Genomische Epidemiologie der globalen Klebsiella pneumoniae Carbapenemase (KPC)-produzierenden Escherichia coli
Globale bla KPC-E. coli-Stämme sind vielfältig, selbst innerhalb des am weitesten verbreiteten ST, ST131, mit Hinweisen auf eine lokale Übertragung
45 Isolate wurden aus 21 Städten in 11 Ländern auf vier Kontinenten gewonnen (2010-2013; frühere Labortypisierungsergebnisse sind in Tabelle S1 zusammengefasst). Ein Isolat war bei der Ganzgenomsequenzierung (WGS; ecol_252) bla KPC-negativ, was möglicherweise auf einen Verlust von bla KPC während der Lagerung oder Subkultur in der Zeit zwischen der ursprünglichen Typisierung und der anschließenden DNA-Extraktion und Vorbereitung für die WGS zurückzuführen ist. Bei einem Isolat stimmten die WGS-Daten nicht mit den Ergebnissen der Labortypisierung überein (ecol_451), was wahrscheinlich auf eine Verwechslung im Labor zurückzuführen ist; ecol_252 und ecol_451 wurden daher von den weiteren Analysen ausgeschlossen. Die anderen 43 Isolate wurden erfolgreich sequenziert (Qualitätskriterien siehe Tabelle S1). Unter diesen 43 Isolaten waren einundzwanzig verschiedene E. coli STs vertreten (Tabelle 1; in silico aus WGS vorhergesagt), darunter: ST131 , ST410 , ST38 , ST10, ST69 (die übrigen Isolate sind Einzel-STs).
Von 16.053 annotierten offenen Leserahmen (ORFs), die in allen KPC-E.coli-Isolaten identifiziert wurden, waren nur 2.950 (18,4 %) in allen Isolaten („core“) und weitere 222 (1,4 %) in 95- < 100 % der Isolate („soft core „27) gemeinsam. Auf Nukleotidebene gab es 213.352 Einzelnukleotidvarianten (SNVs) im Kerngenom, was mit der zuvor beobachteten Artenvielfalt übereinstimmt28. Auch die Profile der Resistenzgene unterschieden sich deutlich zwischen den Stämmen, wobei einige mehrere Resistenzmechanismen gegen Betalaktame, Aminoglykoside, Tetrazykline und Fluorchinolone aufwiesen (z. B. ecol_224), während andere nur bla KPC enthielten (z. B. ecol_584; Abb. 1). Bei den 16 KPC-ST131-Stämmen waren 4.071/7.910 (51 %) ORFs Kerngenome, mit 6.778 SNVs im gesamten Kerngenom dieser Isolate, was wiederum mit früheren globalen Studien zur ST131-Diversität23, 24 übereinstimmt (Abb. S1). Die akzessorischen Genome waren bei einigen (z. B. ecol_356/ecol_276/ecol_875), aber nicht bei allen (z. B. ecol_AZ159/ecol_244) Isolaten, die in ihren Kerngenomen eng miteinander verwandt waren, hochgradig übereinstimmend, was eine sehr variable evolutionäre Dynamik zwischen Kern- und akzessorischen Genomen belegt (Abb. 1). Die geografische Verteilung von Isolaten, die sowohl im Kern- als auch im akzessorischen Genom eng miteinander verwandt sind, spricht für eine lokale (z. B. ecol_AZ166, ecol_AZ167 ) Übertragung bestimmter KPC-E.coli-Stämme. Die Homologie der genetischen Flankierungsmotive um die bla KPC-Gene in diesen eng verwandten Isolatpaaren würde ebenfalls mit dieser Hypothese übereinstimmen und weniger mit dem mehrfachen Erwerb von bla KPC innerhalb desselben genetischen Hintergrunds, insbesondere in Anbetracht der Vielfalt der flankierenden bla KPC-Sequenzen, die im Rest des Datensatzes beobachtet wurden (siehe unten).
bla KPC-Gene scheinen derzeit auf Plasmidkontexte in E. coli beschränkt zu sein, können aber in mehreren Kopien auf einzelnen Plasmidstrukturen oder in Plasmiden mit hoher Kopienzahl vorkommen
Vierunddreißig Isolate (80 %) enthielten bla KPC-2, und neun Isolate (20 %) bla KPC-3. Die chromosomale Integration von bla KPC wurde bei anderen Enterobacteriaceae, Pseudomonas und Acinetobacter spp. beschrieben, ist jedoch selten5, 29, 30. Es gab keine Hinweise auf eine chromosomale Integration von bla KPC, weder in den 18 chromosomalen Strukturen, die aus der Long-Read-Sequenzierung rekonstruiert wurden, noch bei der Überprüfung der Anmerkungen in den bla KPC enthaltenden Contigs (abgeleitet aus Illumina de novo Assemblies) für die anderen 25 Isolate. bla KPC-Allele wurden nicht nach ST segregiert.
Die Schätzungen der bla KPC-Kopienzahl pro bakteriellem Chromosom variierten zwischen <1 (ecol_879, ecol_881) und 55 (ecol_AZ152). In neun Fällen lag diese Schätzung bei ≥10 Kopien von bla KPC pro bakteriellem Chromosom (ecol_276, ecol_356, ecol_867, ecol_869, ecol_870, ecol_875, ecol_AZ150, ecol_AZ152, ecol_AZ159, Tabelle S2). Sechs dieser Isolate enthielten bla KPC in einem col-ähnlichen Plasmidkontext, in zwei Fällen war der Plasmidkopientyp unbekannt, und in einem Fall handelte es sich um ein IncN-Replikon. Die Plasmid-Kopienzahl wird mit einer höheren Antibiotikaresistenz in Verbindung gebracht, wenn sich das betreffende Gen auf einer Einheit mit hoher Kopienzahl befindet. Interessanterweise wird postuliert, dass Plasmide mit hoher Kopienzahl eine höhere Chance haben, sich in den Nachkommenzellen zu verankern, da sie sich durch Zufall und ohne die Notwendigkeit von Verteilungssystemen angemessener verteilen31, und bei jedem Konjugationsereignis entweder direkt oder indirekt übertragen werden32,33,34.
Die bla KPC- und non-bla KPC-Plasmidpopulationen in den weltweiten KPC-E. coli-Stämmen sind extrem vielfältig
Die Inc-Plasmid-Typisierung ergab das Vorhandensein von im Median vier Plasmid-Replikon-Typen pro Isolat (Bereich: 1-6; IQR: 3-5), was eine große Vielfalt darstellt (Tabelle 1). Allerdings waren IncN-, col-, IncFIA- und IncI1-Replikone in bestimmten STs unverhältnismäßig überrepräsentiert (p < 0,05; Tabelle 1). Unter den 18 Isolaten, die einer PacBio-Sequenzierung unterzogen wurden, identifizierten wir 53 geschlossene, nicht-bla KPC-Plasmide mit einer Länge von 1.459 bp bis 289.903 bp (Tabelle S1; mindestens vier zusätzliche, teilweise vollständige Plasmidstrukturen waren vorhanden). Von diesen Nicht-bla-KPC-Plasmiden wiesen 10 (Größe: 2.571-150.994 bp) eine <70%ige Ähnlichkeit (definiert durch prozentuale Sequenzidentität multipliziert mit dem Anteil der Abfragelänge, der Homologie zeigt) mit anderen in GenBank verfügbaren Sequenzen auf, was zeigt, dass ein Teil des „Plasmidoms“ in KPC-E. coli noch unvollständig charakterisiert ist. Bei den anderen 43 Plasmiden war die größte Übereinstimmung in GenBank in 35 Fällen ein Plasmid von E. coli, in 5 Fällen von K. pneumoniae und in jeweils 1 Fall von Citrobacter freundii, Shigella sonnei und Salmonella enterica (Tabelle S3).
Zweiundzwanzig bla KPC-Plasmidstrukturen wurden vollständig aufgelöst (17 nur aus Pacbio-Daten, vier nur aus Illumina-Daten, 1 sowohl aus PacBio- als auch aus Illumina-Daten) und reichten von 14.029 bp bis 287.067 bp (Median = 55.590 bp; IQR: 23.499-82.765 bp). Diese bla KPC enthaltenden Plasmide und sechs weitere Fälle, in denen bla KPC auf einem Replikon enthaltenden Contig identifiziert wurde, waren auf der Grundlage der Inc-Typisierung sehr unterschiedlich (Tabelle S1). IncN war der häufigste Typ (n = 8/28 typisierbare bla KPC-Strukturen; 29 %), gefolgt von kleinen, col-artigen Plasmiden (n = 6/28; 21 %). Andere, weniger häufige Typen waren: A/C2, FII(k), U (alle n = 2); und L/M, P, Q1 und R (alle n = 1). Bei vier (14 %) bla KPC-Plasmiden handelte es sich um Multireplikon-Konstrukte, nämlich: col/repA, FIB/FII, FIA/FII und FIA/FII/R.
Gemeinsame IncN-Plasmid-Backbones haben sich weltweit in E. coli
Aus der GenBank haben wir alle einzigartigen, vollständig sequenzierten IncN-bla KPC-Plasmidsequenzen (Tabelle S4) zum Vergleich ausgewählt, die aus dem Jahr 2005 stammen, also etwa aus der Zeit der ersten Berichte über KPC-produzierende E. coli. Die Plasmid-Rückgrate und flankierenden Sequenzen, die bla KPC in diesen 16 Plasmid-Referenzen und einer Untergruppe von 12 Studien-Sequenzen (siehe „Methoden“) umgeben, stimmten mit dem mehrfachen Erwerb von zwei bekannten IncN-Tn4401-bla KPC-Komplexen in divergenten E. coli STs überein: erstens innerhalb eines Plasmid-9 (FJ223607, 2005, USA)-ähnlichen Hintergrunds, und zweitens innerhalb eines Tn2/3-ähnlichen Elements in einem Plasmid-12 (FJ223605, 2005, USA)-ähnlichen Hintergrund.
Im ersten Fall wurden genetische Ähnlichkeiten zwischen Plasmid-9, pKPC-FCF/3SP, pKPC-FCF13/05, pCF8698, pKP1433 (das ein hybrides IncN darstellt) und bla KPC-Plasmiden aus den Isolaten ecol_516, ecol_517, ecol_656 und ecol_736 (diese Studie) festgestellt. Plasmid-9 enthält doppelte Tn4401b-Elemente in umgekehrter Ausrichtung mit vier verschiedenen 5 bp flankierenden Sequenzen in einer atypischen Anordnung innerhalb eines Introns der Gruppe II35. Die Backbone-Strukturen der anderen Plasmide in dieser Gruppe stehen im Einklang mit einem separaten Akquisitionsereignis eines Tn4401b-Elements zwischen den pld- und traG-Regionen innerhalb einer Vorläuferversion der Plasmid-9-Struktur, mit der Erzeugung einer flankierenden TTCAG-Zielstellenduplikation (TSD) (gekennzeichnet als Plasmid-9-ähnliches Plasmid (hypothetisch), Abb. 2). Die internationale Ausbreitung, gefolgt von lokaler Evolution sowohl innerhalb als auch zwischen den Arten, würde die Unterschiede zwischen den Plasmiden erklären, darunter: (i) Variation auf Nukleotidebene (bei allen Plasmiden beobachtet); (ii) kleine Insertions-/Deletionsereignisse (bei allen Plasmiden beobachtet); (iii) größere Insertions-/Deletionsereignisse, die durch transponierbare Elemente vermittelt werden (z. B. pCF8698_KPC_2); und (iv) wahrscheinlich homologe Rekombination, die zu gebündelter Variation innerhalb eines ähnlichen Plasmidrückgrats führt (z. B. ecol_656/ecol_736) sowie deutlichere Umlagerungen, einschließlich der Bildung von „hybriden“ Plasmiden (z. B. pKP1433) (Abb. 2).
In Plasmid-12 (FJ223605) hat sich Tn4401b in ein hybrides Tn2-Tn3-ähnliches Element eingefügt (mit assoziierten Medikamentenresistenzgenen einschließlich bla TEM-1, bla OXA-9 und mehreren Aminoglykosidresistenzgenen), wenn auch ohne Zielsequenzverdopplung, möglicherweise als Ergebnis eines intra-molekularen, replikativen Transpositionsereignisses, das nicht übereinstimmende Zielstellensequenzen erzeugt (L TSS = TATTA; R TSS = GTTCT). Dieser Komplex befindet sich wiederum zwischen zwei IS15DIV (IS15Δ)/IS26-ähnlichen Elementen, die von 8 bp invertierten Wiederholungen flankiert werden, und liegt zwischen den traI- (891 bp vom 3′-Ende) und pld-Loci (~28 Kb; Abb. 3A). Die Backbone-Komponenten des IncN-Plasmids-12 stimmen mit denen überein, die bei einem NIH-Ausbruch5 und in einer umgestalteten Version bei einem Ausbruch an der University of Virginia (CAV1043; 2008)6 beobachtet wurden. Aus dieser Studie geht hervor, dass die Plasmide ecol_224, ecol_881, ecol_AZ159, ecol_422 und die Gerüste von ecol_AZ151, ecol_744 und ecol_AZ150 nahezu identische Strukturen wie Plasmid-12 aufweisen, wobei die Nukleotidvariationen in den traJ-traI-Genen gebündelt sind, was auf ein homologes Rekombinationsereignis in dieser Region hindeutet, sowie auf sporadische Insertions-/Deletionsereignisse (Abb. 3A). Die bla KPC-Tn4401-Strukturen in diesen Isolaten werden jedoch durch das Vorhandensein anderer mobiler genetischer Elemente (MGEs), einschließlich Tn2/Tn3-ähnlicher Elemente, ISKpn8/27 und Tn1721, fast vollständig abgebaut. In ecol_224 wurde bla KPC-2 in das IncN-Rückgrat als Teil von zwei sich wiederholenden, invertierten Tn3-ähnlichen Strukturen eingefügt, die von einem TTGCT TSD flankiert werden und näher an traI (136 bp vom 3′-Ende) liegen als der bereits erwähnte IS15DIV (IS15Δ)/IS26-ähnliche Komplex in Plasmid-12 (Abb. 3B). Obwohl es angesichts der verfügbaren Daten nicht möglich ist, die Evolutionsgeschichte dieser genomischen Region genau nachzuvollziehen, deutet das Vorhandensein gemeinsamer Signaturen dieser Struktur in ecol_422, ecol_744, ecol_881, ecol_AZ159, ecol_AZ150 und ecol_AZ151 auf einen gemeinsamen Erwerb und mehrere nachfolgende Umlagerungen hin, die durch das Vorhandensein der großen Anzahl von MGEs, die bla KPC-2 flankieren, vermittelt wurden.
Col-ähnliche Plasmide können einen wichtigen Übertragungsvektor für bla KPC in E. coli
Kleine col-ähnliche Plasmide waren der zweithäufigste Typ von Plasmiden, die bla KPC in E. coli tragen (n = 5 ), aber drei davon waren identisch (bla KPC-2, 16.559 bp), alle isoliert in Pittsburgh, USA, aus ST131-Isolaten über einen Zeitraum von zwei Jahren (ecol_276 , ecol_356 , ecol_875 ). Diese drei Isolate enthielten zusätzlich FIA-, FIB-, FII-, X3- und X4-Replikons, was auf eine stabile Persistenz eines klonalen Stammes + Plasmide im Laufe der Zeit hindeutet, was sowohl mit SNV-/Kern- als auch mit akzessorischen Genomanalysen übereinstimmt (Abb. 1, Abb. S1).
Die beiden anderen col-ähnlichen Plasmide stellen kurze DNA-Abschnitte dar, die für verschiedene Mobilisierungsgene (mbeA/mbeC/mbeD) kodieren, die mit Tn4401/bla-KPC-Modulen verbunden sind. Die 5 bp-Sequenzen, die Tn4401 flankieren, stimmen in beiden Fällen mit einer direkten, intermolekularen Transposition überein (ecol_870: TGTTT-TGTTT; ecol_867: TGTGA-TGTGA). In diesem Datensatz wurde auch ein col/repA-Kointegrat-Plasmid beobachtet (ecol_AZ161), bei dem Tn4401b zwischen colE3-Signatursequenzen und einem Tn3-Element eingefügt wurde (Tn4401 TSS: AGATA-GTTCT). Die Bildung solcher ko-integrierter Plasmidstrukturen in E. coli beschrieben36, einschließlich einer fusionierten col/pKpQIL-ähnlichen Plasmidstruktur (pKpQIL wird historisch mit bla KPC in Verbindung gebracht)37.
Col-ähnliche Plasmide wurden in anderen kleineren, regionalen Studien mit KPC-Produzenten in Verbindung gebracht21, 38. Besorgniserregend ist, dass diese kleinen Vektoren nachweislich für die Verbreitung der qnr-Gene, die die Fluorchinolon-Resistenz vermitteln, zwischen den Arten verantwortlich sind, selbst wenn kein offensichtlicher antimikrobieller Selektionsdruck besteht39. Die signifikante Assoziation von col-ähnlichen Plasmiden mit bestimmten E. coli STs (vorwiegend ST131) in dieser Studie könnte eine Erklärung für die überproportionale Vertretung von bla KPC in dieser Linie sein.
Diverse Tn4401 5 bp Target Site Sequenzen (TSSs) unterstützen eine hohe Transposonmobilität
Vollständige Tn4401 Isoformen, die bla KPC-2 oder bla KPC-3 flankieren, wurden nur in 24/43 (56%) Isolaten beobachtet, einschließlich Tn4401a/a-like (n = 10; ein Isolat mit einem Contig-Break stromaufwärts von bla KPC), Tn4401b (n = 12) und Tn4401d (n = 2) Varianten. Es wurden elf verschiedene 5-Bp-Target-Site-Sequence-Paare (TSS) identifiziert, von denen 7 (64 %) in keinem der aus der GenBank heruntergeladenen Vergleichsplasmide zu finden waren (Tabelle S5). Tn4401a hatte drei verschiedene 5 bp TSSs, Tn4401b sieben und Tn4401d eine. In den meisten Fällen handelte es sich um TSDs, aber in drei Fällen flankierten verschiedene 5 bp TSSs Tn4401, was sowohl mit direkten inter- als auch mit replikativen intra-molekularen Transpositionsereignissen übereinstimmt.
Aus dem vollständigen Satz von GenBank-Plasmiden und von anderen durchgeführten In-vitro-Transpositionsexperimenten wurden 30 verschiedene Arten von 5 bp TSS-Paaren charakterisiert, sieben davon nur in der experimentellen Umgebung40. Die heruntergeladenen Plasmide stammen aus einer Reihe von Arten und Zeitpunkten (2005-2014), auch wenn sie möglicherweise aufgrund von Verzerrungen bei der Probenahme eine größere Vielfalt an Tn4401-Insertionsstellen unterrepräsentieren. Unsere Daten würden jedoch mit einer signifikanten Tn4401-Mobilität innerhalb von E. coli nach dem Erwerb verschiedener Tn4401-Isoformen übereinstimmen und/oder mehrere Importereignisse in E. coli aus anderen Arten darstellen.
Die traditionelle Assoziation von bla KPC mit Tn4401 ist in den KPC-Plasmiden in E. coli deutlich erodiert
Besonders bei den anderen 19/43 (44 %) Isolaten war die Tn4401-Struktur durch Ersatz durch MGEs abgebaut worden, von denen nur einige zuvor beschrieben wurden41, 42. Zwei Isolate wiesen neuartige Tn4401Δb-Strukturen auf (stromaufwärts gelegene Verkürzungen durch IS26 oder IS26-ΔIS5075 ). Eine Tn4401e-ähnliche Struktur (255 bp Deletion stromaufwärts von bla KPC) war in drei Isolaten (ecol_227, ecol_316, ecol_583) vorhanden: Diese wurde in einer vollständigen PacBio-Plasmid-Anordnung (ecol_316) weiter charakterisiert und stellte eine Umlagerung an der Stelle des L TSS des ISKpn7-Elements dar. In diesem Plasmid war ein zweites, partielles Tn4401-Element ohne bla KPC vorhanden, was mit einem unvollständigen, replikativen, intra-molekularen Transpositionsereignis übereinstimmen würde (GGGAA = L TSS und R TSS auf den beiden Tn4401b-Elementen, in umgekehrter Orientierung). Andere Motive, die bla KPC flankieren, sind: hybride Tn2/Tn3-Elemente-ISKpn8/27-bla KPC (n = 1; ecol_224); IS26-ΔtnpR(Tn3)-ISKpn8/27- bla KPC-ΔTn1721-IS26 (n = 5; ecol_AZ153-AZ155, ecol_AZ166, ecol_AZ167); ISApu2-tnpR(Tn3)-ΔblaTEM -bla KPC- korC-klcA-ΔTn1721-IS26 (n = 1; ecol_542); IS26-tnpR(Tn3)-ΔblaTEM -bla KPC-korC-IS26 (n = 1; ecol_545); hybride Tn2/Tn3 Elemente + ΔblaTEM-bla KPC-ΔTn1721 (n = 2; ecol_744, ecol_422), Tn3 Elemente-Δbla TEM-bla KPC- ΔTn1721 (n = 4; ecol_881, ecol_AZ151, ecol_AZ159, ecol_AZ150) und ΔTn3-Δ -ΔIS3000 (Tn3-like) (n = 1; ecol_AZ152). Wir konnten den flankierenden Kontext von bla KPC in ecol_452 aufgrund von Einschränkungen bei der Zusammenstellung nicht bewerten.
Diese offensichtliche Vielfalt an unabhängig erworbenen MGEs um das bla KPC-Gen erweitert die Möglichkeiten, mit denen bla KPC mobilisiert werden kann. Interessanterweise waren alle abgebauten Tn4401-Sequenzen in diesem Datensatz mit variablen Abschnitten flankierender Tn2/3-ähnlicher Sequenzen assoziiert, was darauf hindeutet, dass die Einfügung von Tn4401 in einen Tn2/Tn3-ähnlichen Kontext letzteren in die Lage versetzt haben könnte, als Hotspot für die Einfügung anderer MGEs zu dienen6. Besonders erwähnenswert ist die Assoziation mit IS26, das mit der Verbreitung mehrerer anderer Resistenzgene in E. coli, einschließlich CTX-M ESBLs, in Verbindung gebracht wurde24, 44; es ist in der Lage, die Expression eng zusammenliegender Resistenzgene zu erhöhen45; es nimmt an der Bildung von Kointegraten und damit an der Umlagerung von Plasmiden teil46; und es fördert das Auftreten anderer IS26-vermittelter Transferereignisse in Plasmide, die IS26 beherbergen46.