质粒动态驱动碳青霉烯酶基因传播：基于全国闭合基因组的肠杆菌目进化分析

《Nature Communications》：Plasmid dynamics driving carbapenemase gene dissemination in healthcare environments: a nationwide analysis of closed Enterobacterales genomes

本研究针对碳青霉烯酶基因在医院环境中通过质粒传播的关键问题，通过对新加坡五年全国监测获得的1088株CPE分离株进行全基因组测序和质粒聚类分析，发现PC1和PC2两种主要质粒基因型分别主导blaKPC-2和blaNDM-1的传播，其中水平传播占比约60%。研究首次揭示保守基因组最小化宿主适应性代价是成功质粒实现高流行性的关键因素，为耐药基因传播监测提供了新范式。

　　

当超级细菌在医院走廊间悄然传播，医生手中的抗生素逐渐失效时，科学家们开始追踪这场隐形 epidemic 的传播路径。碳青霉烯类抗生素曾是治疗多重耐药革兰氏阴性菌感染的"最后防线"，但碳青霉烯耐药肠杆菌目（CRE）的全球播散已构成严峻的公共卫生威胁。其中，碳青霉烯酶产生肠杆菌目（CPE）因其可通过质粒水平转移耐药基因的特性，成为医院感染控制的重点难点。

传统监测系统主要追踪克隆进化谱系，但这种方法对CPE的传播监测存在明显不足——碳青霉烯酶基因主要位于可跨菌种传播的质粒上。尽管感染控制措施不断加强，新加坡的CPE发病率仍持续上升，此前研究发现质粒介导的传播占CPE传播的一半。然而，由于质粒的结构可塑性和重组特性，基于短读长测序的监测方法难以准确追踪质粒传播动态。

为解决这一难题，研究人员在《Nature Communications》发表了全国性研究，通过对1088株临床CPE分离株进行混合组装，重建了1115个完整的碳青霉烯酶产生质粒，系统分析了质粒动力学在碳青霉烯酶基因传播中的作用。

研究团队采用混合组装策略，结合Illumina短读长和牛津纳米孔长读长测序数据，通过Unicycler软件进行基因组组装。样本来源于2010-2015年间新加坡六家急性期公立医院的临床和监测菌株，覆盖全国80%的住院医疗服务。质粒聚类基于21-bp k-mer相似性构建网络，以Jaccard相似度≥0.90为阈值定义质粒簇。通过核心基因组SNP分析和BEAST推导的突变率阈值区分垂直与水平传播事件。

Disposition of isolates

研究共纳入1088株CPE分离株，鉴定出1115个完整碳青霉烯酶产生质粒。肺炎克雷伯菌（44.7%）、大肠埃希菌（31.2%）和阴沟肠杆菌（13.3%）为主要病原体，其中一家医院贡献了67.5%的分离株。最常见的序列型为大肠埃希菌ST131、肺炎克雷伯菌ST14和阴沟肠杆菌ST93。

Distribution of carbapenemase genes and classification of the 1115 closed carbapenemase-positive plasmids

共检测到15种碳青霉烯酶基因，以bla_KPC-2（42.8%）和bla_NDM-1（38.9%）为主。复制子分型显示IncU（42.6%）、IncN（27.3%）、IncC（9.0%）和IncL/M（7.1%）为主要类型，MOB分型以MOBP（45.1%）、MOBF（34.2%）和MOBH（9.3%）为主。

Plasmid clustering based on k-mer similarity

92.5%的质粒被分为48个质粒簇（PC），其中PC1（bla_KPC-2阳性IncU型）和PC2（bla_NDM-1阳性IncN型）分别占34.9%和25.5%，主导了碳青霉烯酶基因的传播。

Transmission dynamics of carbapenemase-encoding plasmids

对389株携带PC1质粒和283株携带PC2质粒的菌株分析显示，水平传播分别占60.7%和59.4%，垂直传播占39.3%和40.6%。质粒介导的传播实现了碳青霉烯酶基因跨机构传播，而克隆传播主要局限在单一医院内。

Predominant carbapenemase plasmids maintain a distinct backbone of core gene loci

PC1和PC2分别保持71个和52个核心基因的高度保守性（>90%），结构比较显示其与相似质粒的主要差异在于插入序列而非核心骨架。

Expansion of the accessory genome limits prevalence of carba-penemase plasmids

与流行质粒相比，低流行质粒（如PC7、PC43）携带更多辅助基因，包括重金属和甲醛解毒相关基因。这些基因在宿主染色体或非碳青霉烯酶质粒中已有存在，非质粒流行所必需。

Evolution of plasmids within the same clonal transmission cluster and within the same patient

克隆传播簇分析显示，PC1和PC2在跨患者传播中保持稳定，而其他质粒基因型在克隆谱系中呈现动态变化。22名患者中有20人携带相同质粒的多种菌种，证实了质粒的跨物种传播能力。

本研究通过全国性基因组监测揭示了碳青霉烯酶基因传播的双重机制：克隆传播主要局限于单一机构内，而质粒介导的水平传播实现了跨机构、跨物种的广泛传播。PC1和PC2的成功进化源于其保守基因组最小化宿主适应性代价的策略，这与携带辅助基因的质粒形成鲜明对比。

研究结果对耐药菌防控具有重要启示：当前以克隆追踪为主的监测体系难以有效应对质粒介导的耐药基因传播，亟需建立整合质粒动态的综合监测策略。发现PC1与高毒力肺炎克雷伯菌的结合尤其值得关注，可能加速社区感染的暴发。

该研究建立的质粒聚类分析方法为预测流行质粒提供了框架，基于基因组保守性的评估方法有望用于识别高传播风险质粒。未来需要进一步探索质粒适应性代价的分子机制，为开发干预策略提供新靶点。这项研究为理解医院环境中耐药基因传播动力学提供了重要见解，为全球抗菌药物耐药性防控提供了新思路。