基因组岛与质粒介导的抗菌素耐药基因驱动高危ST-131尿路致病性大肠杆菌NS30的进化

《BMC Genomics》：Genomic islands and plasmid borne antimicrobial resistance genes drive the evolution of high-risk, ST-131 uropathogenic E. coli NS30

本研究针对全球流行的高危克隆ST-131尿路致病性大肠杆菌（UPEC）进化机制不清的问题，通过对多重耐药（MDR）菌株NS30进行完整基因组测序与比较基因组学分析，揭示了其通过获得四个独特的基因组岛（GIs，包括一个新型毒力岛PAI）和一个携带Tn402-like I类整合子（含blaOXA-1、aac-6'-Ib-cr等多药耐药基因盒）的可接合质粒pNS30-1，进化成为成功尿路病原体的分子机制。该研究阐明了ST-131基因组通过水平基因转移（HGT）获得毒力与耐药基因的开放泛基因组特性，对理解MDR病原体进化及传播具有重要意义。

　　

尿路感染（UTI）是全球范围内最常见的细菌感染之一，其中尿路致病性大肠杆菌（UPEC）是主要的致病元凶。在众多UPEC谱系中，序列分型为ST-131的菌株，特别是其C2亚群，因其与反复发作的尿路感染、败血症以及对多种抗菌药物（如β-内酰胺类、氟喹诺酮类）产生耐药性而备受关注，已成为一个严峻的公共卫生挑战。理解这些“超级细菌”如何进化并获得其强大的致病和耐药能力，对于开发新的防控策略至关重要。传统观点认为，细菌基因组的可塑性，特别是通过水平基因转移（HGT）获得的大片段DNA区域——如基因组岛（GIs）和质粒——在病原体进化中扮演关键角色。然而，对于ST-131这类高风险克隆，其获得这些遗传元件的具体路径和来源尚不十分清晰。为了深入揭示ST-131 UPEC的进化图谱，一项最新研究对一株名为NS30的多重耐药（MDR）ST-131 UPEC临床分离株进行了完整的基因组解码和深入分析。

为了回答上述问题，研究人员采用了多项关键技术。他们从一位患有肾结石的63岁女性患者尿液中分离出E. coli NS30菌株，并通过药敏试验（AST）确认其多重耐药表型。随后，结合Illumina短读长和Nanopore长读长测序技术，获得了该菌株的高质量完整基因组（包括染色体和两个质粒）。通过比较基因组学、系统发育分析、毒力因子（VFs）和抗菌素耐药性（AMR）基因注释、基因组岛（GIs）预测以及接合转移实验等方法，系统阐述了NS30的遗传特征和进化历程。相关研究成果已发表在《BMC Genomics》期刊上。

NS30在系统发育背景下的独特性

全基因组系统发育分析显示，ST-131菌株在E. coli进化树中分布广泛，呈现开放的泛基因组特征，表明其基因组具有高度可塑性。菌株NS30被鉴定属于ST-131的C2亚群（phyloclade B2，血清型O25:H4）。与其最接近的系统发育邻居E. coli H105相比，NS30的基因组中存在着四个独特的基因组区域（GI-1 至 GI-4），这些是H105所不具备的，提示NS30通过HGT事件获得了新的遗传物质。

NS30携带丰富的毒力因子和毒素-抗毒素系统

基因组注释发现NS30携带大量与尿路致病性相关的毒力因子，如粘附素（fim, afa）、毒素（hlyE）和免疫逃避相关基因（traT）。此外，在其染色体和质粒上共鉴定出20个毒素-抗毒素（TA）系统，其中一些位于基因组岛内，可能有助于稳定这些外源DNA片段。

pNS30-1是一个可接合的多重耐药质粒

研究发现NS30携带一个大质粒pNS30-1（123 kb，属于IncF1A不相容群）和一个小质粒pNS30-2（4 kb）。pNS30-1被证实是一个功能性的可接合质粒，它携带一个Tn402-like I类整合子，其上聚集了多个AMR基因，包括bla_OXA-1、aac-6'-Ib-cr、catB3、aadA5、sul1和dfrA17，这些基因共同介导了对氨苄西林、环丙沙星、甲氧苄啶-磺胺甲噁唑等药物的耐药性。接合转移实验成功地将pNS30-1转移至受体菌，证实了其传播AMR基因的潜力。

整合进NS30染色体的基因组岛的结构特征

研究人员重点分析了四个独特的基因组岛：

1. 1.
   GI-1（57.5 kb）：插入tRNA-Ser位点，含有外排泵基因（emrE, qacN）和IV型TA系统（yeeV/yeeU）。其起源可追溯至ST678、ST144和ST550等非ST-131菌株。
2. 2.
   GI-2（42.6 kb）：为λ样噬菌体mEp460，插入另一个tRNA-Ser位点。值得注意的是，其赋予超感染免疫的dicB基因被一个IS3转座酶插入失活，这使得NS30可能更容易遭受其他噬菌体的感染。
3. 3.
   GI-3（38.6 kb）：为P2家族噬菌体p88，插入serS基因附近。该GI在其他ST-131菌株中保守存在。
4. 4.
   GI-4（44.9 kb）：这是一个新型毒力岛（PAI），插入tRNA-Phe位点，携带额外的粘附素基因（如papB, papX, fimC, afa）和毒力因子ag43。其起源被追溯到属于肠聚集性E. coli（EAEC）的ST38菌株。NS30仅获得了ST38一个大PAI区域的前半部分（包含毒力基因和一个孤立的parE毒素基因），而非整个区域。

讨论与结论

该研究通过细致的基因组学分析，描绘了E. coli NS30这一高危ST-131 UPEC菌株的进化路线图。研究表明，NS30的进化并非一蹴而就，而是通过多次独立的HGT事件，逐步从不同的E. coli谱系（包括ST678、ST144、ST550等UPEC以及ST38 EAEC）获得了关键的遗传元件。可接合质粒pNS30-1负责提供多药耐药性，而四个独特的基因组岛则分别贡献了额外的适应性优势（如外排泵）、基因组可塑性（噬菌体）以及至关重要的毒力因子（PAI）。特别是从ST38 EAEC获得的GI-4毒力岛，可能显著增强了NS30在泌尿道的定植和致病能力。GI-2中dicB基因的失活暗示NS30可能仍处于动态进化中，易于获得新的遗传物质。

综上所述，这项研究揭示了ST-131 UPEC通过水平基因转移从不同病原菌谱系获取基因组岛和可接合质粒，从而进化成为成功多重耐药病原体的分子机制。这种“混合”进化模式极大地丰富了ST-131的开放泛基因组，使其成为AMR基因和毒力因子的储存库和传播载体。该研究强调了持续监测和高分辨率基因组分析对于理解MDR病原体出现和传播的重要性，为未来开发针对性的干预措施提供了重要的分子见解。