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整合多种基因组技术调查耐碳青霉烯类肠杆菌科细菌的爆发

来源:admin    发布时间:2020-07-20   阅读数:193

本周带来Nature communication上的一篇佳作,研究通过整合多种基因组技术调查,耐碳青霉烯类肠杆菌科细菌爆发的源头,跟着图文一起鉴赏佳作吧!

Integrating multiple genomic technologies to investigate an outbreak of carbapenemase-producing Enterobacter hormaechei 整合多种基因组技术调查耐碳青霉烯类肠杆菌科细菌的爆发

整合多种基因组技术调查耐碳青霉烯类肠杆菌科细菌的爆发期刊图

作者:Leah W. Roberts 等

期刊:Nature communication

时间:2020

影响因子:12.353

DOI:10.1038/s41467-019-14139-5


研究背景

耐碳青霉烯类肠杆菌科细菌(CRE)是让人闻之色变的超级细菌,对人类的健康有很大的威胁。2015年作者对皇家布里斯班妇女医院(RBWH)三位病人不同阶段的尿液、气管内导管、血液、伤口进行取样,并从中发现了具有多重抗药性(MDR)的E.cloacae复合分离株。作者通过几种互补全基因组测序(WGS)技术的应用,确认了在医院爆发的是耐碳青霉烯类肠杆菌科细菌E.hormaechei。


实验结果

1. 所有患者均检出耐碳青霉烯类肠杆菌科细菌

对所有采集到的E.cloacae复合分离株进行耐药性检测,结果显示,MS7889对碳青霉烯类抗生素完全敏感,除了MS7889(从患者尿液中分离出来)外,其余菌株对头孢曲松、头孢他啶、羟基噻吩青霉素-克拉维酸、哌拉西林-他唑巴坦、美罗培南、庆大霉素和甲氧苄啶-磺胺新唑均有耐药性(表1)。

表1 用Etest、Vitek 2和ResFinder测定抗生素耐药性

用Etest、Vitek 2和ResFinder测定抗生素耐药性图

2. 全基因组测序确认菌株爆发可能与之前产生IMP4的分离株有关

对获得的10个E.cloacae复合分离株使用Illumina进行全基因组测序。发现其均为ST90型E.hormaechei,除易感菌株MS7889丢失了blaIMP-4基因以及几个额外的抗性基因,其它大多数复合分离株都有相同的抗性基因,包括100%相同的blaIMP-4基因。10个分离株中均包含lncHI2质粒。将E.hormaechei基因组与公开可用的基因组进行比较,发现其与E.hormaechei Ecl1(GenBank: JRFQ01000000; formerlyE. cloacae)最为匹配,E.hormaechei Ecl1是一株从RBWH ICU病房的烧伤患者身上分离出来的ST90菌株。大多数复合分离株与Ecl1基因组的抗生素耐药基因图谱相比,显示了相同的耐药基因图谱(表1)。在医院范围内对自2015年呈blaIMP-4阳性的E. hormaechei分离株进行持续监测,发现在2016年一次不相关的疫情中,分离出一个blaIMP-4阳性的E. hormaechei(MS14389),根据Illumina测序发现,与2015年分离的菌株相比,只有两个SNPs不同。2017年,又从血液学病房分离出另一例blaIMP-4阳性的E. hormaechei (MS14449)。这些结果表明E. hormaechei 在医院环境中持续存在。


3. blaIMP-4基因存在于lncH12质粒上

由于blaIMP-4基因周围存在多个重复元件,包括插入序列(IS)和两个可疑的基因内容相似的整合子,无法仅靠Illumina测序准确解析blaIMP-4的上下游序列。于是对其中的一个代表分离株(MS7884)使用PacBio SMRT进行三代测序,获得了完整闭合的染色体和两个质粒(pMS7884A,一个在~55kb MDR区含有blaIMP-4基因的330,060bp的lncHI2质粒)。pMS7884A MDR区域具有两个不同的1类整合子(In37和In809)以及一个对四环素和氯霉素具有抗性的复合转座子(图1a)。BLASTn和read-mapping分析显示,本研究中,利用Illumina测序的18株分离株中,除了分离株MS7889,其余的都有相同的质粒:分离株MS7889预计已经失去了MDR质粒的~ 34 kb区域,包括blaIMP-4,基因和两个因为同源重组而几乎一样的氨基糖苷类抗性基因(图1 b)。

含有~55kb多药耐药性区域包括blaIMP-4的大lncHI2质粒图
图1  含有~55kb多药耐药性区域包括blaIMP-4的大lncHI2质粒

4. 全基因组测序揭示了爆发的来源来源于地漏

尽管持续使用传统培养方法对医院环境进行常规监测,但未发现ST90 E. hormaechei的环境来源。2018年7月,从ICU和烧伤病房环境中收集了50个拭子和水样,并对其进行测序和传统培养。在本次监测中,通过传统培养方法在4份样品中检测到Klebsiella oxytoca, E.cloacae complex和Leclercia adecarboxylata,然而,Illumina测序结果表明它们与爆发无关。尽管没有亲缘关系,但其中3个分离株携带blaIMP-4相似基因(基于real-time PCR),该基因对应的IncHI2质粒与pMS7884A高度一致。

尽管传统的培养方法无法检测到ST90 E.hormaechei,宏基因组测序鉴定出两个样本与参考MS7884和IncHI2质粒pMS7884A的 ST90 E. hormaechei高度匹配。将这些样本(R5514 and R5537,均取自于地漏)的宏基因组组装基因组(MAGs)与E. hormaechei参考基因组作核苷酸比较,显示在整个染色体和质粒上有着很高的相似度,相当于>95%的参考序列中93-97%的平均核苷酸同一性(ANI)。两种MAGs的MLST分析也能够检测到几乎相同的ST90等位基因。此外,通过对抗性基因的筛选,在两份样本中都发现了blaIMP-4基因,进一步支持了地漏中存在ST90 E. hormaechei 和类似于pMS7884A的IncHI2质粒。


结论与亮点

1.通过Illumina测序发现爆发菌株序列均为90型(ST90);

2.通过三代测序(PacBio SMRT)获得了IMP-4的菌株的lncH12质粒上的blaIMP-4基因的完整基因组

3.通过宏基因组学测序在医院地漏中发现了ST90型E.hormaechei lncH12存在的证据;

4.总体而言,作者利用几种不同WGS技术的战略应用为疫情提供了深入分析。



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