尿道致病性大肠埃希菌全基因组高通量测序及生物信息学数据分析

来源 :温州医科大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:oucuifang
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目的:  1、用第二代高通量测序仪完成一株多重耐药尿道致病性大肠埃希菌(uropathogemic Escherichia coli,UPEC) NB8株的全基因组测序;  2、从NB8全基因组测序数据中挖掘出粘附素、菌毛、铁摄取系统、蛋白酶、毒素、抗原43、毒力岛等多种毒力因子及其组成形式,以阐明该菌株可能存在的致病机制;挖掘出β-内酰胺类、氨基糖苷类、喹诺酮类、大环内酯类、多粘菌素、磺胺类和四环素类等耐药基因的携带情况及接合性质粒、转座子、插入序列、整合子等可移动遗传元件和外排泵的存在和组成形式,以阐明该株多重耐药UPEC可能存在的耐药机制。  3、对NB8株做耐药基因的比较基因组学分析,以及菌株反应代谢通路的分析。  方法:  1、选取一株多重耐药的尿道致病性大肠埃希菌NB8,采用16S rDNA和gyrA基因测序方法进行菌株鉴定和确认,琼脂稀释法检测临床常用抗菌药物对菌株的敏感性,并收集和分析该菌株的相关临床资料;  2、采取随机散弹式打断法构建DNA文库,使用Illumina HiSeq与Ion TorrentPGM两种平台进行测序,针对缺口设计引物,得到PCR产物后再使用Sanger测序法填补缺口,最后采用多种生物信息学软件对NB8株全基因组做基因和功能注释;  3、从NB8株全基因组数据中挖掘出和UPEC致病力相关的毒力因子遗传信息及组成分析;  4、从菌株全基因组数据中分析UPEC耐药性相关基因、遗传信息及组成;  5、将NB8株和GENBANK上登陆的9株完成全基因组测序的大肠埃希菌的耐药基因进行比较基因组学分析;  6、采用KEGG软件进行NB8株反应代谢通路分析。  结果:  1、多重耐药尿道致病性大肠埃希菌(NB8株)经16S rDNA和gyrA基因测序、GenBank比对确认为大肠埃希菌。菌株对氨苄西林、头孢唑啉、头孢曲松、头孢他啶、头孢吡肟、氨曲南、头孢替坦、氨苄西林/舒巴坦、庆大霉素、妥布霉素、阿米卡星、环丙沙星、左氧氟沙星、复方新诺明、红霉素、四环素、多粘菌素均耐药;对哌拉西林/也唑巴坦、头孢哌酮/舒巴坦中介;对亚胺培南、美罗培南敏感。  2、NB8株经Illumina HiSeq与Ion Torrent PGM测序仪进行平行测序,二种仪器测得序列合并组装后PCR法补缺口。最终得到一条推定的染色体序列,长4,550,369bp(内含14个缺口)。推定的质粒序列,长635,377bp(内含33个缺口)。  3、NB8株全基因组数据中挖掘出多种毒力基因:包括粘附素基因、P菌毛基因papⅠ、papⅩ和2个拷贝的papB)、1型菌毛基因(fimB、fimX和2个拷贝的fimE)、大肠埃希菌共同菌毛基因ecpD及其它菌毛基因(matA和fml);产气菌素基因(iucA、iucB、iucC);血红素摄取(Chu)基因(ccmA、ccmB、ccmC和ccmD);肠杆菌素基因(seNB、fepC和fepE);分泌自转运毒素基因丝氨酸蛋白酶自转运体基因;溶血素基因hlyD;抗原43基因及2个拷贝的SHI-2毒力岛基因。  4、全基因组数据结果显示,该菌株携带多种耐药基因:包括β-内酰胺类耐药基因(A类β-内酰胺酶基因blaTEM-1,blaTEM-15和2个拷贝的blacTX-M-3,C类β-内酰胺酶基因ampC,以及PBP靶位基因突变和膜孔蛋白基因突变;氨基糖苷类耐药基因(核苷转移酶基因(ANT) ant(3")-Ⅰ、磷酸转移酶基因(APH) aph(6)-Ⅰd、aph(3")-Ⅰb、乙酰转移酶(AAC) aac(3)-Ⅱ);喹诺酮类耐药基因突变点(GyrA蛋白83位由TCG(S)突变为TTG(L),83位由GAC(D)突变为AAC(N),ParC蛋白80位由AGC(S)突变为ATT(Ⅰ));大环内酯类耐药基因(2-磷酸转移酶基因mph(2)-Ⅰ、大环内酯类转运ATP结合/通透酶基因macA);多粘菌素耐药基因arnA;磺胺类耐药基因(二氢叶酸合成酶基因sul1、sul2、二氢叶酸还原酶dfrA17);四环素类耐药基因(tetA和2个拷贝的tetC)。并在NB8株染色体基因组片段序号5048至5052中发现一个Ⅰ类整合子,包含dfrA17、ant(3")-Ⅰ、SMR family和sul1四个耐药基因盒。  5、从菌株全基因组数据中挖掘出多种接合性质粒、转座子、插入序列、整合子等可移动遗传元件和外排泵基因。  6、NB8株和9株已完成全基因组测序的大肠埃希菌耐药基因的比较基因组学分析结果显示:NB8株携带的耐药基因最多,其次是禽源性大肠埃希菌APECO1株,其它8株菌携带的耐药基因相对较少。NB8株和UTI89株、CFT073株、536株同属尿道致病性大肠埃希菌(UPEC),但NB8株携带的耐药基因明显多于其它三株UPEC。这10株菌中β-内酰胺类耐药基因ampC、大环内酯类耐药基因macA、多粘菌素类耐药基因arnA的携带率均较高,而其它耐药基因的携带率较低。NB8株和9株比对菌株外排泵基因的携带率都非常高。  7、NB8株KEGG反应代谢通路分析提示NB8株参与多个通路,包括鞭毛装配通路、细菌分泌系统通路、病原相关分子模式(PAMPs)与该蛋白相互作用的模式识别蛋白(PRPs)的关系通路、β-内酰胺类耐药通路、双成份系统通路、ATP结合盒转运体通路、叶酸合成通路、叶酸碳库通路、肽聚糖合成通路、氨基糖、核糖新陈代谢通路、青霉素和头孢菌素合成通路、百日咳致病机制通路等。  结论:  1、多重耐药尿道致病性大肠埃希菌NB8株的遗传学背景明确,全基因组数据中挖掘的多种耐药基因是导致NB8株对多种抗菌药物耐药的重要原因,主动外排机制增强也会导致或者增强NB8株的耐药性。可移动遗传元件(质粒、转座子和整合子等)能使细菌的耐药性迅速播散,使受体菌呈多药耐药。  2、NB8株中检出的多种毒力因子可能会在细菌粘附、侵袭、溶细胞活性、细胞毒性等方面起着重要作用,并能增强细菌的生存能力和致病力,导致宿主的泌尿道感染。  3、比较基因组学分析提示NB8株携带的耐药基因最多,KEGG反应代谢通路分析提示其参与多个代谢通路,表明该菌株具有较强的耐药性和致病性。比较基因组学分析和KEGG反应代谢通路分析可为临床致病性病原菌的研究提供科学依据。
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