摩根摩根菌（Morganella morganii）基因组分析：对抗生素耐药基因、毒力岛和毒素-抗毒素系统的深入解析

《Microbiology Spectrum》：Genomic profiling of Morganella morganii: insights into antibiotic resistance genes, pathogenicity islands, and toxin-antitoxin systems

　　

摩根摩根菌（Morganella morganii）是一种影响免疫功能低下和重症监护住院患者的条件致病菌。它可在多种环境中定殖，并表现出多药耐药性。其基因组编码了赋予致病性和对多种抗生素耐药性的因子。本研究深入分析了来自人类临床样本、食品、动物和废水的摩根摩根菌菌株的耐药组（resistome）、移动组（mobilome）和毒素-抗毒素（TA）系统。泛基因组预测了2,852个由>99%菌株共享的核心基因，其中>30%的编码序列被注释为与毒力因子共定位于移动遗传元件（MGEs）上的假设蛋白（HPs）。摩根摩根菌携带1-3个质粒和最多71个不同的MGEs，这与菌株来源无关。这些菌株在染色体和质粒上共享独特的13-33个基因组岛（GI）簇（10-167 kb），这些簇包含可转座元件、噬菌体相关蛋白、毒素-抗毒素（TAs）以及其他毒力决定因子。研究鉴定出了多种抗菌素耐药基因，包括aac(3)-lld、blaKPC和blaNDM。总共鉴定出24个不同的TA家族，主要属于II型，其中三个被鉴定为IV型和VII型。hha-tomB、higBA、mazEF、vapBC和doc-phd TAs最为普遍，通常在所有菌株中以单拷贝（hha-tomB）或多拷贝（higBA）形式存在。虽然质粒和其他移动遗传元件的存在与否会影响耐药基因的数量，但对毒素-抗毒素系统分布的影响较小。这些发现强调了MGEs在摩根摩根菌内抗菌素耐药基因和毒力因子的进化与传播中的重要性，突显了它们对细菌在恶劣环境中适应和生存的贡献。

论文解读文章

研究背景、问题与动机

摩根摩根菌是一种新兴的条件致病菌，与社区和医院获得性感染相关，可导致败血症、脓肿、血流和尿路感染，特别是在有基础疾病的免疫功能低下个体中。该菌能在多种环境中定殖，并表现出多药耐药性，对包括第三代头孢菌素和碳青霉烯类在内的多种抗生素耐药，加之有效抗生素的缺乏，导致其感染致死率高，已成为公共卫生威胁。其固有耐药性（如ampC和ampR基因介导）以及通过质粒、转座子等移动遗传元件获得耐药基因，进一步加剧了临床治疗的困境。2024年，世界卫生组织（WHO）已将其列为优先病原体。为了深入了解其致病性、适应性和抗菌素耐药性（AMR）的基因组基础，从而为治疗策略提供信息，开展此项基因组分析研究尤为重要。

本研究旨在通过^{in silico}（计算机模拟）基因组分析，全面解析来自人类、动物、食品和废水等不同来源的摩根摩根菌菌株的基因组特征，重点关注其耐药组、移动组、毒素-抗毒素系统以及毒力岛的分布与功能。相关研究成果发表在学术期刊《Microbiology Spectrum》上。

关键技术方法概述

研究人员从NCBI RefSeq数据库中筛选出35株具有完整基因组序列、来源、年份和地理信息明确的摩根摩根菌菌株进行分析，样本来源包括临床人体样本（51%）、动物（25%）、食品（20%）和废水（4%）。核心分析流程包括：使用Panaroo v1.5.0进行泛基因组分析，以IQ-TREE构建基于核心基因的最大似然系统发育树。通过MobileElementFinder和PlasmidFinder鉴定移动遗传元件（MGEs）和质粒复制子类型。利用Alien-Hunter、IslandCompare和Pathogenicity Island Database (PAIDB) 预测和比较基因组岛（GIs）与毒力岛（PAIs）。采用ResFinder和综合抗生素耐药数据库（CARD）的耐药基因标识符（RGI）在线工具鉴定抗生素耐药基因（RGs）。借助TADB3.0数据库识别毒素-抗毒素（TA）系统。使用Bakta、Proksee等工具进行基因功能注释和可视化。

研究结果

1. 摩根摩根菌菌株来源多样

所分析的菌株基因组大小在3.6至4.4 Mb之间，平均GC含量约为51%。菌株主要来源于亚洲（特别是中国）、欧洲和北美洲，反映了当前公共数据库中完整基因组的地理分布现状。菌株来源包括人类临床样本（尿液、血液、组织等）、动物（貂、猪、家禽等）、食品（鱼、奶酪）和废水，确保了样本的代表性。

2. 摩根摩根菌菌株携带含有TA系统、耐药和毒力因子的MGEs

所有菌株基因组均编码高数量的MGEs（每个基因组1-71个），最多含有3个质粒。约46%的菌株携带质粒，71%含有可转座元件。质粒复制子类型包括Inc家族和Col家族。菌株GN28（废水分离株）和MM1680（临床痰液分离株）的MGEs注释显示，其编码多种AMR基因（如catB3, bla_OXA-1）、毒力相关因子（如RTX-I毒素、溶血素）、应激反应蛋白、前噬菌体相关基因以及TA系统。这表明MGEs是耐药和毒力基因的重要载体，其分布与菌株来源相关性有限。

3. 泛基因组特征表明摩根摩根菌菌株间具有高度遗传多样性

泛基因组分析共鉴定出9,479个基因，其中核心基因（≥99%菌株共享）2,852个（30%），软核心基因（95%-99%菌株共享）89个（1%），辅助基因（壳基因和云基因）占69%。高比例的辅助基因组表明该物种具有显著的基因组可塑性，可能涉及频繁的水平基因转移（HGT）。

4. 摩根摩根菌泛基因组含有大量假设蛋白（HPs）

核心基因组中约24%的基因（702个）被预测为假设蛋白。这些HPs的氨基酸长度在30到2508之间，其中34.7%长度在100-200个氨基酸之间，约12%为小蛋白（≤100 aa）。通过高级注释，超过500个HPs被重新分配了与毒力相关过程（如菌毛生物合成、分泌系统、TA系统、粘附素、溶血素、双组分调节系统、外排泵和AMR决定因子）相关的推定功能，暗示它们可能在生理、应激适应或宿主互作中扮演重要角色。

5. 摩根摩根菌基因组携带编码耐药和毒力因子的多个基因组岛

在所有菌株中均鉴定出基因组岛（GIs）簇，每个菌株13-33个，大小约10-167 kb。最大的GI簇（~167 kb）发现于废水分离株GDMM86，含有超过200个基因，包括多个抗生素耐药基因（如sul1, bla_NDM-1, mphA）、毒力因子、可转座元件、假设蛋白和TA系统，预测可对七类抗生素产生耐药。此外，在人类分离株CK的一个质粒上发现了123 kb的岛样区域，编码多种β-内酰胺酶等耐药基因。GI比较分析显示，尽管分离时间、来源和地域不同，某些菌株间共享相似的GI簇，表明MGEs驱动的HGT和广泛传播。

6. 摩根摩根菌亚种morganii参考菌株KT的毒力岛预测

由于数据库限制，仅对参考菌株KT进行了毒力岛（PAI）预测。预测到2个候选PAI、2个非可能PAI和1个耐药岛。这些区域显示出与已知毒力岛（如SHI-1、LEE、PAI V536）的同源性，编码与毒力和耐药相关的基因，如III型分泌系统、粘附素、铁载体和多种抗生素耐药决定因子。

7. 摩根摩根菌的耐药组

耐药基因分析显示，人类来源菌株QL588含有最多的RGs（33个），其次是废水来源GN28和人类来源CK（各30个）。所有菌株均检测到耐药基因，其中β-内酰胺类耐药基因多样性最高（如bla_DHA变异体、bla_CTX、bla_NDM-1、bla_KPC-2），其次是氯霉素（catA）和氨基糖苷类（如aac(3)-lld, aadA2）耐药基因。缺乏质粒和可转座元件的菌株仅编码染色体介导的bla_DHA和catA基因，而携带MGEs的菌株则拥有更多样和更多的耐药基因，凸显了MGEs在多重耐药中的作用。

8. 摩根摩根菌中的毒素-抗毒素系统

通过TADB 3.0预测，共鉴定出30个不同的TA家族，其中25个为II型，4个为IV型，1个为VII型。所有菌株均携带丰富的TA系统（最少10个配对TA，最多83个孤儿TA），其存在与MGEs无关。最常见的TA系统包括hha-tomB、higBA、mazEF、vapBC和doc-phd，它们几乎存在于所有菌株中。这些TA系统与应激生存、翻译抑制、程序性细胞死亡调节、噬菌体抗性等功能相关。TA系统的数量在有MGEs的菌株中倾向于更高，尤其是在孤儿TA基因方面。

讨论与结论总结

讨论部分核心观点：

1. 1.
   MGEs的核心作用：MGEs（质粒、转座子、基因组岛、噬菌体）是驱动摩根摩根菌抗生素耐药基因和毒力因子获得、进化与传播的主要力量。它们导致了该物种显著的基因组可塑性和适应性。
2. 2.
   假设蛋白的潜在功能：核心基因组中大量保守的假设蛋白，经再注释发现许多与毒力、适应性和应激反应通路相关，可能代表了未被充分认识的功能库，对细菌的适应性和致病潜力有贡献。
3. 3.
   基因组岛作为适应性平台：基因组岛（GIs），特别是那些与tRNA基因整合、富含MGEs、耐药基因、毒力因子和TA系统的区域，充当了整合的适应性平台。最大的GI簇展示了复杂的多重耐药性。TA系统在GIs和质粒中的共定位暗示其在稳定这些移动遗传元件方面可能发挥作用。
4. 4.
   耐药性的进化：菌株的耐药谱随时间推移而扩大，早期分离株（如1905年的DSM30164）仅对β-内酰胺类和氯霉素耐药，而近年分离株则获得了对碳青霉烯类等更多种类抗生素的耐药性。MGEs的存在与更广泛的多重耐药性直接相关。
5. 5.
   TA系统的普遍性与功能：TA系统是摩根摩根菌基因组的核心特征，独立于MGEs广泛存在。常见的TA系统（如hha-tomB, higBA, vapBC）可能在与应激耐受、持久性形成和毒力调节相关的过程中发挥作用。一些TA系统（如DarTG, AbiE）还具有抗噬菌体防御的潜能。

研究结论：

本研究通过对35株摩根摩根菌的基因组分析，揭示了移动遗传元件在驱动该菌抗菌素耐药基因和毒力因子传播中的核心作用。通过绘制泛基因组中的耐药组、移动组和毒素-抗毒素系统，研究人员揭示了使摩根摩根菌能够在临床和环境中生存的保守和可变的基因组特征。研究发现强调了MGEs在摩根摩根菌内AMR基因和毒力因子进化与传播中的重要性，突出了它们对细菌在恶劣环境中适应和生存的贡献。摩根摩根菌编码的染色体和移动遗传元件介导的毒力因子，其耐药性和毒力决定因子与其他已知致病菌相当，因此应给予重要的研究关注。这些发现为理解这种未被充分研究的新兴条件致病菌的持久性、适应性和多药耐药性的潜在基因组决定因素提供了新见解，可为监测策略和针对性干预措施的制定提供信息。