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克雷伯氏菌属(Klebsiella)细菌比较基因组学分析揭示多复制子抗性质粒介导广泛的抗性基因传播

微生物学报 2021年第9期61卷 2854-2868页

作者：王雪赵佳男刘智慧张立敏常晗秦姣朱云芸胡国成胡诗佳阳建春贾仲昕李俊保鞠厚斌王承民季芳秦建华河北农业大学动物医学院河北保定071001 广东省科学院动物研究所广东省动物保护与资源利用重点实验室广东省野生动物保护与利用公共实验室广东广州510260 联勤保障部队北戴河康复疗养中心河北秦皇岛066100 中国科学院动物研究所北京100101 北京动物园圈养野生动物技术北京市重点实验室北京100044 生态环境部华南环境科学研究所广东广州510530 郑州市动物园河南郑州450008 上海市动物疫病预防控制中心上海200336

【目的】研究克雷伯氏菌与多复制子抗性质粒间的关系,分析细菌携带多复制子质粒对抗生素环境的响应机制。【方法】以2018-2020年分离的56株不同来源克雷伯氏菌(Klebsiella sp.)分离株为研究对象,利用微量肉汤稀释法评估其多重耐药表型,... 详细信息

【目的】研究克雷伯氏菌与多复制子抗性质粒间的关系,分析细菌携带多复制子质粒对抗生素环境的响应机制。【方法】以2018-2020年分离的56株不同来源克雷伯氏菌(Klebsiella sp.)分离株为研究对象,利用微量肉汤稀释法评估其多重耐药表型,对分离菌株进行全基因组测序(WGS),通过细菌全基因组关联分析(BGWAS)技术和比较基因组学方法深入解析多复制子抗性质粒形成的机制。【结果】耐药表型分析发现野生动物来源的菌株具有更广的耐药谱系,总体Klebsiella sp.对氨苄西林表现出很高的耐药率(80.36%),尤其是马来穿山甲来源菌株对头孢类抗生素高度耐受,同时对氯霉素、左氧氟沙星和复方新诺明等药物耐受,基因组分析发现这些菌株携带了抗性质粒和更多的抗生素抗性基因。进一步对69个质粒序列分析,发现有28个质粒为多复制子质粒,主要携带bla_(CTX-M-15)、bla_(CTX-M-14)、bla_(CTX-M-55)、bla_(OXA-1)和bla_(TEM-1)等β-内酰胺酶基因。细菌携带质粒类型分析认为Klebsiella pneumoniae可能是多复制子质粒的重要宿主,质粒骨架与结构分析发现多复制子质粒多由2个或2个以上单个质粒融合而成,携带此类质粒的菌株不仅获得了更广的耐药表型,而且在全球传播扩散分布逐年增加,因此产生对抗生素环境更强的适应性。【结论】多重耐药性细菌呈现的表型与携带的多复制子质粒有关,相比较下多复制子质粒比非多复制子质粒有更强的抗性基因携带能力,或许是细菌在强大的抗生素压力下产生的重要响应机制。本研究对于未来探索细菌抗性基因的传播扩散机制具有重要意义。

关键词：多复制子质粒克雷伯氏菌抗生素抗性基因比较基因组学分析

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不同来源革兰氏阴性菌耐药基因的全基因组关联分析

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作者：王雪河北农业大学

学位级别：硕士

畜禽养殖业中抗生素的过度滥用,导致大部分药物以次级代谢产物或原体形式随粪便或尿液排如环境中,人类和圈养畜禽生活环境周边的农田、水源受到严重影响,环境中抗生素含量水平显著升高,加快环境中耐药性微生物产生速度。细菌耐药性基因... 详细信息

畜禽养殖业中抗生素的过度滥用,导致大部分药物以次级代谢产物或原体形式随粪便或尿液排如环境中,人类和圈养畜禽生活环境周边的农田、水源受到严重影响,环境中抗生素含量水平显著升高,加快环境中耐药性微生物产生速度。细菌耐药性基因和耐药菌株可通过动物、人类和环境进行广泛传播和扩散,对全球公共卫生构成严重威胁。世界卫生组织将耐受碳青霉烯类、产超广谱β-内酰胺酶的鲍曼不动杆菌、肠杆菌科菌株列为Ⅰ类重点。目前针对多重耐药性革兰氏阴性细菌扩散传播机制的研究主要集中于人类临床和圈养畜禽,野生动物源性携带耐药性细菌可能引发的公共卫生安全风险极易被忽视,野生动物在多重耐药革兰氏阴性菌流行病学中如何发挥作用知之甚少。因此,我们针对以野生动物和人类为宿主的多来源革兰氏阴性菌为研究对象,开展耐药表型和细菌全基因组关联分析(BGWAS)研究,系统分析多重耐药性革兰氏阴性菌耐药基因遗传演化机制及流行的生态学机制,对于阐明耐药基因和耐药菌株的传播扩散具有重要意义。本研究从五十七种不同物种来源新鲜粪便样本中,分离和鉴定了肠杆菌科和不动杆菌属的215株细菌。基于药敏试验结果,选择81株革兰氏阴性菌用于全基因组测序和全基因组关联分析。77株肠杆菌科菌株中,80.36%(45/56)的Klebsiella sp.、84.62%(11/13)的Proteus sp.、100%(5/5)的***以及Morganella morganii、Citrobacter werkmanii 和Serratia marcescens(各 1 株)均表现对氨苄西林的高度耐受,同时大部分菌株也对头孢菌素、磺胺甲恶唑/甲氧苄啶、环丙沙星具有较强的耐药性。研究表明 ***、***、***、Citrobacter werkmanii、Morganella morganii和Acinetobacterbaumannii分离株的基因组DNA上主要携带超广谱β-内酰胺酶基因,部分Proteus sp.染色体组上携带金属β-内酰胺酶基因blaNDM-1。同时也发现磺胺类、氟喹诺酮类、四环素类和甲氧苄啶耐药基因在所有菌株染色体组和质粒上广泛分布。进一步研究证实,菌株染色体组或质粒上存在大量与基因移动相关的插入序列、转座子和整合子结构,共同介导耐药性转移。当菌株携带耐药质粒时,耐药表型多由耐药质粒赋予,但菌株未携带耐药质粒时,菌株染色体组携带的耐药基因与耐药表型的联系更为密切。针对郑州动物园赤袋鼠样本分离株*** M297-1的研究工作则证实,ST290型***分离株M297-1染色体组Chr-M297-1、IncFIB/IncFII型多复制子质粒pM297-1.1、IncFII/IncQ1型多复制子质粒pM297-1.2携带多种耐药基因,并与可移动元件结构相关联,共同促进耐药基因在细菌间的扩散。质粒接合试验证实,质粒pM297-1.1、pM297-1.2能够介导M297-1与大肠杆菌J53 AZr发生接合转移作用,促使耐药基因传播。以56株Klebsiella sp.分离株为主要研究对象,系统分析细菌的抗生素抗性表型与宿主Klebsiella sp.携带的多复制子质粒之间的内在关系。结果表明,多复制子质粒具备比非多复制子质粒更强的耐药基因携带能力,能够赋予菌株多重耐药表型。进一步对28个多复制子质粒分析,发现其对宿主菌株序列类型(ST)无明显偏好性,但分析证实***可能是多复制子质粒的最佳适应性宿主。综上所述,本研究中发现携带多复制子质粒的菌株多来源于野生动物样本,暗示野生动物的栖息地可能受到抗生素的污染,野生动物将成为多重耐药菌与多复制子耐药质粒的重要保藏宿主,携带多复制子质粒的野生动物宿主菌具备更强的传播优势,对于东南亚地区耐药性细菌传播可能会发挥重要作用。

关键词：革兰氏阴性菌抗生素耐药基因多复制子质粒细菌全基因组关联分析

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