

(c). I型、II型质粒的典型blaKPC-2遗传背景比较；

(d). 质粒重叠群比对

3、ST463 P. aeruginosa的KPC质粒演化历程

• 第一阶段 (2011-2012)：

ST463菌株通过获得编码KPC的type I质粒 (pT1-KPC) 或type II质粒 (pT2-KPC) 来克服碳青霉烯类药物的压力。

• 第二阶段 (2012-2017)：

由于pT1-KPC质粒比pT2-KPC质粒具有更低的适应性成本和IS26驱动的blaKPC扩增能力，pT1-KPC质粒在ST463 CRPA菌株中占主导地位。

• 第三阶段 (2017-2020)：

pT1-KPC质粒中发生大片段的缺失，形成pT1 del-KPC质粒。这种质粒具有更低的适应性成本，增强了blaKPC-2基因的稳定性，并具有更大的拷贝数灵活性，同时保持了水平传播能力。最终，pT1 del-KPC质粒取代了pT1-KPC质粒，成为ST463菌株中的主导质粒，使ST463成为中国的主导ST。

演化过程的关键因素：

pT1 del-KPC质粒相较于pT1-KPC质粒具有更低的适应性成本，更高的blaKPC-2基因稳定性以及拷贝数灵活性。且pT1 del-KPC质粒虽然失去了自主转移能力，但可以在pT1或pT1-KPC质粒的帮助下进行水平传播。

图3 ST463-PA菌株的KPC相关质粒演化进程

总结

本研究分析了ST463-PA的各种代表性质粒模式，并提出了KPC相关质粒的多阶段进化轨迹，证明了原始type I质粒相对于type II质粒的适应性和竞争优势，并说明了type I质粒由于大片段丢失而获得的进一步进化优势。总体而言，这些数据突出了ST463-PA的质粒动力学，加深了对其在中国兴起和流行的理解。

参考文献

Li Y, Yang Q, Chen M, et al. Decadal Evolution of KPC-related plasmids in Pseudomonas aeruginosa high-risk clone ST463 in Zhejiang, China [J]. Communications Biology, 2024, 7(1).