猪链球菌耐药相关可移动遗传元件的鉴定及其水平传播机制

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猪链球菌是人兽共患病原菌,不仅对养猪业造成巨大经济损失,也对人类健康甚至生命造成威胁。目前研究证实猪链球菌是抗生素耐药基因贮库,其耐药相关可移动遗传元件如整合接合元件(ICE)、质粒、噬菌体等在其耐药基因水平传播中发挥关键作用。本研究通过猪链球菌分离鉴定、全基因组学测序、生物信息学分析、MLST分型、自然转化试验、电转化试验、竞争试验等方法,分析猪链球菌耐药表型、鉴定耐药基因及耐药相关可移动遗传元件,解析水平传播机制,为耐药性防控以及抗生素的合理用药提供理论基础。对2006-2018年间,在广东省、河南省、山东省、山西省、河北省等五个省,从临床分离的131株猪链球菌,鉴定其种属,并对其进行全基因组学测序。利用生物信息学分析显示,131株猪链球菌共携带28种耐药基因,其中四环素类耐药基因tet携带率最高100%(131/131),其次是大环内酯类耐药基因erm,携带率80.9%(106/131)。耐药表型分析结果显示,四环素耐药率最高100%(131/131),其次是红霉素96.9%(127/131)。不同ST型携带耐药基因差异分析结果显示,131株猪链球菌共分为55种基因谱型,其中携带erm(B)、tet(O)基因谱型猪链球菌共48株,在本试验所有ST型中均有分布,而携带耐药基因ant、aph(3’)-III、mef(A)、msr(D)、tet(40)、erm(B)、tet(O)基因谱型猪链球菌共19株,集中在ST7型。分析血清型结果显示,109株可归入18种血清型,22株是未知血清型。2型占比最高,达27.5%,其次是3型(10.7%)和9型(9.2%)。同时,本研究也发现一个携带替加环素耐药基因tet(M)变异体的新型ICESsu SC128,以及两个含有大环内酯类耐药基因erm(T)的可移动遗传元件ICESsu SC117和质粒p SC262。ICESsu SC128位于猪链球菌SC128染色体上,大小36.097kb,同时含有tet(L)和tet(M)基因,其具有环化活性,并可水平转移插入受体菌rpl L基因座。通过基因克隆及功能分析发现,ICESsu SC128源tet(M)贡献了替加环素耐药性,而非tet(L)。与参考序列比对分析,ICESsu SC128源Tet(M)33个氨基酸位点发生突变。携带erm(T)基因的ICESsu SC117位于猪链球菌SC117染色体上,大小64.013kb,其具有环化活性,并可水平转移插入受体菌rpl L基因座,赋予受体菌红霉素、林可霉素和克林霉素耐药表型。erm(T)基因上游调控区分析表明,ICESsu SC117源erm(T)为组成型表达。推测其可能导致ICESsu SC117的适应性代价。携带erm(T)基因的质粒p SC262大小为5.125kb,含有耐药基因erm(T)。分别以猪链球菌P1/7、人源肺炎链球菌D39和金黄色葡萄球菌RN4220为受体菌,通过转化试验,均成功获得含有p SC262阳性转化子,且均具有红霉素、林可霉素和克林霉素耐药表型。erm(T)基因上游调控区分析表明,质粒p SC262源erm(T)为组成型表达。推测其可能导致质粒p SC262的适应性代价。生长曲线和竞争试验结果表明,ICESsu SC117在猪链球菌中存在适应性代价,质粒p SC262在猪链球菌和人源肺炎链球菌中均存在适应性代价。综上所述,本研究通过表型测定和全基因组学测序,解析了我国五个省份的131株猪链球菌耐药表型和基因型,发现四环素类和大环内酯类普遍耐药,可能与其携带的可移动遗传元件有关。研究进一步鉴定了3个新型可移动遗传元件ICESsu SC128、ICESsu SC117和质粒p SC262,并证实其均可水平转移。位于ICESsu SC117和质粒p SC262上的erm(T)基因为组成型表达,导致了ICESsu SC117和质粒p SC262存在适应性代价,从而揭示了erm(T)基因在猪链球菌和人源肺炎链球菌中未能发生普遍流行的重要原因。本研究为遏制携带四环素类和大环内酯类耐药基因可移动遗传元件在动物源和人源链球菌中交互传播提供了理论依据。
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