МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЕЗИСТОМА И ВИРУЛОМА КАРБАПЕНЕМ-УСТОЙЧИВЫХ КЛИНИЧЕСКИХ ШТАММОВ KLEBSIELLA PNEUMONIAE

Аннотация

Представлена характеристика структуры резистома и вирулома четырёх клинических карбапенем-устойчивых штаммов Klebsiella pneumoniae. Два штамма принадлежали к сиквенс-типу ST395, один штамм — ST2262, один штамм — к новому сиквенс-типу 5816. У всех штаммов клебсиелл в структуре хромосомы определены гены фимбрий, энтеробактина, β-лактамаз типа SHV, устойчивости к фосфомицину fosA и транспорта фторхинолонов oqxAB. Вирулом штаммов ST395 — NNKP315 и NNKP343 обогащён детерминантами иерсинеобактина и аэробактина, гены последнего расположены в структуре плазмид IncHI1B (IncHI1B/FIB), высокогомологичных плазмидам вирулентности pLVPK и pK2044. В составе плазмидной ДНК этих штаммов, несущей репликоны IncR, IncL, IncQ, выявлен набор генов резистентности: blaOXA-48, blaCTX-M-15, blaOXA-1, blaТЕМ-1, aac(6’)-Ib-cr, qnrS1, catA1, catB3, tet(A), sul1, dfrA1 и др. В результате анализа in silico сделано предположение о локализации гена blaOXA-48 у штамма NNKP315 в структуре плазмиды IncHI1B, которая содержит также гены аминогликозидаз в составе интегрона первого класса In822. В генах пориновых белков ОmpK35, OmpK36, OmpK37 обнаружены мутации, вносящие дополнительный вклад в проявление устойчивости к карбапенемам. В вирулом штамма NNKP16 (ST2262) входят хромосомные гены системы утилизации железа kfuABC, в вирулом штамма NNKP15 (ST5816) — гены капсульного полисахарида kvgAS и микроцина E492. В структуре резистома K. pneumoniae NNKP16 не выявлено дополнительных детерминант устойчивости, у штамма NNKP15 обнаружен только ген blaСТХ-М-15. Отсутствие приобретённых генов резистентности, по-видимому, обусловлено наличием системы CRISPR-Cas типа I-E. Множественная лекарственная устойчивость исследуемых штаммов связана с мутациями, выявленными в структуре маркёрных генов, в частности, пориновых белков OmpK36 и OmpK37, активностью эффлюксных систем. У обоих штаммов выявлено наличие стоп-кодона в последовательности регуляторного гена ramR, что потенциально может обеспечивать гиперэкспрессию эффлюкс-белков AcrAB.

Об авторах

Список литературы

Yang Y., Higgins C.H., Rehman I., Galvao K.N., Brito I.L., Bicalho M.L. et al. Genomic diversity, virulence, and antimicrobial resistance of Klebsiella pneumoniae strains from cows and humans. Appl. Environ. Microbiol. 2019; 85(6). https://doi.org/10.1128/AEM.02654-18

Pendleton J.N., Gorman S.P., Gilmore B.F. Clinical relevance of the ESKAPE pathogens. Expert. Rev. Anti. Infect. Ther. 2013; 11(3): 297-30. https://doi.org/10.1586/eri.13.12

Wyres K.L., Holt K.E. Klebsiella pneumoniae as a key trafficker of drug resistance genes from environmental to clinically important bacteria. Curr. Opin. Microbiol. 2018; 45: 131-9. https://doi.org/10.1016/j.mib.2018.04.004

Partridge S.R., Kwong S.M., Firth N., Jensen S.O. Mobile genetic elements associated with antimicrobial resistance. Clin. Microbiol. Rev. 2018; 31(4): e00088-17. https://doi.org/10.1128/CMR.00088-17

Tatusova T., DiCuccio M., Badretdin A., Chetvernin V., Nawrocki E.P., Zaslavsky L. et al. NCBI prokaryotic genome annotation pipeline. Nucleic Acids Res. 2016; 44(14): 6614-24. https://doi.org/10.1093/nar/gkw569

Francisco A.P., Bugalho M., Ramirez M., Carriço J.A. Global optimal eBURST analysis of multilocus typing data using a graphic matroid approach. BMC BioI. 2009; 10: 152. https://doi.org/10.1186/1471-2105-10-152

Diancourt L., Passet V., Verhoef J., Grimont P.A., Brisse S. Multilocus Sequence Typing of Klebsiella pneumoniae nosocomial isolates. J. Clin. Microbiol. 2005; 43: 4178-82. https://doi.org/10.1128/JCM.43.8.4178-4182.2005

Chen Y.T., Chang H.Y., Lai Y.C., Pan C.C., Tsai S.F., Peng H.L. Sequencing and analysis of the large virulence plasmid pLVPK of Klebsiella pneumoniae CG43. Gene. 2004; 337: 189-98. https://doi.org/10.1016/j.gene.2004.05.008

Wu K.M., Li L.H., Yan J.J., Tsao N., Liao T.L., Tsai H.C. et al. Genome sequencing and comparative analysis of Klebsiella pneumoniae NTUH-K2044, a strain causing liver abscess and meningitis. J. Bacteriol. 2009; 191(14): 4492-01. https://doi.org/10.1186/s13756-019-0596-1

Shelenkov A., Mikhaylova Y., Yanushevich Y., Samoilov A., Petrova L., Fomina V. et al. Molecular typing, characterization of antimicrobial resistance, virulence profiling and analysis of whole-genome sequence of clinical Klebsiella pneumoniae isolates. Antibiotics (Basel). 2020; 9(5): 1-15. https://doi.org/10.3390/antibiotics9050261

Алексеева А.Е., Бруснигина Н.Ф., Гординская Н.А. Мобилом клинических карбапенем-устойчивых изолятов Klebsiella pneumoniae. Генетика. 2020; 56(3): 272-81. https://doi.org/10.31857/S0016675820030030

Poirel L., Bonnin R.A., Nordmann P. Genetic features of the widespread plasmid coding for the carbapenemase OXA-48. Antimicrob. Agents Chemother. 2012; 56(1): 559-62. https://doi.org/10.1128/AAC.05289-11

Colclough A.L., Alav I., Whittle E.E., Pugh H.L., Darby E.M., Legood S.W. et al. RND efflux pumps in Gram-negative bacteria; regulation, structure and role in antibiotic resistance. Future Microbiol. 2020; 15: 143-57. https://doi.org/10.2217/fmb-2019-0235

Ogawa W., Onishi M., Ni R., Tsuchiya T., Kuroda T. Functional study of the novel multidrug efflux pump KexD from Klebsiella pneumoniae. Gene. 2012; 498(2): 177-82. https://doi.org/10.1016/j.gene.2012.02.008

Du D., Wang-Kan X., Neuberger A., van Veen H.W., Pos K.M., Piddock L.J.V. et al. Multidrug efflux pumps: structure, function and regulation. Nat. Rev. Microbiol. 2018; 16(9): 523-39. https://doi.org/10.1038/s41579-018-0048-6

Kumar S., Mukherjee M.M., Varela M.F. Modulation of bacterial multidrug resistance efflux pumps of the major facilitator superfamily.Int. J. Bacteriol. 2013; 2013: 204141. https://doi.org/10.1155/2013/204141

Makarova K.S., Wolf Y.I., Iranzo J., Shmakov S.A., Alkhnbashi O.S., Brouns S.J.J. et al. Evolutionary classification of CRISPR-Cas systems: a burst of class 2 and derived variants. Nat. Rev. Microbiol. 2020; 18(2): 67-3. https://doi.org/10.1038/s41579-019-0299-x

Newire E., Aydin A., Juma S., Enne V.I., Roberts A.P. Identification of a Type IV-A CRISPR-Cas System located exclusively on IncHI1B/IncFIB plasmids in Enterobacteriaceae. Front. Microbiol. 2020; 11: 1937. https://doi.org/10.3389/fmicb.2020.01937

Fursova N.K., Astashkin E.I., Gabrielyan N.I., Novikova T.S., Fedyukina G.N., Kubanova et al. Emergence of five genetic lines ST395 NDM-1, ST13 OXA-48, ST3346 OXA-48, ST39 CTX-M-14, and novel ST3551 OXA-48 of multidrug-resistant clinical Klebsiella pneumoniae in Russia. Microb. Drug Resist. 2020; 26(8): 924-33. https://doi.org/10.1089/mdr.2019.0289

Maida C., Bonura C., Geraci D., Graziano G., Carattoli A., Rizzo A. et al. Outbreak of ST395 KPC-Producing Klebsiella pneumoniae in a Neonatal Intensive Care Unit in Palermo, Italy. Infect. Control Hosp. Epidemiol. 2018; 39(4): 496-8. https://doi.org/10.1017/ice.2017.267

Muggeo A., Guillard T., Klein F., Reffuveille F., François C., Babosan A. et al. Spread of Klebsiella pneumoniae ST395 non-susceptible to carbapenems and resistant to fluoroquinolones in North-Eastern France. J. Glob. Antimicrob. Resist. 2018; 13: 98-103. https://doi.org/10.1016/j.jgar.2017.10.023

Li L., Yuan Z., Chen D., Xie X., Zhang B. Clinical and microbiological characteristics of invasive and hypervirulent Klebsiella pneumoniae infections in a teaching hospital in China. Infect. Drug Resist. 2020; 13: 4395-403. https://doi.org/10.2147/IDR.S282982

Mendonça N., Ferreira E., Louro D. Antibiotic Resistance Surveillance Program in Portugal (ARSIP) Participants, Caniça M. Molecular epidemiology and antimicrobial susceptibility of extended- and broad-spectrum beta-lactamase-producing Klebsiella pneumoniae isolated in Portugal.Int. J. Antimicrob. Agents. 2009; 34(1): 29-37. https://doi.org/10.1016/j.ijantimicag.2008.11.014

Marcoleta A.E., Berríos-Pastén C., Nuñez G., Monasterio O., Lagos R. Klebsiella pneumoniae asparagine tDNAs are integration hotspots for different genomic islands encoding Microcin E492 production determinants and other putative virulence factors present in hypervirulent strains. Front. Microbiol. 2016; 7(849). https://doi.org/10.3389/fmicb.2016.00849

Fasciana T., Gentile B., Aquilina M., Ciammaruconi A., Mascarella C., Anselmo A. et al. Co-existence of virulence factors and antibiotic resistance in new Klebsiella pneumoniae clones emerging in south of Italy. BMC Infect. Dis. 2019; 19: 2019. https://doi.org/10.1186/s12879-019-4565-3

Ma L.C., Fang C.T., Lee C.Z., Shun C.T., Wang J.T. Genomic heterogeneity in Klebsiella pneumoniae strains is associated with primary pyogenic liver abscess and metastatic infection. J. Infect. Dis. 2005; 192(1): 117-28. https://doi.org/10.1086/430619

Novais A., Cantón R., Moreira R., Peixe L., Baquero F., Coque T.M. Emergence and dissemination of Enterobacteriaceae isolates producing CTX-M-1-like enzymes in Spain are associated with IncFII (CTX-M-15) and broad-host-range (CTX-M-1, -3, and -32) plasmids. Antimicrob. Agents Chemother. 2007; 51(2): 796-9. https://doi.org/10.1128/AAC.01070-06

Dolejska M., Villa L., Hasman H., Hansen L., Carattoli A. Characterization of IncN plasmids carrying blaCTX-M-1 and qnr genes in Escherichia coli and Salmonella from animals, the environment and humans. J. Antimicrob. Chemother. 2013; 68(2): 333-9. https://doi.org/10.1093/jac/dks387

Carattoli A., Seiffert S.N., Schwendener S., Perreten V., Endimiani A. Differentiation of IncL and IncM plasmids associated with the spread of clinically relevant antimicrobial resistance. PLoS ONE. 2015; 10(5): e0123063. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0123063

Schwanbeck J., Bohne W., Hasdemir U., Groß U., Pfeifer Y., Bunk B. et al. Detection of a new resistance-mediating plasmid chimera in a blaOXA-48-positive Klebsiella pneumoniae strain at a German University Hospital. Microorganisms. 2021; 9(4): 720. https://doi.org/10.3390/microorganisms9040720

Uz Zaman T., Aldrees M., Al Johani S.M., Alrodayyan M., Aldughashem F.A., Balkhy H.H. Multi-drug carbapenem-resistant Klebsiella pneumoniae infection carrying the OXA-48 gene and showing variations in outer membrane protein 36 causing an outbreak in a tertiary care hospital in Riyadh, Saudi Arabia.Int. J. Infect. Dis. 2014; 28: 186-92. https://doi.org/10.1016/j.ijid.2014.05.021

Ruiz E., Ocampo-Sosa A.A., Rezusta A., Revillo M.J., Román E., Torres C. et al. Acquisition of carbapenem resistance in multiresistant Klebsiella pneumoniae strains harbouring blaCTX-M-15, qnrS1 and aac(6’)-Ib-cr genes. J. Med. Microbiol. 2012; 61(5): 672-7. https://doi.org/10.1099/jmm.0.038083-0

Schneiders T., Amyes S.G., Levy S.B. Role of AcrR and ramA in fluoroquinolone resistance in clinical Klebsiella pneumoniae isolates from Singapore. Antimicrob. Agents Chemother. 2003; 47(9): 2831-7. https://doi.org/10.1128/AAC.47.9.2831-2837.2003

Hentschke M., Wolters M., Sobottka I., Rohde H., Aepfelbacher M. ramR mutations in clinical isolates of Klebsiella pneumoniae with reduced susceptibility to tigecycline. Antimicrob. Agents Chemother. 2010; 54: 2720-3. https://doi.org/10.1128/AAC.00085-10

Barrangou R. Diversity of CRISPR-Cas immune systems and molecular machines. Genome Biol. 2015; 16: 247. https://doi.org/10.1186/s13059-015-0816-9

Newire E., Aydin A., Juma S., Enne V.I., Roberts A.P. Identification of a Type IV-A CRISPR-Cas System located exclusively on IncHI1B/IncFIB plasmids in Enterobacteriaceae. Front. Microbiol. 2020; 11: 1937. https://doi.org/10.3389/fmicb.2020.01937

Pinilla-Redondo R., Mayo-Muñoz D., Russel J., Garrett R.A., Randau L., Sørensen S.J. et al. Type IV CRISPR-Cas systems are highly diverse and involved in competition between plasmids. Nucleic Acids Res. 2020; 48(4): 2000-12. https://doi.org/10.1093/nar/gkz1197

Ключевые слова