SXT/R391元件在动物源细菌中的流行、进化及其与细菌毒力的关联性

The SXT/R391 family is one of the largest and diverse set of Integrative and Conjugative Elements (ICEs). SXT/R391 ICEs are major contributors to the spread of multidrug resistance in bacteria from aquatic environment. Recently, the applicant identified a novel SXT/R391 element(ICEAppChn1) in Actinobacillus pleuropneumoniae, which is one of the most important pathogenic bacteria in pig industry. This ICE element showed unique structure and variation and was associated with increased pathogenicity in A. pleuropneumoniae. To date, the prevalence of SXT/R391 element in bacteria of farm origin and the relationship between this ICE family and pathogenicy of host bacteria are still not clear. This program elucidates the prevalence and evolution of SXT/R391 ICEs in bacteria of animal origin by investigation of its distribution, transferability analysis, structure interpretation and bioinformatic analysis. The relevance of SXT/R391 ICEs and bacterial pathogenicy will be clarified by mouse model and determination of virulence parameters. The virulence genes of SXT/R391 elements and its pathogenic mechanisms will be investigated by in vivo RNA-seq, gene knockout and other methods. This project is important for expanding the knowledge of the function and host range of SXT/R391, understanding the relationship between antibiotic resistance and bacterial pathogenicy, and preventing and controlling the spread of antibiotic resistance in animal farm.

SXT/R391是整合性接合元件中序列最长、多样性最为丰富的一个家族，在水环境细菌的多重耐药扩散传播中起关键作用。在前期工作中，申请人在猪重要病原菌—胸膜肺炎放线杆菌中发现一个新型SXT/R391（ICEAppChn1），该元件在结构上具有其自身进化变异的独特性并且可增强宿主菌的致病力。目前，SXT/R391在养殖环境的流行状况及其与宿主菌毒力的关系尚不清楚。本项目通过SXT/R391的分布调查、可转移性分析、结构解析以及比较生物信息学等方法阐明该元件在动物源细菌中的流行和进化变异特征。通过小鼠模型和细菌毒力参数的比较测定，明确SXT/R391和细菌毒力的相关性。应用体内RNA-seq和基因敲除等技术探明SXT/R391毒力相关基因及其可能的分子机制。上述研究对扩展SXT/R391功能和宿主范围的认识、揭示细菌耐药性和致病性之间的关系以及防控动物源细菌耐药性的转移扩散都具有重要意义。

SXT/R391以及其它整合结合元件（ICEs）在耐药基因的传播扩散中起重要作用。本研究系统性地调查了我国主要养殖区域中SXT/R391元件的的流行传播特点及其宿主菌的分布特征和耐药状况。结果表明，我国动物源肠道菌中SXT/R391的流行率非常高，达到了44.3%。宿主菌以变形杆菌属为主，此外还有大肠杆菌、蜂窝哈夫尼亚菌、普罗维登斯菌和摩氏摩根菌等。利用全基因组测序和生物信息学技术，本研究解析了胸膜肺炎放线杆菌中的新型SXT/R391元件ICEAplChn1的遗传结构和功能。与其它SXT/R391元件相比，ICEAplChn1的保守骨架区具有其独特的进化特征。ICEAplChn1具有一个新的插入热点，并携带多药耐药簇，其中包含首次报道的erm（42）和aphA6基因。利用in vivo-RNA seq技术，本研究阐明了ICEAplChn1及其组件在体内外表达并无显著差异，提示该元件未参与机体入侵和宿主互作。我们进一步调查了重要耐药基因mcr-1与SXT/R391元件的关联性。结果表明，我国生猪肠道菌群中mcr-1具有极高的流行率（76.2%），其主要宿主菌为大肠杆菌。mcr-1阳性大肠杆菌的PFGE谱型呈现高度多样化，提示水平转移元件介导其广泛传播，但未发现SXT/R391元件参与其中。在调查mcr-1与ICE元件关联性的过程中，本研究还发现了一个携带mcr-1的新型ICE元件ICEAsp1，该元件插入一个新的放线杆菌属细菌基因组，并且携带一个含九个耐药基因的多药耐药区。在此多药耐药区中，我们鉴定并命名了一个新型氯霉素耐药蛋白CatT。该蛋白属于CatA家族，并代表一个新的亚群A-17。此外，该多药耐药区中的多拷贝ISApl1元件可可两两组合形成携带不同耐药基因的复合转座子，可能有利于耐药基因的传播扩散。