大熊貓源致病大腸桿菌CCHTP全基因組測序及耐藥和毒力基因分析

大熊貓源致病大腸桿菌CCHTP全基因組測序及耐藥和毒力基因分析

大熊貓源致病大腸桿菌CCHTP全基因組測序及耐藥和毒力基因分析

鄧雯文1,李才武1,趙思越2,李仁貴1,何永果1,吳代福1,楊盛智2,黃炎1,張和民1,鄒立扣2

1. 中國大熊貓保護研究中心,大熊貓國家公園珍稀動物保護生物學國家林業和草原局重點實驗室,都江堰 6118302. 四川農業大學資源學院,成都 611130

http://www.chinagene.cn/CN/10.16288/j.yczz.19-243

摘要:致病性大腸桿菌是引起動物泌尿系統感染的重要病原菌,本研究對泌尿生殖道感染出現潛血的大熊貓尿液中分離的一株致病性大腸桿菌(Escherichia coli CCHTP)進行全基因組測序,檢測其中耐藥基因和毒力因子的情況,同時對基因島上耐藥和毒力基因及其基因環境進行研究。研究發現,大腸桿菌CCHTP中存在多種類型的耐藥基因,其中外排泵系統基因數量最多,包括mdfA、emrE和mdtN等介導多重耐藥外排泵的基因。此外,該菌還攜帶166種毒力因子及563個相關毒力基因,其中屬於黏附與侵襲類的毒力因子及相關基因數量最多。對19個基因島分析發現,基因島GIs011和GIs017中各有一段包含耐藥和毒力基因的序列,兩側與可移動遺傳元件(轉座酶和插入序列)相連,這些結構可能介導耐藥及毒力基因水平轉移。本研究通過全基因組測序分析了大熊貓源致病性大腸桿菌中存在的耐藥及毒力基因情況,對大熊貓相關疾病的科學治療、合理用藥有重要意義。

關鍵詞: 大熊貓;大腸桿菌;全基因組測序;耐藥基因;毒力因子

Whole genome sequencing reveals the distribution of resistance and virulence genes of pathogenic Escherichia coli CCHTP from giant panda

Wenwen Deng1, Caiwu Li1, Siyue Zhao2, Rengui Li1, Yongguo He1, Daifu Wu1, Shengzhi Yang2, Yan Huang1, Hemin Zhang1, Likou Zou2

1. China Conservation and Research Centre of the Giant Panda, Key Laboratory of SFGA on Conservation Biology of Rare Animals in the Giant Panda National Park, Dujiangyan 611830, China

2. Faculty of Applied Microbiology, College of Resources, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China

Abstract:Pathogenic Escherichia coli (E. coli) is the most common pathogen causing urinary tract infection in animals. We investigated the antibiotic resistance and virulence genes of pathogenic E. coliCCHTP derived from urine with occult blood of the giant panda by whole genome sequencing. The flanking sequencing of resistance and virulence genes in genomic islands were also analyzed. Our results demonstrate that E. coliCCHTP contains different families of antibiotic resistance genes, most of which are efflux pump related genes, including multiple drug resistance efflux pump genes mdfA, emrE, and mdtN. A total of 166 virulence factors and 563 virulence genes were identified, and the most virulence factors and related genes are involved in host cell attachment and invasion processes. Furthermore, sequence analysis of 19 genomic islands revealed that antibiotic and virulence genes are associated with mobile genetic elements (transposon and insertion sequence) in GIs011 and GIs017. These structures can mediate horizontal transfer of antibiotic and virulence genes. Our work described the distribution of antibiotic resistance genes and virulence genes in E. coli CCHTP, which may provide an important guidance for treatment and rational drug use of E. coli CCHTP infection in the giant panda.

Keywords:giant panda; Escherichia coli; whole genome sequencing; resistance gene; virulence gene

大腸桿菌(Escherichia coli)通常存在於人和動物的胃腸道,屬於條件性致病菌,在宿主健康的情況下,可起到保護宿主、防止病原菌定植的作用,但在特定情況下會產生致病性[1]。此外,致病性大腸桿菌還可在胃腸道以外,如尿道、血液中生存並引起嚴重的疾病,它們具有廣泛的宿主譜,其防治仍是當今世界性的難題,對大熊貓感染性疾病的發生有重要影響[2,3]。

目前,用於治療大熊貓細菌感染的藥物主要為抗生素,抗生素通過直接殺死或抑制病原菌的生長來達到治療效果,這種作用機理使細菌具有選擇壓力,並催生病原菌耐藥性的產生[4]。同時,由於耐藥基因的水平轉移特性使耐藥性可在不同細菌種屬間進行傳播,加速了耐藥水平的提高。研究表明大熊貓源大腸桿菌已對不同大類抗生素,如四環素類、磺胺類和β-內酰胺類抗生素呈現出不同程度耐藥[5]。此外,毒力因子是病原菌具有的能夠使其在宿主環境中定植、繁殖和致病的基因產物[6]。大腸桿菌的致病性是由多種毒力相關因子共同決定,這些毒力因子相互協調,直接或間接參與與致病過程,進而引發宿主有害炎症反應。近年來隨著基因組學的飛速發展,可從分子水平對毒力因子進行研究,揭示病原菌致病機理[7]。

目前關於大熊貓源大腸桿菌的研究主要集中在對大熊貓腸道內大腸桿菌的分離鑑定、耐藥性檢測

等[3,5,8],但有關大熊貓腸外大腸桿菌相關的研究報道還較少。本實驗通過對1株從泌尿生殖道感染出現潛血的大熊貓尿液中分離的大腸桿菌進行全基因測序,研究耐藥及毒力因子情況,分析耐藥及毒力相關基因的環境,可對大腸桿菌致病機理研究提供理論基礎,為合理採用抗生素治療大熊貓大腸桿菌感染提供依據。

1 材料與方法

1.1菌株來源

2017年5月從中國大熊貓保護研究中心一隻泌尿生殖道感染出現潛血的大熊貓尿液中分離得到的大腸桿菌。

1.2 菌株純化鑑定

大腸桿菌使用EMB培養基和TSA劃線純化,將純化菌株腹腔注射小白鼠進行致病性實驗[9],確認後按文獻[1]的方法進行形態學和16S rDNA測序再次鑑定確認,鑑定結果為大腸桿菌(Escherichia coli CCHTP)。挑取單菌落,使用TSB培養基培養18~20 h,取1.8 mL過夜孵育的菌液到一個2 mL無菌離心管中,離心後吸掉上清培養基,獲取大腸桿菌沉澱用於後續DNA提取。

1.3 抗生素藥敏試驗

根據美國臨床和實驗室標準協會(Clinical and Laboratory Standards Institute, CLSL) 2019年發佈的《抗菌藥物敏感性試驗執行標準》[10],採用K-B藥敏紙片法,選擇15種抗生素測定菌株的敏感性。利用無菌生理鹽水稀釋菌落製備菌懸浮液至0.5麥氏濃度,用無菌棉籤蘸取菌液塗布於MHA瓊脂平板上,鑷子滅菌後分別夾取藥敏紙片,按一定間隔貼在平板的不同區域,37℃恆溫培養16~18 h。按CLSI標準判定耐藥性。選擇E. coli ATCC®25922, E. coli ATCC® 35218作為質控菌株。

1.4 DNA提取

根據UltraClean®Microbial DNA Isolation Kit試劑盒手冊,提取細菌DNA。取60 ng DNA樣品1.0%瓊脂糖凝膠電泳,在80V電壓電泳30 min,檢測DNA濃度。

1.5 全基因組測序

將DNA送往北京諾禾致源生物信息科技有限公司(Novogene)進行3代Pacbio平臺測序。經電泳檢測合格的DNA樣品用Covaris g-TUBE打斷成構建文庫所需大小的目的片段,經DNA損傷修復及末端修復後,使用DNA黏合酶將髮卡型接頭連接在DNA片段兩端,使用AMpure PB磁珠對DNA片段進行純化選擇,構建SMRT Bell文庫。純化後的片段經buffer回溶後,使用BluePipin片段篩選特定大小的片段,並使用AMpure PB磁珠對DNA片段進行純化。構建好的文庫經Qubit濃度定量,並利用Agilent 2100檢測插入片段大小,隨後用PacBio平臺進行測序。

1.6數據處理

對原始數據進行過濾處理,得到有效數據(clean data)。使用SMRT Link v5.0.1軟件對reads進行組裝[11,12],得到初步組裝結果,把reads比對到組裝序列上,統計測序深度的分佈情況。將得到的初步組裝結果進行比對分析,並將染色體序列組裝成為一個環狀基因組,即最終的0 gap完成圖序列。使用GeneMarkS軟件(http://topaz.gatech.edu/)進行細菌的編碼基因預測基因。註釋使用Blastn數據庫(https:// blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi)以及RAST[13]。採用毒力因子數據庫(Virulence Factors of Pathogenic Bacteria, VFDB)和抗生素耐藥基因數據庫(the Comprehensive Antibiotic Research Database, CARD)[14]對菌株的基因組中所包含的毒力基因和耐藥基因進行比對,使用IslandPath-DIOMB軟件預測基因島。

2 結果與分析

2.1藥敏實驗結果

藥敏實驗結果顯示,獲得的大腸桿菌CCHTP對阿莫西林、氨苄西林、阿莫西林/克拉維酸、頭孢克洛、頭孢曲松、頭孢噻肟、慶大黴素、紅黴素、阿奇黴素、氧氟沙星、諾氟沙星、恩諾沙星和四環素耐藥,對氨曲南和卡那黴素敏感(附表1)。

2.2大腸桿菌CCHTP全基因組測序結果

大腸桿菌CCHTP經PacBio測序平臺進行全基因組測序後,通過對所測序列進行組裝,最終獲得1個contig,組裝的contigs總長度為5120 663 bp,N50為5120 663 bp。通過組裝獲得一個長度為5106 047 bp的環狀染色體序列(圖1),鳥嘌呤–胞嘧啶(GC)含量為50.49%對基因組編碼基因預測,註釋得到的基因總數為4896,註釋得到的基因總長度為4470 000 bp。對基因組非編碼RNA (ncRNA)預測,得到61個sRNA、22個rRNA (包括5S、16S、23S)和89個tRNA。

經預測,共有4431個基因具有COG功能分類,其中信息儲存和處理基因共745個,細胞過程和信號轉導基因共1194個,代謝類基因共1945個,功能未知基因547個。菌株共有13 862個基因在GO數據庫3大分支數據庫中被註釋到。共有43種功能註釋結果,其中細胞學組件類有12個分支,共3360個註釋結果,生物學途徑類有23個分支,共7432基因註釋結果,分子功能類存在10個分支共4107個相關注釋結果。KEGG分析顯示,共1544 個基因富集在 192條代謝通路中,其中涉及基因最多的通路主要有ABC轉運蛋白代謝通路(ko02010) (200個基因)、雙組分調節系統代謝通(ko02060) (142個基因)和嘌呤代謝通路(ko00230) (83個基因)。

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圖1 大腸桿菌CCHTP基因組圖譜

Fig. 1 The chromosome genome of E. coli CCHTP

從外圈至內圈:1、2圈為編碼基因;3、4圈為eggNOG;4、5圈為KEGG;7、8圈為GO;9、10圈為ncRNA;11、12圈為基因組GC含量;13、14圈為基因組GC skew值分佈。

2.3 大腸桿菌CCHTP中抗生素耐藥基因分析

通過對染色體基因序列進行比對,發現大腸桿菌攜帶了多種類型的抗生素耐藥基因,包括14大類161個抗生素耐藥基因。從表1中可知,外排泵系統基因數量最多,主要包括macB (13個)、adeL (6個)、patA (6個)、evgS (5個)等115個耐藥基因。其次為介導糖肽類抗生素(萬古黴素)耐藥的vanTG/ TC/RI等10個耐藥基因、介導多肽類抗生素(多粘菌素)耐藥的mcr-3、PmrF/E/C等9個耐藥基因和介導四環素類抗生素(四環素)耐藥的tetT/B(60)/A(48)/ 34。此外,少量介導喹諾酮類、磺胺類和β-內酰胺類等抗生素耐藥的基因也在基因組中識別到。

2.4大腸桿菌CCHTP中毒力因子分析

經VFDB數據庫比對,發現大腸桿菌CCHTP共攜帶了166種毒力因子及563個相關毒力基因。按毒力因子大類(黏附與侵襲、分泌系統、鐵轉運和細菌毒素)來分析,發現屬於黏附與侵襲類的毒力因子及相關基因數量最多,共有47種毒力因子及239個相關毒力基因,毒力基因數量前15的黏附與侵襲類毒力因子如圖2所示,主要黏附因子包括5種菌

表1大腸桿菌CCHTP中耐藥基因分析結果

Table 1 Basic information of antibiotic resistance genes in E. coli CCHTP

耐抗生素大類

耐藥基因

基因數量

外排泵

macB、adeL、patA、evgS、mdtF、patB、sav1866和TaeA等

115

糖肽類

vanTG、vanTC、vanRI、vanRF、vanRE、vanRB、vanHD、vanG、baeS和baeR

12

多肽類

pmrF、pmrE、pmrC、mcr-3、basS、arnA和arlS

9

四環素類

tetT、tetB(60)、tetA(48)和tet34

7

喹諾酮類

gyrB、gyrA和mfd

4

抗結核藥

ndh、katG和kasA

3

磺胺類

sul3和leuO

2

β-內酰胺類

mecC和blaCMY-63

2

多磷類

glpT和murA

2

大環內酯類

chrB

1

環脂肽類

cls

1

肽類抗生素

bacA

1

林可酰胺類

clbB

1

利福黴素類

rphB

1

毛類:Type I fimbriae (Ⅰ型菌毛)、Type Ⅳ pili (Ⅳ型菌毛)、Pix pilus (Pix菌毛)、Pap pilus (盂腎炎相關菌毛/P菌毛)和E.coli common pilus (大腸桿菌共生菌毛)和3種鞭毛類:Peritrichous flagella (周生鞭毛)、S fimbriae (S鞭毛)和P fimbriae (P鞭毛)。研究發現Peritrichous flagella相關毒力基因數量最多,包括filZ/Y/T/S、flhA/B/C/D、flgN/M/L等51個毒力基因,其次為LOS (脂寡糖)基因族中的rfaF/E/D、lpxK/H/ D/C等25個基因,Capsule (莢膜)基因族中的rmlA、oppF、lipA等15個基因和TypeⅠ fimbriae基因族中的fimA/B/C等12個基因。

分泌系統共發現16種毒力因子及76個相關毒力基因(圖3)。按照分泌系統類型來看,共識別到5類,屬於Ⅱ型分泌系統的毒力因子類型最多,包括gsp、T2SS、out、pul、GspA和exe,其次為Ⅵ型分泌系統,包括ACE T6SS、SCI-I T6SS、CTS2和T6SS。其餘3類分泌系統各識別到兩種毒力因子,分別為Trehalose-recycling ABC transporter和ABC transporter (Ⅰ型分泌系統)、T3SS和IcsP (SopA) (Ⅲ型分泌系統)、CTS2和T6SS (Ⅵ型分泌系統)。與ACE T6SS相關的毒力基因數量最多,主要為假定蛋白編碼基因aec17/18/22/23/26等19個基因,其次為SCI-I T6SS基因族中的c3402、ECP_2814和LF82_ 443等17個基因。

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圖2 黏附與侵襲類主要毒力因子

Fig. 2 Main virulence factors related to host cell attachment and invasion processes

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圖3 分泌系統類主要毒力因子

Fig. 3 Main virulence factors of bacterial secretion systems

本研究共識別12種毒力因子及59個相關毒力基因屬於鐵轉運系統。如圖4所示,與毒力因子Enterobactin (腸細菌素)和血紅素合成(Heme biosynthesis)相關的基因數量最多。其次為Yersiniabactin siderophore (耶爾森菌素合成)、Yersiniabactin (耶爾森菌素)及Salmochelin (沙門菌素)。

如圖5,通過比對得到細菌毒素類毒力因子11種,毒力基因36個。毒力因子主要包括5種溶血素:Alpha-hemolysin (α溶血素)、cytolysin A (溶血素A)、Hemolysin, HlyA (HlyA溶血素)、Hemolysin Ⅲ (Ⅲ型溶血素)和Beta-hemolysin (β溶血素)。研究發現Colibactin (聚酮肽基因毒素)相關毒力基因數量最多, 包括clbR/Q/P/O/N等19個基因。

2.5 大腸桿菌E. coli CCHTP中耐藥和毒力基因環境分析

在染色體序列共發現19個基因島,總長在5187~74 031 bp之間,其中發現兩個基因島GIs011和GIs017上各有一段含可移動遺傳元件(插入序列)、毒力因子和耐藥基因的序列,基因環境繪圖如圖6所示,在基因島GIs011上發現一段序列包含外排泵基因調控因子(emrR)和四環素類耐藥基因(tetA(60)),F1C菌毛(focY/H)和S菌毛(sfaG/F/E/D/A/B/C) 相關基因,在這些基因兩側存在可移動遺傳元件IS630、轉座酶基因及IS3fA。GIs017上也發現在一段包含外排泵基因cpxR、α-溶血素基因hlyA/B/C/D及細菌毒素CNF-1,兩側分別與轉座酶基因、插入序列IS3fB以及IS66相連,大腸桿菌中的耐藥或毒力基因可由可移動遺傳元件介導傳播。

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圖4 鐵轉運主要毒力因子

Fig. 4 Main virulence factors of iron-acquisition systems

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圖5 細菌毒素主要毒力因子

Fig. 5 Main virulence factors of bacterial toxins

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圖6 抗生素耐藥基因和毒力基因環境

Fig. 6 Genetic environment of antibiotic resistance and virulence genes

此外,對多肽類耐藥基因mcr-3及其側翼環境進行分析(圖7),發現基因mcr-3一側與假定抗性蛋白(putative resistance protein, PRP),並具有假定蛋白(hypothetical protein, HP) YiaG。另一側與假定蛋白相連,並發現Capsule類毒力基因oppF與ABC轉運器和假定蛋白相連,另外在基因mcr-3周圍序列中還發現chu類毒力基因chuA和chuT以及外排泵基因adeL、gadX、gadW和mdtE。

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圖7 mcr-3基因環境

Fig. 7 Genetic environment of mcr-3

PRP: putative resistance protein,假定抗性蛋白;HP: hypothetical protein,假定蛋白。

3 討論

許多已知的病原菌都能引起尿路感染,如白色念珠菌(Candida albicans)、肺炎克雷伯氏菌(Klebsiella pneumoniae)、銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)、奇異變形桿菌(Proteus mirabilis)、金黃色葡萄球菌(Staphylococcus saprophyticus)和大腸桿菌等[15,16]。然而,目前對大熊貓泌尿生殖道感染的研究較少,僅發現肺炎克雷伯氏菌可引起大熊貓的泌尿生殖道血尿症出現[17]。本研究從一隻泌尿生殖道感染出現潛血的大熊貓尿液中分離出大腸桿菌CCHTP。通過全基因組測序,發現該菌攜帶多種類型的抗生素耐藥基因,並以外排泵基因為主,表明外排泵系統可能為大腸桿菌CCHTP產生耐藥性的主要因素。此外,本研究還發現mdfA、emrE、mdtK和hmrM等多重耐藥外排泵系統基因。目前已有大量研究表明多重耐藥外排泵能夠介導對抗生素、消毒劑、洗滌劑和染料等有毒化合物的內在抗性[18],阻止藥物在細菌體內積聚,是細菌多重耐藥性產生的主要機制之一[19]。其中,mdfA外排泵能夠外排環丙沙星,卡那黴素、新黴素及季銨鹽類消毒劑等[20,21],mdtK基因可表達細菌對諾氟沙星、阿黴素及吖啶黃的外排,emrE編碼的外排泵能外排四環素、紅黴素、結晶紫及染色劑溴化乙錠[22]。此外,研究檢測到四環素類、磺胺類和β-內酰胺類耐藥基因,這與部分學者在大熊貓糞便源大腸桿菌檢測到耐藥基因結果相似[5,23]。四環素類抗生素廣泛用於動物疾病治療 中,目前已發現40多種不同類型的四環素耐藥基 因,主要介導3種耐藥機制,分別為外排泵機制、核糖體保護機制和酶降解機制[24],其中基因tetA和tetB可編碼主要易化子超家族(MFS)外排泵蛋白將

四環素藥物泵出細胞外,降低細胞內藥物濃度,四環耐藥基因tetT通過編碼核糖體保護機制,使耐藥細菌可以產生核糖體保護蛋白與核糖體結合引起構型改變,從而弱化了對二甲胺四環素和強力黴素的抑制作用,導致耐藥性的產生[25]。研究還發現多粘菌素耐藥基因mcr-3,這種新型基因在2017年被Yin等[26]首次發現於大腸桿菌的IncHI2質粒中,其在大腸桿菌中的表達可有效阻止多粘菌素所引發的活性氧形成,並一定程度地對宿主細菌造成一定的代謝壓力。研究表明基因mcr-3的氨基酸序列與前期發現的多粘菌素基因mcr-1和mcr-2差異較大,僅有32.5%和31.7%的一致性[27],具有多種亞型(如mcr-3.3、mcr-3.5和mcr-3.7),宿主範圍廣,主要發現於大腸桿菌、肺炎克雷伯氏菌和鼠傷寒沙門氏菌中[28]。基因mcr-3可由染色體和質粒介導,通過質粒、插入序列、轉座子等方式介導傳播[27,29]。Ling等[29]對氣單胞菌中有染色體介導的mcr-3.3基因環境進行分析,與本實驗中mcr-3基因環境對比發現具有部分相同的序列結構,基因兩側均有假定蛋白,且其中一側與假定蛋白相連。但仍存在差異,表現為基因mcr-3.3周圍序列中發現插入序列遺傳標記ISAsI。此外,mcr-3基因可與其他耐藥基因共存[28,30,31],Liu等[27]發現由mcr-3位於IncP質粒中的TnAs3轉座子上,並與IncHI2質粒攜帶的基因mcr-1和IncX3質粒攜帶的基因blaNDM-5共存於一株大腸桿菌中,引起多重耐藥,進一步增強宿主細菌的耐藥性。

近年來隨著人們對於各種毒力因子的逐步瞭解,一些毒力因子的致病機理也逐漸被揭示出來。通過與VFDB數據庫比對,發現大腸桿菌E. coli CCHTP攜帶了大量毒力因子及相關毒力基因。例如屬於黏附與侵襲類毒力因子的Ⅰ型菌毛,其普遍存在於大腸桿菌中,主要在大腸桿菌致病的第一階段起作用[32,33]。Vizcarra等[33]研究顯示Ⅰ型菌毛還能產生屏蔽效應增強細胞內細菌對抗生素的抵抗能力,造成慢性感染髮生,表明Ⅰ型菌毛對細菌抗生素耐藥性的產生有一定影響。研究檢測到了fimA/B/C/D/H等12個編碼Ⅰ型菌毛的基因,其中fimC和fimD主要在協調菌毛裝配及細菌致病過程中起作用,fimH介導 粘附作用[32]。此外,Ⅰ型菌毛和P菌毛都能介導大腸桿菌黏附於上尿道,也是尿道感染髮生的重要因素[33,34]。此外,細菌毒素類包含多種溶血素,其中α溶血素毒力基因hlyA具有廣譜殺細胞作用,可作用於紅細胞、腎臟上皮細胞和免疫細胞,誘導細胞凋亡[35]。Reijer等[36]研究表明溶血素在金黃色葡萄球菌生物膜形成等致病過程中也起著重要作用,增加了金葡菌的危害性。編碼毒素Colibactin相關毒力的基因數量最多,該毒素可導致慢性有絲分裂、染色體畸變和基因突變頻率增加,能夠引發腫瘤[37]。本研究通過對基因島分析發現,大量抗生素耐藥及毒力基因兩側存在插入序列。 研究表明插入序列是染色體特殊組成部分,可攜帶耐藥基因轉移,同時插入序列可通過自身攜帶的轉座子提高耐藥基因表達量從而提高細菌耐藥程度[38,39]。因此,研究結果提示大腸桿菌中耐藥或毒力基因可能通過可移動遺傳元件介導傳播。

分泌系統和鐵轉運系統雖未直接涉及致病過程,但對細菌致病性的產生也至關重要。目前在革蘭氏陰性菌中已經發現並命名9種不同類型的分泌系統(Ⅰ~Ⅸ型),致病菌藉助分泌系統將特異蛋白直接注入宿主細胞內,可導致細菌的定殖和感染[40]。在本研究共識別到5類(Ⅰ~Ⅳ型),其中Ⅲ型分泌系統廣泛存在於革蘭氏陰性致病菌,如耶爾森氏菌屬、沙門氏菌屬、大腸桿菌、副溶血性弧菌等中[7,41]。沙門菌素和腸桿菌素是腸桿菌科病原菌中常見的鐵載體,其中腸桿菌素主要通過於血漿轉鐵蛋白中的鐵結合來促進細菌生長而引起感染,與其他已知的鐵載體蛋白相比具有最高的鐵親和力[42]。

綜上所述,本研究通過全基因組測序技術首次對泌尿生殖道感染出現潛血的大熊貓尿液中分離的大腸桿菌進行檢測,主要研究了其中毒力因子及耐藥基因情況,可較為全面地預測大腸桿菌中耐藥基因、耐藥譜、毒力因子及相關毒力基因等重要致病特性。研究結果可為圈養大熊貓臨床治療和合理用藥提供指導,為後續開展圈養大熊貓源病原菌中毒力因子和耐藥基因研究提供依據。

附錄:

附表1詳見文章電子版www.chinagene.cn

參考文獻(References):

[1] Li B, Li XL, Guo LJ, Long M, Guo F, He XM, Luo Y, Zou LK. Isolation and drug resistance analysis on Escherichia coli in intestines from giant pandas. Southwest Chin J Agric Sci, 2012, 25(3): 1109–1113.李蓓, 李旭林, 郭麗娟, 龍梅, 郭放, 何雪梅, 羅燕, 鄒立扣. 大熊貓腸道大腸桿菌的分離、鑑定及其耐藥性分析. 西南農業學報, 2012, 25(3): 1109–1113.

[2] Johnson TJ, Wannemuehler Y, Kariyawasam S, Johnson JR, Logue CM, Nolan LK. Prevalence of avian-pathogenic Escherichia coli strain O1 genomic islands among extraintestinal and commensal E. coli isolates. J Bacteriol, 2012, 194(11): 2846–2853.

[3] Guo LJ, He XM, Deng WW, Wu GY, Long M, Li B, Zhang AY, Wang HN, Zou LK. Disinfectant resistance of Escherichia coli and Klebsiella pneumonia isolated from giant panda. Sichuan J Zool, 2014, 33(6): 801–807.郭莉娟, 何雪梅, 鄧雯文, 吳國豔, 龍梅, 李蓓, 張安雲, 王紅寧, 鄒立扣. 大熊貓源大腸桿菌及肺炎克雷伯氏菌對消毒劑耐藥性研究. 四川動物, 2014, 33(6): 801–807.

[4] Chen FF, Di HX, Lan LF. Small molecules targeting Staphylococcus aureus virulence. Chin Sci Bull, 2013, 58(36): 3743–3572.陳菲菲, 狄紅霞, 藍樂夫. 金黃色葡萄球菌重要毒力因子的功能及其抑制劑研究進展. 科學通報, 2013, 58(36): 3743–3572.

[5] Guo LJ, Long M, Huang Y, Wu GY, Deng WW, Yang X, Li B, Meng Y, Cheng L, Fan LQ, Zhang HM, Zou LK. Antimicrobial and disinfectant resistance of Escherichia coli isolated from giant pandas. J Appl Microbiol, 2015, 119(1): 55–64.

[6] Webb SA, Kahler CM. Bench-to-bedside review: Bacterial virulence and subversion of host defences. Crit Care, 2008, 12(6): 234.

[7] Yin L, Qi KZ, Song XJ, Tu J. Type III secretion system 2 pathogenicity islands of Escherichia coli. Acta Microb Sin, 2017, 44(12): 3031–3037.尹磊, 祁克宗, 宋祥軍, 塗健. 大腸桿菌Ⅲ型分泌系統2毒力島研究進展. 微生物學報, 2017, 44(12): 3031–3037.

[8] Zou WC, Li CW, Yang X, Wang YX, Cheng GY, Zeng JX, Zhang XZ, Chen YP, Cai R, Huang QR, Feng L, Wang HN, Li DS, Zhang GQ, Chen YX, Zhang ZZ, Zhang HM. Frequency of antimicrobial resistance and integron gene cassettes in Escherichia coli isolated from giant pandas (Ailuropoda melanoleuca) in China. Microb Pathog, 2018, 116: 173–179.

[9] Ma ZJ, Rui P, Lu CX, Yang CR, Liu XR, Wang QY, Liu YZ, Zhang JW. Isolation and identification of extraintestinal pathogenic Escherichia coli from swine. Chin J Zoono, 2015, 31(2): 130–134.馬增軍, 芮萍, 逯春香, 楊彩然, 劉謝榮, 王秋悅, 劉曜綜, 張建文. 豬源腸外致病性大腸桿菌的分離與鑑定. 中國人獸共患病學報, 2015, 31(2): 130–134.

[10] CLSI. 2019. Performance Standards for Antimicrobial Susceptibility Testing. 29th ed. CLSI supplement M100, Clinical and Laboratory Standards Institute, Wayne, PA.

[11] Li RQ, Zhu HM, Ruan J, Qian WB, Fang XD, Shi ZB, Li YR, Li ST, Shan G, Kristiansen K, Li SG, Yang HM, Wang J, Wang J. De novo assembly of human genomes with massively parallel short read sequencing. Genome Res, 2010, 20(2): 265–272.

[12] Li RQ, Li YR, Kristiansen K, Wang J. SOAP: short oligonucleotide alignment program. Bioinformatics, 2008, 24(5): 713–714.

[13] Brettin T, Davis JJ, Disz T, Edwards RA, Gerdes S, Olsen GJ, Olson R, Overbeek R, Parrello B, Pusch GD, Shukla M, Thomason JA, Stevens R, Vonstein V, Wattam AR, Xia F. RASTtk: a modular and extensible implementation of the RAST algorithm for building custom annotation pipelines and annotating batches of genomes. Sci Rep, 2015, 5: 8365.

[14] Thomas M, Fenske GJ, Antony L, Ghimire S, Welsh R, Ramachandran A, Scaria J. Whole genome sequencing- based detection of antimicrobial resistance and virulence in non-typhoidal Salmonella enterica isolated from wildlife. Gut Pathog, 2017, 9: 66.

[15] Linhares I, Raposo T, Rodrigues A, Almeida A. Frequency and antimicrobial resistance patterns of bacteria implicated in community urinary tract infections: a ten-year surveillance study (2000-2009), BMC Infect Dis, 2013, 13: 19.

[16] Kulkarni R, Dhakal BK, Slechta ES, Kurtz Z, Mulvey MA, Thanassi DG. Roles of putative type II secretion and type IV pilus systems in the virulence of uropathogenic Escherichia coli. PLoS One, 2009, 4(3): e4752.

[17] Wang CD, Lan JC, Luo L, Yang Z, Zhang ZR. Klebsiella pneumoniae-pathogen of urogenital hematuria of giant panda. Sichuan J Zool, 2006, 25(1): 83–85.王成東, 蘭景超, 羅娌, 楊智, 張再蓉. 大熊貓感染性泌尿生殖道血尿症病原一肺炎克雷伯氏桿菌, 四川動物, 2006, 25(1): 83–85.

[18] Sulavik MC, Houseweart C, Cramer C, Jiwani N, Murgolo N, Greene J, DiDomenico B, Shaw KJ, Miller GH, Hare R, Shimer G. Antibiotic susceptibility profiles of Escherichia coli strains lacking multidrug efflux pump genes. Antimicrob Agents Chemother, 2001, 45(4): 1126–1136.

[19] Xue Y, Zhang XY, Wang GX, Huan YP. Progress on active efflux system in Escherichia coli conferring multidrug resistance. Chin J Prev Vet Med, 2009, 31(6): 493–496.薛原, 張秀英, 王貴霞, 華育平. 大腸桿菌主動外排系統的研究進展. 中國預防獸醫學報, 2009, 31(6): 493– 496.

[20] Zou LK, Meng JH, McDermott PF, Wang F, Yang QR, Cao GJ, Hoffmann M, Zhao SH, Presence of disinfectant resistance genes in Escherichia coli isolated from retail meats in the USA. J Antimicrob Chemother, 2014, 69(10): 2644–2649

[21] Edgar R, Bibi E. MdfA, an Escherichia coli multidrug resistance protein with an extraordinarily broad spectrum of drug recognition. J Bacteriol, 1997, 179(7): 2274–2280.

[22] Ma C, Chang G. Structure of the multidrug resistance efflux transporter EmrE from Escherichia coli. Proc Natl Acad Sci USA, 2004, 101(109): 2852–2857.

[23] Zou WC, Li CW, Yang X, Wang YX, Cheng GY, Zeng JX, Zhang XZ, Chen YP, Cai R, Huang QR, Feng L, Wang HN, Li DS, Zhang GQ, Chen YX, Zhang ZZ, Zhang HM. Frequency of antimicrobial resistance and integron gene cassettes in Escherichia coli isolated from giant pandas (Ailuropoda melanoleuca) in China. Microb Pathog, 2018, 116: 173–179.

[24] Jurado-Rabadán S, de la Fuente R, Ruiz-Santa-Quiteria JA, Orden JA, de Vries LE, Agersø Y. Detection and linkage to mobile genetic elements of tetracycline resistance gene tet(M) in Escherichia coli isolates from pigs. BMC Vet Res, 2014, 10: 155–161.

[25] Nguyen F, Starosta AL, Arenz S, Sohmen D, Dönhöfer A, Wilson DN, Tetracycline antibiotics and resistance mechanisms. Biol Chem, 2014, 395(5): 559–575.

[26] Yin WJ, Li H, Shen YB, Liu ZH, Wang SL, Shen ZQ, Zhang R, Walsh TR, Shen JZ, Wang Y. Novel plasmid- mediated colistin resistance gene mcr-3 in Escherichia coli. mBio, 2017, 8(3): e00543–17.

[27] Liu L, Feng Y, Zhang X, McNally A, Zong Z. New variant of mcr-3 in an extensively drug-resistant Escherichia coli clinical isolate carrying mcr-1 and blaNDM-5. Antimicrob Agents Chemother, 2017, 61(12): e01757–17.

[28] Xu YC, Zhong LL, Srinivas S, Sun J, Huang M, Paterson DL, Lei S, Lin JX, Li F, Tang ZC, Feng SY, Shen C, Tian GB, Feng YJ. Spread of MCR-3 colistin resistance in China: An epidemiological, genomic and mechanistic study. E Bio Medicine, 2018, 34: 139–157.

[29] Ling ZR, Yin WJ, Li H, Zhang QD, Wang XM, Wang Z, Ke YB, Wang Y, Shen JZ. Chromosome-mediated mcr-3 variants in Aeromonas veronii from chicken meat. Antimicrob Agents Chemother, 2017, 61(11): e01272–17.

[30] Xiang R, Ye X, Tuo H, Zhang X, Zhang A, Lei C, Yang Y, Wang H, Co-occurrence of mcr-3 and blaNDM-5 genes in multidrug-resistant Klebsiella pneumoniae ST709 from a commercial chicken farm in China. Int J Antimicrob Agents, 2018, 52(4): 519–520.

[31] Hernández M, Iglesias MR, Rodríguez-Lázaro D, Gallardo A, Quijada NM, Miguela-Villoldo P, Campos MJ, Píriz S, López-Orozco G, de Frutos C, Sáez JL, Ugarte-Ruiz M, Domínguez L, Quesada A. Co-occurrence of colistin- resistance genes mcr-1 and mcr-3 among multidrug- resistant Escherichia coli isolated from cattle, Spain, September 2015. Euro Surveill, 2017, 22(31): 1–5.

[32] Liu HY, Wang JW, Wang J, Li YQ, Huang XM, Qu ZN. Research progress of avian Escherichia coli virulence factors. Chin J Anim Health Inspec, 2013, 30(10): 25–28, 29.劉紅玉, 王君瑋, 王娟, 李玉清, 黃秀梅, 曲志娜. 禽大腸桿菌毒力因子的研究進展. 中國動物檢疫, 2013, 30(10): 25–28, 29.

[33] Vizcarra IA, Hosseini V, Kollmannsberger P, Meier S, Weber SS, Arnoldini M, Ackermann M, Vogel V. How type 1 fimbriae help Escherichia coli to evade extracellular antibiotics. Sci Rep, 2016, 6: 18109.

[34] Guo X, Kong LC, Liu SM, Ma HX. Progress on virulence factors in extraintestinal pathogenic Escherichia coli. Chin J Prev Vet Med,2015, 37(5): 405–408.郭霞, 孔令聰, 劉樹明, 馬紅霞. 動物源腸外致病性大腸桿菌毒力因子研究進展. 中國預防獸醫學報, 2015, 37(5): 405–408.

[35] Landraud L, Gibert M, Popoff M, Boquet P, Gauthier M. Expression of cnf1 by Escherichia coli J96 involves a large upstream DNA region including the hlyCABD operon, and is regulated by the RfaH protein. Mol Microbiol, 2003, 47(6): 1653–1667.

[36] den Reijer PM, Haisma EM, Lemmens-den Toom NA, Willemse J, Koning RI, Demmers JAA, Dekkers DHW, Rijkers E, Ghalbzouri AE, Nibbering PH, van Wamel W. Detection of alpha-toxin and other virulence factors in biofilms of Staphylococcus aureus on polystyrene and a human epidermal model. PLoS One, 2016, 11(1): e0145722.

[37] Yang YT, Qu CM, Li LY. Effect and mechanism of intestinal bacteria flora on colorectal cancer. Chin J Gastroenter, 2016, 21(5): 315–318.楊永濤, 屈昌民, 李連勇. 腸道菌群在結直腸癌中的作用及其機制. 胃腸病學, 2016, 21(5): 315–318.

[38] Mojica FJM, Díez-Villaseñor C, García-Martínez J, Soria E. Intervening sequences of regularly spaced prokaryotic repeats derive from foreign genetic elements. J Mol Evol, 2005, 60(2): 174–182.

[39] Wang HT, Liu NN, Ling BD. The effect of the insert sequence ISAba1 on the expression of carbapenemase gene in multidrug-resistant Acinetobacter baumannii. Chin J Antibio, 2014, 39(3): 229–233.王同慧, 劉男男, 凌保東. 插入序列ISAba1對多重耐藥鮑曼不動桿菌碳青黴烯酶基因表達的影響. 中國抗生素雜誌, 2014, 39(3): 229–233.

[40] Mu LL, Niu B, Zhao Y. Role of Vibrio parahaemolyticus secretion system in pathogenicity. Acta Microb Sin, 2019, 59(4): 621–631.穆麗麗, 牛犇, 趙勇. 副溶血性弧菌分泌系統在致病力中作用的研究進展. 微生物學報, 2019, 59(4): 621–631.

[41] Wang L, Wang YM, Yue JJ, Liang L, Huang PT. Progress in type III secretion system. Acta Microb Sin, 2004, 44(6): 840–844.汪莉, 王玉民, 嶽俊傑, 樑龍, 黃培堂. Ⅲ型分泌系統分子伴侶研究進展. 微生物學報, 2004, 44(6): 840–844.

[42] Chen Y, Liu JL, Qu HP. Mechanistic research on the role of siderophores in enhancing the virulence of Klebsiella pneumoniae. Chin J Infec Chemoth, 2016, 16(6): 804–807.陳楊, 劉嘉林, 瞿洪平. 鐵載體對肺炎克雷伯菌毒力增強的機制研究. 中國感染與化療雜誌, 2016, 16(6): 804– 807.

(責任編委: 謝建平)

附表1 大腸桿菌CCHTP耐藥情況

Supplementary Table 1 Antibiotic resistance of E. coli CCHTP
















類別

抗生素

敏感(S)

耐藥(R)

四環素類

四環素

R

β內酰胺抑制劑

阿莫西林/克拉維酸

S

單環內酰胺類

氨曲南

S

氨基糖苷類


卡那黴素

R

慶大黴素

R

大環內酯類


紅黴素

R

阿奇黴素

R

喹諾酮類



諾氟沙星

R

氧氟沙星

R

恩諾沙星

R

β-內酰胺類





阿莫西林

R

氨苄西林

R

頭孢克洛

R

頭孢噻肟

R

頭孢曲松

R

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