Анализ плазмид комплекса Klebsiella pneumoniae, несущих кластер генов синтеза аэробактина, представленных в международных базах данных

Введение. На данный момент принято выделять два патотипа Klebsiella pneumoniae — классические и гипервирулентные, обладающие способностью вызывать внебольничные инфекции у здоровых людей. Показано, что увеличение вирулентности связано с приобретением дополнительного генетического материала — плазмиды, несущей кластер генов аэробактина. Цель. Оценить распространённость данных вирулентных плазмид в мире и в России и выявить ключевые генетические особенности. Материал и методы. Последовательности плазмид были выгружены из баз данных PLSDB и BV-BRC, аннотированы программами Abricate и Kleborate, кластерный анализ проведён программой mge-cluster, филогенетический анализ программой Parsnp. Результаты. Было проанализировано 296 последовательностей плазмид, выделенных из 23 стран из клинических изолятов K.pneumoniae в период с 2006 г. по 2021 г. с пиковым значением в 2019 г., более половины плазмид — из Китая. Было идентифицировано более 30 сиквенс типов, среди которых преобладали ST11 и ST23. Гены репликонов группы IncFIB были выявлены почти во всех исследуемых плазмидах. Преобладающим типом аэробактина в исследуемых последовательностях был первый, также были выявлены последовательности с iuc3 и iuc5. Гены синтеза сальмохелина были выявлены только в 37,1% последовательностей, кластер йерсиниабактина был идентифицирован на двух плазмидах из Китая. 32,1% плазмид несли гены устойчивости, из которых 7,4% — гены беталактамаз расширенного спектра и в 5% были выявлены гены карбапенемаз. Было получено 9 кластеров последовательностей, почти все плазмиды из России были отнесены к одному кластеру и были NDM-позитивными. Вместе с плазмидами из других европейских стран (Великобритания, Норвегия, Чехия) они образовали отдельную ветку на филогенетическом дереве. Заключение. Вирулентные плазмиды, несущие кластер генов синтеза аэробактина, имеют глобальное распространение, почти треть из них несут также гены устойчивости к антибиотикам.

1. Ikuta K.S., Swetschinski L.R., Robles Aguilar G., Sharara F., Mestrovic T., Gray A.P. et al. Global mortality associated with 33 bacterial pathogens in 2019: a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2019. Lancet. 2022; 400 (10369): 2221–2248. doi: 10.1016/S0140-6736(22)02185-7.

2. Podschun R., Ullmann U. Klebsiella spp. As nosocomial pathogens: epidemiology, taxonomy, typing methods, and pathogenicity factors. Clin Microbiol Rev. 1998; 11 (4): 589–603. doi: 10.1128/CMR.11.4.589.

3. Tzouvelekis L.S., Markogiannakis A., Psichogiou M., Tassios P.T., Daikos G.L. Carbapenemases in Klebsiella pneumoniae and other enterobacteriaceae: an evolving crisis of global dimensions. Clin Microbiol Rev. 2012; 25 (4): 682–707. doi: 10.1128/CMR.05035-11.

4. Arnold R.S., Thom K.A., Sharma S., Phillips M., Kristie Johnson J., Morgan D.J. Emergence of Klebsiella pneumoniae carbapenemase-producing bacteria: South Med J. 2011; 104 (1): 40–45. doi: 10.1097/SMJ. 0b013e3181fd7d5a.

5. Ageevets V.A., Partina I.V., Lisitsyna E.S., Ilina E.N., Lobzin Y.V., Shlyapnikov S.A. et al. Emergence of carbapenemase-producing Gram-negative bacteria in Saint Petersburg, Russia. Int J Antimicrob Agents. 2014; 44 (2): 152–155. doi: 10.1016/j.ijantimicag.2014.05.004.

6. Barantsevich E.P., Churkina I.V., Barantsevich N.E., Pelkonen J., Schlyakhto E.V., Woodford N. Emergence of Klebsiella pneumoniae producing NDM-1 carbapenemase in Saint Petersburg, Russia. J Antimicrob Chemother. 2013; 68 (5): 1204–1206. doi: 10.1093/jac/dks503.

7. Fursova N.K., Astashkin E.I., Knyazeva A.I., Kartsev N.N., Leonova E.S., Ershova O.N. et al. The spread of bla OXA-48 and bla OXA-244 carbapenemase genes among Klebsiella pneumoniae, Proteus mirabilis and Enterobacter spp. isolated in Moscow, Russia. Ann Clin Microbiol Antimicrob. 2015; 14 (1): 46. doi: 10.1186/s12941-015-0108-y.

8. Liu Y.C. Klebsiella pneumoniae Liver Abscess Associated With Septic Endophthalmitis. Arch Intern Med. 1986;146 (10): 1913. doi: 10.1001/ archinte.1986.0036022005701.1

9. Wang J., Liu Y., Lee S.S., Yen M., Wang Y.C. Jao-Hsien, Wann S. et al. Primary Liver Abscess Due to Klebsiella pneumoniae in Taiwan. Clin Infect Dis. 1998; 26 (6): 1434–1438. doi: 10.1086/516369.

10. Rossi B., Gasperini M.L., Leflon-Guibout V., Gioanni A., De Lastours V., Rossi G. et al. Hypervirulent Klebsiella pneumoniae in сryptogenic liver abscesses, Paris, France. Emerg Infect Dis. 2018; 24 (2): 221–229. doi: 10.3201/eid2402.170957.

11. Nadasy K.A., Domiati-Saad R., Tribble M.A. Invasive Klebsiella pneumoniae Syndrome in North America. Clin Infect Dis. 2007; 45 (3): e25–e28. doi: 10.1086/519424.

12. Nassif X., Sansonetti P.J. Correlation of the virulence of Klebsiella pneumoniae K1 and K2 with the presence of a plasmid encoding aerobactin. Infect Immun. 1986; 54 (3): 603–608. doi: 10.1128/iai.54.3.603-608.1986.

13. Yu W.L., Chan K.S., Ko W.C., Lee C.C., Chuang Y.C. Lower Prevalence of diabetes mellitus in patients with Klebsiella pneumoniae primary liver abscess caused by isolates of K1/K2 than with Non-K1/K2 capsular serotypes. Clin Infect Dis. 2007; 45 (11): 1529–1530. doi: 10.1086/523006.

14. Russo T.A., Olson R., Fang C.T., Stoesser N., Miller M., MacDonald U. et al. Identification of biomarkers for differentiation of hypervirulent Klebsiella pneumoniae from classical K.pneumoniae. J Clin Microbiol. 2018; 56 (9): e00776–18. doi: 10.1128/JCM.00776-18.

15. Bulger J., MacDonald U., Olson R., Beanan J., Russo T.A. Metabolite transporter PEG344 is required for full virulence of hypervirulent Klebsiella pneumoniae strain hvKP1 after pulmonary but not subcutaneous challenge. Infect Immun. 2017; 85 (10): e00093–17. doi: 10.1128/IAI.00093-17.

16. Lin Z. wei, Zheng J. xin, Bai B., Xu G. jian, Lin F. jun, Chen Z. et al. Characteristics of hypervirulent Klebsiella pneumoniae: does low expression of rmpA contribute to the absence of hypervirulence? Front Microbiol. 2020; 11: 436. doi: 10.3389/fmicb.2020.00436.

17. Walker K.A., Treat L.P., Sepúlveda V.E., Miller V.L. The small protein RmpD drives hypermucoviscosity in Klebsiella pneumoniae. mBio. 2020; 11 (5): e01750–20. doi:10.1128/mBio.01750-20.

18. 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;337:189–198. doi: 10.1016/j.gene.2004.05.008

19. 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 NTUHK2044, a strain causing liver abscess and meningitis. J Bacteriol. 2009; 191 (14): 4492–4501. doi: 10.1128/JB.00315-09.

20. Shon A.S., Bajwa R.P.S., Russo T.A. Hypervirulent (hypermucoviscous) Klebsiella pneumoniae: A new and dangerous breed. Virulence. 2013; 4 (2): 107–118. doi: 10.4161/viru.22718.

21. Gu D., Dong N., Zheng Z., Lin D., Huang M., Wang L. et al. A fatal outbreak of ST11 carbapenem-resistant hypervirulent Klebsiella pneumoniae in a Chinese hospital: a molecular epidemiological study. Lancet Infect Dis. 2018; 18 (1): 37–46. doi: 10.1016/S1473-3099(17)30489-9.

22. Turton J., Davies F., Turton J., Perry C., Payne Z., Pike R. Hybrid resistance and virulence plasmids in «High-Risk» clones of Klebsiella pneumoniae, including those carrying blaNDM-5. Microorganisms. 2019; 7 (9): 326. doi: 10.3390/microorganisms7090326.

23. Lev A.I., Astashkin E.I., Kislichkina A.A., Solovieva E.V., Kombarova T.I., Korobova O.V. et al. Comparative analysis of Klebsiella pneumoniae strains isolated in 2012–2016 that differ by antibiotic resistance genes and virulence genes profiles. Pathog Glob Health. 2018; 112 (3): 142–151. doi: 10.1080/20477724.2018.1460949.

24. Lazareva I., Ageevets V., Sopova J., Lebedeva M., Starkova P., Likholetova D. et al. The emergence of hypervirulent blaNDM-1-positive Klebsiella pneumoniae sequence type 395 in an oncology hospital. Infect Genet Evol. 2020; 85:104527. doi: 10.1016/j.meegid.2020.104527.

25. Shaidullina E., Shelenkov A., Yanushevich Y., Mikhaylova Y., Shagin D., Alexandrova I. et al. Antimicrobial resistance and genomic characterization of OXA-48- and CTX-M-15-Co-producing hypervirulent Klebsiella pneumoniae ST23 recovered from nosocomial outbreak. Antibiotics. 2020; 9 (12): 862. doi: 10.3390/antibiotics9120862.

26. Starkova P., Lazareva I., Avdeeva A., Sulian O., Likholetova D., Ageevets V. et al. Emergence of hybrid resistance and virulence plasmids harboring new delhi metallo-β-lactamase in Klebsiella pneumoniae in Russia. Antibiotics. 2021; 10 (6): 691. doi: 10.3390/antibiotics10060691.

27. Xu Y., Zhang J., Wang M., Liu M., Liu G., Qu H. et al. Mobilization of the nonconjugative virulence plasmid from hypervirulent Klebsiella pneumoniae. Genome Med. 2021; 13 (1): 119. doi: 10.1186/s13073-021-00936-5.

28. Spadar A., Perdigão J., Campino S., Clark T.G. Large-scale genomic analysis of global Klebsiella pneumoniae plasmids reveals multiple simultaneous clusters of carbapenem-resistant hypervirulent strains. Genome Med. 2023; 15 (1): 3. doi: 10.1186/s13073-023-01153-y.

29. Cejas D., Fernández Canigia L., Rincón Cruz G., Elena A.X., Maldonado I., Gutkind G.O. et al. First isolate of KPC-2-producing Klebsiella pneumonaie sequence type 23 from the Americas. J Clin Microbiol. 2014; 52 (9): 3483–3485. doi: 10.1128/JCM.00726-14.

30. Compain F., Vandenberghe A., Gominet M., Genel N., Lebeaux D., Ramahefasolo A. et al. Primary osteomyelitis caused by an NDM-1-producing K.pneumoniae strain of the highly virulent sequence type 23. Emerg Microbes Infect. 2017; 6 (1): 1–3. doi: 10.1038/emi.2017.43.

31. Becker L., Kaase M., Pfeifer Y., Fuchs S., Reuss A., Von Laer A. et al. Genome-based analysis of carbapenemase-producing Klebsiella pneumoniae isolates from German hospital patients, 2008–2014. Antimicrob Resist Infect Control. 2018; 7 (1): 62. doi: 10.1186/s13756-018-0352-y.

32. Roulston K.J., Bharucha T., Turton J.F., Hopkins K.L., Mack D.J.F. A case of NDM-carbapenemase-producing hypervirulent Klebsiella pneumoniae sequence type 23 from the UK. JMM Case Rep. 2018; 5 (9). doi: 10.1099/jmmcr.0.005130.

33. Galata V., Fehlmann T., Backes C., Keller A. PLSDB: a resource of complete bacterial plasmids. Nucleic Acids Res. 2019; 47 (D1): D195–D202. doi: 10.1093/nar/gky1050.

34. Olson R.D., Assaf R., Brettin T., Conrad N., Cucinell C., Davis J.J. et al. Introducing the Bacterial and Viral Bioinformatics Resource Center (BV-BRC): a resource combining PATRIC, IRD and ViPR. Nucleic Acids Res. 2023; 51 (D1): D678–D689. doi: 10.1093/nar/gkac1003.

35. Seemann T. Abricate. https://github.com/tseemann/abricate

36. Lam M.M.C., Wick R.R., Watts S.C., Cerdeira L.T., Wyres K.L., Holt K.E. A genomic surveillance framework and genotyping tool for Klebsiella pneumoniae and its related species complex. Nat Commun. 2021; 12 (1): 4188. doi: 10.1038/s41467-021-24448-3.

37. Carattoli A., Hasman H. PlasmidFinder and in silico pMLST: identification and typing of plasmid replicons in Whole-Genome Sequencing (WGS). In: De La Cruz F., ed. Horizontal Gene Transfer. Vol 2075. Methods in Molecular Biology. Springer US; 2020: 285–294. doi: 10.1007/978-1-4939-9877-7_20.

38. Jolley K.A., Maiden M.C. BIGSdb: Scalable analysis of bacterial genome variation at the population level. BMC Bioinformatics. 2010; 11 (1): 595. doi: 10.1186/1471-2105-11-595.

39. Florensa A.F., Kaas R.S., Clausen P.T.L.C., Aytan-Aktug D., Aarestrup F.M. ResFinder — an open online resource for identification of antimicrobial resistance genes in next-generation sequencing data and prediction of phenotypes from genotypes. Microb Genomics. 2022; 8 (1). doi: 10.1099/mgen.0.000748.

40. Arredondo-Alonso S., Gladstone R.A., Pöntinen A.K., Gama J.A., Schürch A.C., Lanza V.F. et al. Consistent typing of plasmids with the Mge-cluster pipeline. Bioinformatics; 2022. doi: 10.1101/2022.12.16.520696.

41. Treangen T.J., Ondov B.D., Koren S., Phillippy A.M. The Harvest suite for rapid core-genome alignment and visualization of thousands of intraspecific microbial genomes. Genome Biol. 2014; 15 (11): 524. doi: 10.1186/s13059-014-0524-x.

42. Letunic I., Bork P. Interactive Tree Of Life (iTOL) v5: an online tool for phylogenetic tree display and annotation. Nucleic Acids Res. 2021; 49 (W1): W293–W296. doi: 10.1093/nar/gkab301.

43. Seemann T. mlst. https://github.com/tseemann/mlst