Anwendung der vollständigen Plasmidsequenzierung bei Arzneimittelresistenzgenen von Klebsiella pneumoniae

Erhalten Sie die gesamte Genomsequenz des Plasmids durch Hochdurchsatzsequenzierung, um alle Gene im Genom vorherzusagen und zu annotieren sowie Gene zu finden, die mit Phänotypen in Zusammenhang stehen, wie z. B. Arzneimittelresistenzgene, Schwermetallresistenzgene und Gene zur Umweltanpassung. Das durch die Forschung zu Arzneimittelresistenzgenen nachgewiesene "Kandidaten"-Arzneimittelresistenzgen zeigt in dem heterologen Wirt Resistenz, kann jedoch nicht beweisen, dass das Gen auch in seinem natürlichen Reservoir Resistenz aufweist; Andererseits können diese arzneimittelresistenten Gene in Form von Plasmiden horizontal zwischen verschiedenen Bakterien übertragen werden, was zu einer Kontamination von arzneimittelresistenten Genen führen kann. Whole Plasmid-Sequenzierungstechnologie kann "Kandidaten"-Gene für Arzneimittelresistenz herausfiltern und annotieren, was in Kombination mit funktionalen Verifizierungsversuchen zur Arzneimittelresistenz uns helfen kann, den Mechanismus der Arzneimittelresistenz so schnell wie möglich zu finden und entsprechende Gegenmaßnahmen zu ergreifen.

Plasmid-Ganzgenom-Sequenzierung zur Analyse von Arzneimittelresistenzmechanismen

Klebsiella pneumoniae ist eine der Hauptursachen für im Krankenhaus und in der Gemeinschaft erworbene Infektionen, die sich als Pneumonie, Harnwegsinfektionen, Sepsis und Abszesse manifestieren. In den letzten Jahren hat sich die rasche Verbreitung von carbapenem-resistenten K. pneumoniae (CRKP), ein kritischer Prioritätserreger, der von der WHO aufgeführt wird und aufgrund der hohen Morbidität und Mortalität zu einer globalen Bedrohung für die menschliche Gesundheit geworden ist. Forscher untersuchten die epidemiologischen Merkmale von Resistenzen und Virulenzfaktoren von carbapenem-resistenten Klebsiella pneumoniae (CRKP), das bei pädiatrischen Patienten in Shanghai isoliert wurde. Durch Hochdurchsatz-Sequenzierung wurde festgestellt, dass das Isolat ein 5508387 bp großes ringförmiges Chromosom und zwei Plasmide pNDM-IMP-1 (347317 bp) und pNDM-IMP-2 (144371 bp) aufweist. Der Stamm wurde durch MLST und Kaptive-Typisierung als ST3936 und KL30 identifiziert. Darüber hinaus trägt der Stamm mehrere Resistenzgene, wie Aminoglykoside, Fluorchinolone, Carbapeneme und andere β-Laktam-Arzneimittel. Die Carbapenemase-codierenden Gene blaNDM-1 (2 Kopien) und blaIMP-4 befinden sich ko-lokal auf dem Plasmid pNDM-IMP-1, das ein 347,3 kb großes nicht klassifizierbares Plasmid ist und die meisten Resistenzgene außer oqxAB und blaLEN17 enthält. Der Vergleich und die Analyse der Chromosomen von SHET-01 und Klebsiella mutabilis DX120E ergaben, dass ihr genomischer Inhalt hochgradig ähnlich war, was bestätigt, dass SHET-01 zu Klebsiella mutabilis gehört. Die vergleichende genomische Analyse ergab, dass pNDM-IMP-1 und pKP1814-1 ähnliche Plasmidskelette aufweisen und hochkonservierte plasmidfunktionale Gene (wie das Replikongens repA und das Stabilitätsgen telB-stabD usw.), Gene für den Konjugationstransfer, Insertionselemente, Arzneimittelresistenzdeterminanten (wie blaIMP-4 und blaSFO) und andere funktionale Basen enthalten. Dies ist der erste Bericht über die kommunistischen IMP-4- und NDM-1-Carbapenemasen in hochviskoser Klebsiella pneumoniae. Das multiresistente hybride Plasmid pNDM-IMP-1 könnte von Klebsiella pneumoniae stammen, und das ISCR1-Element könnte zur Aggregation von blaNDM-1 und blaIMP-4 in diesem Plasmid von Klebsiella pneumoniae-Stämmen beitragen. Eine langfristige Überwachung dieser Stämme kann deren Ausbruch und Übertragung effektiv verhindern.

Vergleichende genomische Analyse von Plasmid- und genetischer Struktur

Plasmid-Genom-Kreisdiagramm und genetischer Hintergrundplan der Plasmidstruktur

Whole-Genome-Sequenzierung zur Identifizierung von Superplasmiden

Das Auftreten von carbapenem-resistenten HvKP (CR HvKP) und ESBL-produzierenden HvKP-Stämmen ist hauptsächlich auf den gleichzeitigen Erwerb von hoher Virulenz und multiresistenten (MDR) Genen (insbesondere ESBL und Carbapenemase) zurückzuführen, die hauptsächlich durch Plasmide vermittelt werden. In früheren Berichten waren Virulenz- und Antibiotikaresistenzgene meist auf verschiedenen Plasmiden lokalisiert, aber in den letzten Jahren wurden auch Plasmide berichtet, die sowohl Virulenz- als auch MDR-Gene enthalten. Das Auftreten dieses Plasmids beschleunigt die synchrone Übertragung von hoher Virulenz und MDR-Genen und hat gravierendere Auswirkungen auf die öffentliche Gesundheit. Durch die Analyse von 239 Stämmen von blutstrominfizierten Lungentuberkulose-Patienten identifizierten wir einen klinischen Stamm ST11-K64 CR-HvKP, der ein "Superplasmid" trägt, und enthüllten detailliert seine genomische Struktur und phänotypischen Eigenschaften. Üblicherweise weist es die folgenden Merkmale auf: (1) ein einzelnes Plasmid, das Hypervirulenz- und MDR-Gene gemeinsam beherbergt, (2) ein Plasmid, das vollständige konjugative Elemente enthält, die die Selbstübertragbarkeit garantieren, (4) ein Plasmid, das stabil und konserviert ist, und (3) ein Plasmid, das keine Fitnesskosten für den Wirtsstamm verursacht. Dieses selbstübertragbare Superplasmid, das gleichzeitig Hypervirulenz- und MDR-Gene trägt, erhöht erheblich die Herausforderungen für die klinische Prävention und Kontrolle sowie die Behandlung von Infektionen. Daher ist eine aktive Überwachung dieses Typs von Superplasmid erforderlich, um zu verhindern, dass diese effizienten Resistenz-/Virulenzplasmide in Krankenhausumgebungen verbreitet werden.

Virulenzphänotyp des CR-HvKP-Stamms SZS128 und Merkmale des Superplasmids pSZS1280-Hv-MDR

Die Antibiotikaresistenz ist eine große Bedrohung für die öffentliche Gesundheit. Die Überwachung und das Verständnis der Prävalenz, der Mechanismen und der Verbreitung von Antibiotikaresistenz stehen im Mittelpunkt der individuellen Patientenversorgung und der allgemeinen Strategien zur Infektionskontrolle. Die vollständige Plasmidsequenzierung hat unsere Fähigkeit erweitert, arzneimittelresistente Gene zu erkennen in Klebsiella pneumoniae,was zur Entwicklung personalisierter Behandlungspläne beiträgt und die zukünftige Nutzung von konventioneller sequenzbasierter personalisierter Medizin erleichtert. Dies wird auch die Überwachung von Antibiotikaresistenzen vereinfachen.

Referenzen:

1. Wang, Bingjie u. a."Genetische Merkmale und mikrobiologisches Profil von hypermukoviskosen multiresistenten Klebsiella variicola, die IMP-4 und NDM-1 Carbapenemasen co-produzieren." Mikrobiologie-Spektrum Band10,1 (2022): e0158121.
2. Jia, Xinmiao u. a."Das Auftreten eines Superplasmids, das Hypervirulenz- und Multidrug-Resistenzgene in Klebsiella pneumoniae beherbergt, stellt neue Herausforderungen für die öffentliche Gesundheit dar." Mikrobiologie-Spektrum Bd.10,6 (2022): e0263422.