背景知識(shí)：
肺炎克雷伯菌 (Klebsiella pneumoniae)?屬于腸桿菌科，其中包括著名的沙門氏菌屬 （Salmonella）和埃希氏菌屬（Escherichia）。肺炎克雷伯菌是世界上最常見的醫(yī)院病原體之一，也是新生兒敗血癥的主要原因。世界衛(wèi)生組織認(rèn)識(shí)到產(chǎn)生廣譜β-內(nèi)酰胺（ESBL）和耐碳青霉烯類肺炎克雷伯菌（CRKp）是一種嚴(yán)重的公共衛(wèi)生威脅。據(jù)報(bào)道，僅在歐洲，此類菌株每年就有90，000例以上感染，每年7，000例以上死亡，占多重耐藥（MDR）細(xì)菌感染喪失的殘疾調(diào)整生命年總數(shù)的25%。
除了作為醫(yī)院病原體的重要性之外，肺炎克雷伯菌還可以生活在廣泛的宿主相關(guān)和環(huán)境生態(tài)位中，并表現(xiàn)出廣泛的表型和遺傳多樣性。然而，關(guān)于這種遺傳多樣性如何在細(xì)菌種群內(nèi)（即物種種群結(jié)構(gòu)）以及這與生物體的生態(tài)或其引起不同類型疾病的能力之間的關(guān)系知之甚少。例如，盡管已經(jīng)描述了毒力質(zhì)粒，但是絕大多數(shù)來自臨床感染的分離物中不存在毒力質(zhì)粒。高通量基因組分析使我們能夠查詢和比較數(shù)百或數(shù)千個(gè)肺炎克雷伯菌的整個(gè)遺傳互補(bǔ)，并揭示了該病原體種群結(jié)構(gòu)，幫助我們更好地了解其如何進(jìn)化，傳播和導(dǎo)致疾病。例如，目前的數(shù)據(jù)表明，與抗菌素耐藥性（AMR）和毒力相關(guān)的基因各自集中在肺炎克雷伯菌的不同亞群中。
主要討論的內(nèi)容：
該篇綜述中，主要討論了基因組學(xué)方法如何提高對(duì)肺炎克雷伯菌分類學(xué)，生態(tài)學(xué)和進(jìn)化的理解，以及致病性和抗菌素耐藥性的臨床相關(guān)決定因素的多樣性和分布。
Taxonomy
全基因組測(cè)序（WGS）已經(jīng)闡明，在臨床和研究實(shí)驗(yàn)室中通過生物化學(xué)或蛋白質(zhì)組學(xué)分析鑒定為肺炎克雷伯菌的大部分分離株實(shí)際上屬于密切相關(guān)的物種，其平均核苷酸相似性在95-96%之間，作者將其稱為肺炎克雷伯菌物種復(fù)合體（K. pneumoniae?species complex，KpSC），與其他克雷伯氏菌物種（Klebsiella）僅具有90%的平均核苷酸相似性。
Ecology and lifestyle
肺炎克雷伯菌可以在多種生態(tài)位中生存，包括自由生活和宿主相關(guān)。這些生態(tài)位包括土壤，水，一系列植物物種，昆蟲，鳥類，爬行動(dòng)物和許多不同的哺乳動(dòng)物，其中這種細(xì)菌既可以是共生器官，也可以是潛在的病原體?；谖幕墓烙?jì)表明肺炎克雷伯菌（KpSC菌株）是哺乳動(dòng)物腸道的常見定居者（狗和奶牛的患病率分別為39%和44%），而基于16S rRNA序列估計(jì)表明鳥類和各種昆蟲物種經(jīng)常攜帶。
From commensal to pathogen
肺炎克雷伯菌與人類宿主之間的相互作用復(fù)雜多變，肺炎克雷伯菌可發(fā)揮共生，機(jī)會(huì)性病原體或病原體的作用。腸道和呼吸道中的共生菌群很常見，但流行率估計(jì)因年齡組，地理位置和最近的醫(yī)療保健接觸而異。來自美國(guó)和澳大利亞的研究估計(jì)，社區(qū)中腸道定植的患病率約為4-6%，而在美國(guó)，澳大利亞和英國(guó)最近接受醫(yī)療保健的個(gè)體中，腸道定植的患病率高達(dá)約25%。值得注意的是，韓國(guó)，日本，新加坡，臺(tái)灣和馬來西亞的健康成年人估計(jì)KpSC的社區(qū)運(yùn)輸率較高（18%至87%）。腸道定植的持續(xù)時(shí)間尚不清楚，但可能超過12個(gè)月。
全球大多數(shù)肺炎克雷伯菌感染是機(jī)會(huì)性感染的醫(yī)療相關(guān)感染（health-care-associated infections，HAI）。最常見的表現(xiàn)是肺炎，尿路和傷口感染，其中任何一種都可能發(fā)展為菌血癥。最危險(xiǎn)的是易受傷害的患者群體，例如新生兒，老年人，插入醫(yī)療器械和免疫功能低下的患者。在醫(yī)院環(huán)境之外，肺炎克雷伯菌可以作為一種“真正的”病原體-也就是說，它可以導(dǎo)致嚴(yán)重的社區(qū)獲得性感染（community acquired infections，CAI），這些感染不被認(rèn)為是機(jī)會(huì)性感染。常見的CAI包括眼內(nèi)炎，肺炎，壞死性筋膜炎，非肝膿腫，腦膜炎和沒有膽道疾病的化膿性肝膿腫。
Population structure
典型的肺炎克雷伯菌基因組大小約為5-6 Mbp，編碼約5000-6000個(gè)基因。該物種的所有成員（核心基因）中約有1700個(gè)基因是保守的，而其余的則是可變的（輔助基因）。總泛基因組（所有核心和輔助基因的總和）極為多樣化，可能超過100，000個(gè)蛋白質(zhì)編碼序列，大多數(shù)輔助基因在群體中是罕見的，也就是說，它們存在于<10%的基因組中。分類學(xué)GC含量分析表明，這些基因與許多其他細(xì)菌物種共享，最常見的是其他克雷伯菌屬物種，其次是其他腸桿菌屬，但也包括更遠(yuǎn)的目。
基于1000–2000個(gè)核心或常見染色體基因的系統(tǒng)發(fā)育分析表明，肺炎克雷伯菌種群包含數(shù)百個(gè)深分支譜系，它們之間的核苷酸差異約為0.5%。這些譜系與由核心基因組多位點(diǎn)序列分型（core-genome multilocus sequence typing，cgMLST）定義的克隆組（CG）緊密對(duì)應(yīng)，作為分離株的子集，每個(gè)分離株與該組的至少一個(gè)其他成員共享694個(gè)cgMLST等位基因中的594以上。
肺炎克雷伯菌克隆可以基于輔助基因含量彼此區(qū)分。這可以通過水平基因轉(zhuǎn)移（HGT）的克隆特異性生態(tài)位適應(yīng)來解釋。然而，盡管噬菌體介導(dǎo)的轉(zhuǎn)導(dǎo)和整合接合元件（ICE）也起作用，但克隆HGT之間也有充分的證據(jù)，主要由染色體重組和質(zhì)粒介導(dǎo)的接合驅(qū)動(dòng)。染色體之間的同源重組主要由capsule biosynthesis loci（關(guān)鍵致病性決定因素）的交換決定，并且可以導(dǎo)致獲得長(zhǎng)度超過1Mbp的DNA區(qū)域。盡管IncFIIK和IncFIBK是最普遍的，但是已經(jīng)從肺炎克雷伯菌測(cè)序了許多不同的質(zhì)粒，其長(zhǎng)度和不相容性類型差異很大。似乎一些肺炎克雷伯菌菌株可能對(duì)質(zhì)粒攝取和/或維持特別寬容，導(dǎo)致質(zhì)粒載量通常大于大腸桿菌和其他革蘭氏陰性ESKAPE病原體報(bào)告的質(zhì)粒載量。例如，肺炎克雷伯菌分離株攜帶4至6種不同質(zhì)粒并不罕見，有時(shí)多達(dá)10種。大多數(shù)完整的肺炎克雷伯菌基因組攜帶多個(gè)原噬菌體，多個(gè)不同的肺炎克雷伯菌噬菌體已被分離和測(cè)序，包括作為治療藥物的潛在用途。然而，目前還沒有對(duì)種群內(nèi)原噬菌體多樣性的系統(tǒng)研究。CRISPR-Cas9系統(tǒng)和限制性修飾系統(tǒng)在肺炎克雷伯菌群體中存在差異，然而，它們與質(zhì)粒和噬菌體多樣性的關(guān)系尚不清楚。
Global problem clones
肺炎克雷伯菌感染是由分布廣泛的不同克隆引起的。然而，其中一部分對(duì)全球疾病負(fù)擔(dān)的貢獻(xiàn)不成比例，我們稱之為“全球問題克隆”（圖1）
Multidrug-resistant clones
MDR定義為除氨芐青霉素外對(duì)≥3種抗菌藥物的耐藥性，所有肺炎克雷伯菌感染都具有內(nèi)在耐藥性，已在數(shù)百種不同的肺炎克雷伯菌譜系中進(jìn)化多次（圖1a，b）。這些譜系中的一些出現(xiàn)引起局部問題，在單個(gè)醫(yī)院或醫(yī)療保健網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳播，例如，MDR克隆序列類型70（ST70）和ST323分別在Kilifi，肯尼亞和澳大利亞墨爾本引起爆發(fā)。這些事件可能代表在給定時(shí)間和地點(diǎn)出現(xiàn)的機(jī)會(huì)，影響其頻率，可能性和持續(xù)時(shí)間的因素尚不清楚。許多仍將是局部問題，不會(huì)在其他地方造成或造成有限的感染，但是一部分抗性最高的譜系（例如，對(duì)第三代頭孢菌素和/或碳青霉烯類耐藥的譜系）已成為全球性問題。這些包括經(jīng)過充分研究的CG258以及CG15，CG20（CG17），CG29，CG37，CG147，CG101（CG43）和CG307（圖1c），它們彼此無關(guān)（圖1a），但各自廣泛MDR HAI和/或爆發(fā)的地理分布和常見原因。
圖1 Klebsiella pneumoniae population structure and global problem clones.
在這里，我們將這些統(tǒng)稱為“全球MDR克隆”，盡管它們對(duì)MDR感染負(fù)擔(dān)的貢獻(xiàn)存在重要的地理差異（參考之前的系統(tǒng)評(píng)價(jià)并總結(jié)圖2中的最新趨勢(shì)）。重要的是，盡管許多研究確實(shí)將大多數(shù)第三代頭孢菌素耐藥性和/或CRKp感染歸因于少數(shù)克?。ㄔ谧罱娜珰W洲研究EuSCAPE中，CRKp感染的57%是ST11，ST15，ST101或ST258/ST512），在許多地區(qū)，歸因于偶爾性MDR菌株或局部問題克隆的負(fù)擔(dān)仍然很大（例如，最近在英國(guó)對(duì)CRKp進(jìn)行的全國(guó)性調(diào)查中，>33%的菌株）。
圖2耐碳青霉烯類和第三代頭孢菌素的肺炎克雷伯菌克隆的地理分布。
顯示了碳青霉烯抗性（a）和第三代頭孢菌素抗性，碳青霉烯敏感性肺炎克雷伯菌（b）的序列類型（ST）的區(qū)域頻率。數(shù)據(jù)來源于最近的研究，其中根據(jù)ST和當(dāng)?shù)貍鞑ナ录虮l(fā)選擇分離株，并按照聯(lián)合國(guó)統(tǒng)計(jì)司定義的區(qū)域分組。黑色和灰色位置標(biāo)記分別表示來自多個(gè)和單個(gè)衛(wèi)生保健機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)。盡管ST258及其衍生物ST512在美洲和南歐是主要的耐碳青霉烯類肺炎克雷伯菌（CRKp），但它們?cè)谑澜缙渌貐^(qū)相對(duì)較少。ST11（通過重組衍生ST258的多樣化進(jìn)化枝）代表整個(gè)歐洲約12%的CRKp，并且比ST258或ST512更廣泛地分布。ST11也是中國(guó)CRKp感染的單一主要原因?？寺〗M307（CG307）最近開始取代美洲和南歐CRKp中的ST258和ST512，并已成為南非主要的CRKp譜系，但在這些地區(qū)之外，它最常見的是碳青霉烯類敏感和第三代頭孢菌素抗性（由于blaCTX-M-15質(zhì)粒）。CG15（ST15，ST14和近親）是不同地區(qū)最常見的第三代頭孢菌素抗性克隆之一，并且與許多關(guān)于傳播的碳青霉烯抗性變體的報(bào)道有關(guān)。
Hypervirulent clones、Antimicrobial resistance、Core genes and drug resistance、Acquired resistance genes等與MDR感染相反，所有地區(qū)的超強(qiáng)毒肺炎克雷伯菌感染都由相同的譜系子集支配。到目前為止，最常見的是CG23，其次是CG65（包括ST65和ST375）和CG86，而CG25，CG66和CG380的牽連程度較小。與亞太地區(qū)高毒力疾病的高發(fā)病率相一致，CG23最近在中國(guó)，越南和老撾與肺炎克雷伯氏菌血流感染相關(guān)的前兩個(gè)最常見的克隆中被確定，占分離株的10%以上。最近在其他地方對(duì)肺炎克雷伯菌耐藥的特定遺傳機(jī)制進(jìn)行了綜述，絕大多數(shù)病例與水平獲得的AMR基因有關(guān)。肺炎克雷伯菌通過產(chǎn)生A型β-內(nèi)酰胺酶SHV而對(duì)氨芐青霉素具有內(nèi)在抗性，SHV由核心基因blaSHV在肺炎克雷伯菌染色體中編碼（圖2c）。此類A型β-內(nèi)酰胺酶的直向同源物是KpSC染色體的保守特征（在變異克雷伯氏菌和克雷伯氏菌中稱為L(zhǎng)EN，在其他物種中稱為OKP）。blaSHV基因已被轉(zhuǎn)座酶IS26從肺炎克雷伯氏菌染色體多次捕獲，形成移動(dòng)遺傳元件（MGE），通過質(zhì)粒轉(zhuǎn)移促進(jìn)向其他物種的傳播。值得注意的是，所得到的blaSHV移動(dòng)變體通常攜帶導(dǎo)致ESBL活性（賦予對(duì)第三代頭孢菌素的抗性）的點(diǎn)突變，并且偶爾甚至導(dǎo)致碳青霉烯酶活性（賦予對(duì)碳青霉烯類的抗性），并且在比染色體更強(qiáng)的啟動(dòng)子下形式。因此，一些肺炎克雷伯菌現(xiàn)在攜帶兩個(gè)拷貝的blaSHV：染色體核心基因變體和在強(qiáng)IS26啟動(dòng)子控制下獲得的（通常是質(zhì)粒攜帶的）ESBL變體。這可能難以基于短讀WGS數(shù)據(jù)準(zhǔn)確鑒定肺炎克雷伯菌中存在的blaSHV等位基因，這對(duì)于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)β-內(nèi)酰胺酶活性譜和相關(guān)耐藥性是必需的。核心基因座fosA（谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶）和oqxAB（外排泵）也已被MGE從肺炎克雷伯菌染色體捕獲并傳播給其他物種。
在肺炎克雷伯菌中觀察到的大多數(shù)抗性與水平獲得的輔助AMR基因相關(guān)，而不是染色體基因的突變（圖1c）。這些通常是質(zhì)粒攜帶的，但也可以整合到染色體中。除非有完整的基因組序列，否則從WGS數(shù)據(jù)計(jì)算肺炎克雷伯菌分離株中獲得的AMR基因并不簡(jiǎn)單，因?yàn)檫@需要將染色體基因blaSHV，fosA和oqxAB與MGE編碼形式區(qū)分開來。
Conclusions and future perspectives
基因組學(xué)的應(yīng)用揭示了顯著的遺傳多樣性，大大加快了對(duì)肺炎克雷伯菌種群結(jié)構(gòu)、AMR、致病性和臨床傳播的認(rèn)識(shí)。群體基因組框架有助于澄清許多與分類學(xué)、抗性和毒力相關(guān)的混淆點(diǎn)。這一框架也提供了重要的背景，有助于指導(dǎo)未來實(shí)驗(yàn)和臨床研究的設(shè)計(jì)和解釋，這些研究對(duì)于確認(rèn)和闡明遺傳變異與臨床相關(guān)表型之間觀察到的關(guān)聯(lián)的機(jī)制至關(guān)重要。例如，很明顯，沒有“典型”肺炎克雷伯菌這樣的東西，因?yàn)榛蜣D(zhuǎn)換是廣泛的，甚至“核心”基因座也有廣泛的臨床相關(guān)性遺傳變異。考慮到這一點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)研究可以從中受益，包括多種多樣的菌株，并探索特定基因?qū)z傳背景變化很大的因素的功能依賴性，包括等位基因和基因含量的變化。現(xiàn)在還有相當(dāng)多的證據(jù)支持使用基因組學(xué)來跟蹤醫(yī)院內(nèi)的菌株和/或質(zhì)粒傳播，以通知感染控制并幫助減輕疾病負(fù)擔(dān)。然而，并非所有感染都與醫(yī)院傳播有關(guān)（例如，高毒力感染和散發(fā)性經(jīng)典感染），并且這些不能通過增強(qiáng)的感染控制措施來預(yù)防。這突出表明需要更好地了解肺炎克雷伯菌與人類宿主之間的相互作用，包括核心和可變細(xì)菌機(jī)制，宿主因素以及腸道定植的作用，通常先于疾病。將比較基因組分析與目標(biāo)人群調(diào)查和實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室研究相結(jié)合，可以證明是一種有效的方法，可以識(shí)別和功能驗(yàn)證其他臨床相關(guān)的基因組標(biāo)記。肺炎克雷伯菌的生態(tài)學(xué)研究和跨生態(tài)位監(jiān)測(cè)正在普及，并且有望提供有關(guān)肺炎克雷伯菌主要?jiǎng)游?，食物和環(huán)境儲(chǔ)存的證據(jù)。然而，鑒于特定物種的普遍性和多樣性，僅靠檢測(cè)不太可能對(duì)公共衛(wèi)生有益。相反，將需要進(jìn)行群體基因組分析，以探索哪些儲(chǔ)庫有助于AMR和/或毒力決定因素的擴(kuò)增和傳播，并確定可能以疾病控制的名義中斷向人類傳播的途徑。
同類文章解讀：Virulence |第三代頭孢菌素耐藥肺炎克雷伯菌獲得性耐藥研究
https://mp.weixin.qq.com/s/gzpFz0usg4ygbJ_oZp-kXQmp.weixin.qq.com
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41579-019-0315-1#further-reading
更多內(nèi)容請(qǐng)關(guān)注《細(xì)菌基因組專題公開課》
1.細(xì)菌基因組測(cè)序方式：重測(cè)序、掃描圖、完成圖、轉(zhuǎn)錄組如何選擇
4.什么是基因水平轉(zhuǎn)移（HGT)?如何研究細(xì)菌的HGT?
猜你喜歡
更多生信腳本放送：
AI操作教程：
AI繪圖-常見問題匯總?AI臨摹小鼠?AI繪制DNA雙螺旋?AI繪制細(xì)胞膜
-這里只有干貨 關(guān)注我們- 微信號(hào)：密碼子實(shí)驗(yàn)室
