“坏蛋”大肠杆菌WG5D的基因组大揭秘：它为啥这么“抗打”还这么“坏”？

摘要:

这篇文章报道了对从南非北西省饮用水分布源中分离出的大肠杆菌WG5D菌株进行的基因组分析。研究的目的是探索该菌株的基因组特征，特别是与抗生素抗性、毒力因子和致病性相关的基因。研究发现WG5D菌株拥有多种抗生素抗性基因，包括对四环素、头孢菌素、万古霉素和氨基糖苷类的抗性。此外，还发现了与毒力相关的基因，表明该菌株可能具有增强的致病性，并识别出强调其适应性的移动遗传元素。研究结果强调了WG5D作为一种与南非饮用水源相关的潜在人类病原体的重要性，并提高了对饮用水中潜在病原体和抗生素抗性携带者的认识。

背景：

大肠杆菌是肠道微生物群的常见成员，被认为是粪便污染的指示器和抗生素抗性基因的潜在储存库。在饮用水源中发现大肠杆菌引起了对水生生态系统中抗生素抗性传播及其对公共卫生影响的关注。大肠杆菌能够获得和传递抗性基因，加上环境中低水平抗生素的持续暴露，强调了需要进行全面监测和严格的抗菌药物管理策略，以保护饮用水供应的质量和安全，最终减轻抗生素抗性的升级及其对人类福祉的影响。

主要结果：

1. 基因组特征

基因组大小和组成：WG5D菌株的基因组由119个contigs组成，总基因组大小为4,538,266 bp，GC含量为51.0%。基因组包含4429个蛋白编码序列（CDS）和92个RNA基因。

基因组岛（GIs）：共鉴定出39个基因组岛，这些区域可能通过水平基因转移获得了多种功能，包括抗生素抗性、应激抗性和挥发性有机化合物（VOC）的产生。

基因功能分布：基因组中与碳水化合物、氨基酸及其衍生物以及蛋白质代谢相关的基因数量最多，分别有348、302和245个基因。

2. 抗生素抗性基因

抗性基因种类：通过抗性基因鉴定（RGI）分析，发现WG5D菌株携带49个抗生素抗性基因，这些基因涵盖了多种抗生素类别，包括多药抗性、硝基咪唑类、四环素类、肽类、氟喹诺酮类、磷onic酸类、氨基糖苷类、氨基香豆素类、头孢菌素类和糖肽类。

抗性机制：鉴定出的抗性基因包括多药外排泵（如AcrA、AcrB、TolC等）、抗生素靶点改变（如gyrA突变）以及抗生素外排相关基因（如emrK、mdtH等）。

3. 致病因子和毒力相关基因

毒力因子：共鉴定出15个毒力因子，涉及热应激（clpK1）、运动性（fimH）、黏附（fdeC）、溶血（hlyE）和碲离子抗性（terC）等功能。

致病性预测：WG5D菌株被预测为潜在的人类病原体，预测概率为93.2%。

4. 基因组岛和移动遗传元件（MGEs）

基因组岛功能：鉴定出的基因组岛中包含多种功能基因，如转录调节因子、分泌系统、插入序列元件、金属抗性及转运系统、多药外排系统、噬菌体蛋白和毒素相关蛋白。

移动遗传元件：共鉴定出270个移动遗传元件，分为5类，其中复制、重组和修复功能的元件数量最多（112个），噬菌体元件数量最少（33个）。

5. 次级代谢产物基因簇

抗菌化合物基因簇：WG5D基因组中发现了两个次级代谢产物基因簇，分别编码硫肽类（thiopeptides）和非核糖体肽（NRPs）蛋白，这些基因簇与抗菌化合物的合成相关。

6. 系统发育分析

系统发育关系：通过16S rRNA基因序列、全基因组和蛋白质组的系统发育分析，确认WG5D菌株属于大肠杆菌。与大肠杆菌K12的平均核苷酸一致性（ANI）值为99.21%，表明两者亲缘关系非常接近。

7. 比较基因组学

基因组比较：与代表性大肠杆菌O157:H7菌株相比，WG5D菌株有3422个共享基因，而WG5D菌株仅有19个独特基因。此外，WG5D菌株的染色体长度较短，并且存在多个基因倒位和一个较大的缺失区域。

8. 公共卫生意义

饮用水安全风险：WG5D菌株携带多种抗生素抗性基因和毒力因子，表明其可能对人类健康构成威胁。研究强调了饮用水源中抗生素抗性基因监测的重要性，并建议采取更严格的监测策略和先进的分子技术来检测和管理这些潜在风险。

主要结论：

E. coli WG5D菌株具有多种抗生素抗性基因，包括四环素、头孢菌素、万古霉素和氨基糖苷类抗性。

毒力相关基因表明其可能具有增强的致病性，并识别出强调其适应性的移动遗传元素。

WG5D被识别为与南非饮用水源相关的潜在人类病原体。

分析提供了多个抗生素抗性相关基因/突变和移动遗传元素。

E. coli WG5D的出现提高了对饮用水中潜在病原体和抗生素抗性携带者的认识。

原文链接：https://doi.org/10.1186/s12864-024-10110-x