IncA/C多重耐药质粒的基因组进化与传播扩散研究

Plasmids are important mobile genetic elements for the dissemination of drug resistance genes. One of the most important families is the IncA/C (incompatibility group A/C complex)plasmids, which encode a large number of multidrug-resistant genes such as blaCMY-2, blaNDM- 1, etc. The emergence and spread of multidrug-resistant strains mediated by IncA/C plasmids have been considered as great risk for public health. IncA/C plasmids are capable of conjugative transfer, and its exchange and transfer facilitated the spread and dissemination of multi-drug resistant phenotypes within bacterial communities. Therefore, the genome evolution and dissemination of IncA/C plasmids required thorough study. In this project, we will comprehensively curated the genome data of the existing IncA/C plasmid through literature mining, database and sequencing. Then, we will treat IncA/C plasmids as a species to do in-depth research. The comparative genomics, phylogenetics, coalescent theory and other research method will be introduced to investigate the evolution dynamics and spread pattern of IncA/C plasmid. The evolutionary events such as recombination and selection during spread and diffusion will be identified. Thus, the full evolutionary trajactory and spread pattern will be revealed. This study, by comprehensively elucidating the evolutionary characteristics and spread pattern of IncA/C plasmid, will play an important role in the prevention and control of the multidrug-resistance dissemination.

质粒是播散病原耐药基因的重要可移动遗传元件，其中最受关注的是IncA/C质粒。该类群质粒上大量编码多重耐药基因，如blaCMY-2，blaNDM-1等，由IncA/C质粒介导的多重耐药菌株的出现和扩散已被认为是全球公共卫生的重要危险因素。IncA/C质粒具备结合转移的能力，它的交换和转移更促进了细菌耐药表型的传播扩散。因此该复合类群质粒的进化变异、传播扩散非常值得关注。本研究拟通过文献挖掘、数据库搜集、结合测序全面获取现有IncA/C质粒基因组数据，将IncA/C质粒视为"物种"来研究，将细菌比较基因组学、系统发育、溯祖分析等研究方法引入，探究IncA/C质粒的进化历程与进化动态、传播扩散模式，揭示IncA/C质粒件在传播扩散过程中经历的重组、选择等进化事件，还原其演化历程和传播扩散过程全貌。本课题阐明其进化特征、传播规律将对病原菌耐药性传播扩散的防控有重要指导意义。

由IncA/C质粒（不相容A/C 群质粒）介导的多药耐药菌株的出现和传播对公共健康的重要威胁。在本项目中，我们收集了234个非冗余的高质量IncA/C质粒基因组，包括6个IncA质粒和228个IncC质粒。通过比较基因组学和进化基因组学的方法，我们全面分析了它们的基因组和进化特征。我们的研究表明，InA/C质粒的核心功能基因往往出现缺失或以多拷贝、多家族的形式存在，导致了InA/C质粒骨架基因的多样性和动态性。此外，系统发育分析表明，几个核心基因与复制子分型相对应，可以用于质粒的分类，弥补了以往分类标准的不足。IncA/C质粒的结合转移系统（IV型分泌系统）是InA/C质粒的关键功能系统之一，主要参与质粒核酸和大分子蛋白质的运输、转移对其耐药性、致病性的转移和传播具有重要意义。目前研究认为InA/C质粒中质粒的接合转移系统是由F型基因构成。然而，我们发现InA/C质粒中IV型分泌系统基因有很大的多样性。许多质粒不仅包含F型基因，还包含P型和I型基因，并且不同类型基因可能存在一定程度的功能代偿性，值得进一步深入研究。除核心功能系统和质粒骨架进化外，我们对IncA/C质粒的可变区域进行了深入挖掘，我们发现InA/C质粒基因组中存在4个以上的插入热点，在这些热点区域中分布着许多不同其它类型的可移动遗传元件，例如转座子、整合子和IS等，这些嵌套的可移动遗传元件中包含众多的耐药基因群。质粒进化过程中，嵌入这些插入元件的过程中可能会引入新的核心功能基因家族，也可能破坏原有的骨架核心基因，使得质粒骨架的进化更加复杂，并可能影响质粒本身的代谢，从而影响其扩散和传递。最后，我们把IncA/C质粒和被认为是其近亲的SXT/R391整合性结合元件进行了比较。结果显示尽管他们的许多核心基因有一个共同的家族，但IncA/C质粒更加复杂多样。总体上，本项目对IncA/C质粒的研究揭示的众多新的发现在很大程度上扩展了我们对这群多重药耐药质粒的认知。