101个国家污水中的抗生素耐药性分布特征

背景及实验方法：抗菌素耐药性（AMR）正严重威胁全球公共卫生安全，对全球基因组病原体监测和了解其全球生态学、流行病学和进化的需求比以往任何时候都要大。最近的一项大型研究发现，与所有感染都易于治疗的模型情况相比，2019年细菌性抗生素耐药性在全球造成了127万人额外死亡。了解全球和局部抗生素耐药性出现、选择和传播以及单个抗生素耐药性基因(arg)背后的流行病学，对于制定抗击这一威胁的可持续战略至关重要。

丹麦技术大学Patrick Munk助理教授团队通过对2016-2019年间101个国家、243个城市采集的757份污水样本进行宏基因组测序分析。

主要结果：

抗性组在地理分布上具有时间稳定性。研究发现，抗生素抗性基因（ARGs）丰度在不同地区与大陆间存在差异。其中，撒哈拉以南非洲地区ARGs总体负荷最高，但区域内冈比亚与马达加斯加负荷最低。欧洲和北美地区ARGs负荷较为均质，非洲、中东和南美则呈现明显的区域异质性。

图1.基于污水监测的全球抗性组图谱

抗性组呈现地理分异特征且存在药物类别特异性。层次聚类分析将全球抗性组分为两大聚类群：其中，欧洲、中亚及北美聚类群富集erm(B)等大环内酯类抗生素抗性基因（ARGs），而非洲、中东聚类群则以磺胺类ARGs（如sul1）为主。研究发现，相较于季节因素（1.8%），区域因素对抗性组结构差异影响更大（16.2%）。另外，不同类别ARGs呈现出独特的地理分布模式，拉丁美洲区域β-内酰胺类ARGs分化为独立的双聚类群。此外，四环素类ARGs按作用机制（外排泵与16S rRNA甲基化酶）明显分组。

图2.全球细菌组与抗性组的区域性特征

特定区域内抗生素抗性基因（ARGs）的广宿主分布特征，变形菌门（Proteobacteria）和厚壁菌门（Firmicutes）是非质粒ARGs的主要宿主。革兰阳性菌中，肠球菌属（Enterococcus）携带的ARGs种类最为丰富，并与革兰阴性菌弯曲菌属（Campylobacter）存在基因交流。值得注意的是，撒哈拉以南非洲地区的特殊生态条件可能促进了ARGs在变形菌门（Proteobacteria）与厚壁菌门（Firmicutes）间的传播。

图3.细菌属间基因共享网络

针对49种最常见的ARGs，研究发现，fosA等基因保持稳定的基因连锁结构，表明其长期稳定的宿主内共进化过程，而qnrS2等基因虽序列高度保守但侧翼变异显著，暗示其频繁的基因组转移与重组过程。值得注意的是，在坦桑尼亚，msr(D)在微小杆菌属（Exiguobacterium）、沙门氏菌属（Salmonella）、肠球菌属（Enterococcus）宿主中序列完全一致，暗示该地区可能存在其传播热点。研究表明，ARGs的传播机制具有基因特异性，其进化路径取决于生物学特性、地理分布与基因组背景，需要针对不同类型ARGs建立差异化传播模型。

图4.抗生素抗性基因（ARG）侧翼区基因组背景的异质性特征

主要结论：研究在抗性体中发现了区域模式，这些模式在对应药物类别的子集之间有所不同，部分是由分类学变异驱动的。49种常见ARG的遗传环境高度多样化，大多数常见ARG在全球范围内由多个不同的基因组环境携带，有时在质粒上携带。侧翼序列分析揭示了ARG特有的扩散限制和全球传播模式。研究的数据进一步表明，某些地区更容易发生传播事件，应得到额外的关注。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-34312-7.