一株猪源多重耐药ST37型肺炎克雷伯菌全基因组测序与比较基因组学分析

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肺炎克雷伯菌(Klebsiella Pneumoniae)是与获得性感染相关的条件致病菌,被世界卫生组织(WHO)列为急需研发新抗生素的耐药致病菌。在兽医临床领域,肺炎克雷伯菌可以引起猪发病,已成为规模化猪场重要病原菌之一,其对猪场造成的危害不容忽视。现阶段,研究者主要探究猪源肺炎克雷伯菌的耐药性,但针对猪源ST37型(Sequencetype,ST)肺炎克雷伯菌进化关系及耐药、毒力基因的报道较少。本研究的目的是了解猪源ST37型肺炎克雷伯菌的遗传进化关系、耐药和毒力基因的分布情况以及所携带质粒的结构特点,从而对养殖场防御和治疗由肺炎克雷伯菌引起的疾病起到指导作用。因此,本研究对1株分离自广东省某养殖场腹泻猪的肝脏的多重耐药肺炎克雷伯菌KP200进行全基因组测序,获得该菌株的全基因组序列,并与GenBank中160株ST37型肺炎克雷伯菌进行比较基因组分析;另一方面,将从该菌株中识别到的两个质粒与质粒数据库(Plasmid Database,PLSDB)已有的质粒序列进行对比分析,明确了这两个质粒的结构特点,从分子水平研究移动元件形成的原因。结果如下:1、菌株KP200的环状染色体全长为5 257 665 bp,GC含量为57.55%,可编码5 106个基因;KP200携带两条大小分别为213 254 bp和75 320 bp的环状质粒。质粒1可编码290个基因,包括氨基糖苷类耐药基因aadA2,aadA5,armA,aph(3’)-Ia和aphA1-1;磺胺类耐药基因sul1和dfrA1;季铵盐化合物耐药基因qacEΔ1。质粒2可编码107个基因,包括四环素类耐药基因tetA;氨基糖苷类耐药基因aadA16;氟苯尼考耐药基因floR,β-内酰胺类耐药基因blaCTX-M-27;磺胺类耐药基因sul1和dfrA27;喹诺酮类耐药基因qnrB2和aac(6’)-Ib-cr,季铵盐化合物耐药基因qacEΔ1;利福平耐药基因arr-6。2、多位点序列分型(Multilocus sequence typing,MLST)结果表明,菌株KP200为ST37型。161株ST37型肺炎克雷伯菌单拷贝基因进化分析表明,KP200与5株人源肺炎克雷伯菌亲缘关系较高,且它们携带的毒力基因分布情况具有高度的相似性,说明毒力基因的分布与遗传进化表现出一定的相关性。通过对全基因组耐药和毒力基因进行预测,161株菌都携带耐药基因(kpnE、lptD1、blaSHV)以及毒力基因(1型菌毛基因fimACFGI,3型菌毛基因mrkDCHJ,肠杆菌素基因entABCEF和fepABC,荚膜合成调节基因rcsAB)。KP200与其他15株肺炎克雷伯菌携带气杆菌素转运基因iutA,且这些iutA基因序列间核苷酸相似性为73.49%~100%。与高毒力肺炎克雷伯菌NTUH-K2044携带的iutA核苷酸序列比较,结果发现KP200携带的iutA核苷酸序列中两个碱基突变,导致两个氨基酸替换:即亮氨酸替换成苯丙氨酸,缬氨酸替换成亮氨酸。通过细菌Ⅵ型分泌系统(Type Ⅵ Secretion System,T6SS)分析发现,KP200同时携带两个T6SS基因簇,相关同源调控蛋白TfoX和QstR以及自然感受态蛋白ComEA和ComEC。同时携带T6SS和自然感受态蛋白ComEA和ComEC的肺炎克雷伯菌具有细菌杀伤作用和吸收外源DNA的能力。通过整合和结合元件(Integrative Conjugative Elements,ICE)分析发现,KP200携带的整合和结合元件ICEL1与肺炎克雷伯菌HS11286携带的新型整合和结合元件ICEKpnHS 11286-2具有100%相似性,新型整合和结合元件ICEKpnHS11286-2携带具有水平转移能力的tfc类型基因。3、通过KP200携带的两个质粒pYhe2001和pYhe2002结构对比分析发现,两个质粒的基因序列都包含小质粒序列且都携带1类整合子,而整合子具有耐药基因捕获和传播的能力。质粒pYhe2001为新型IncHI1B质粒,其携带四种类型的重金属抗性基因(碲ter,汞mer,银sil和铜cop)和一个新型转座子Tn6897。转座子Tn6897携带多个IS26,IS26对于介导同源重组起到重要的作用。局部序列排比检索基本工具(Basic local alignment search tool,BLAST)比较结果显示质粒pYhe2002的骨架与另一株中国河南猪源肺炎克雷伯菌携带的质粒p19110124-2高度相似,同样携带耐药基因tetA,floR,blaCTX-M-27,sul1,qnrB2,qacEΔ1,aadA16,dfrA27,arr-6 和aac(6’)-Ib-cr,推测耐药基因通过质粒在不同肺炎克雷伯菌株中进行传播。4、电转化实验和自然转化实验结果表明,KP200携带的质粒分别以10-8cfu/μg DNA和10-11cfu/μg DNA的转化率成功转移进大肠杆菌DH5α。自然转化实验表明,KP200携带的质粒以10-12cfu/μg DNA的转化率成功转移进金黄色葡萄球菌RN4220。同时氯霉素、苯唑西林、氨苄西林、环丙沙星、庆大霉素、链霉素、卡那霉素和阿米卡星对转化子的最低抑菌浓度(Minimal Inhibitory Concentration,MIC)较受体菌均明显升高,证明质粒具有介导菌株KP200对氯霉素类,β-内酰胺类,喹诺酮类和氨基糖苷类抗生素耐药的能力。
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