IncP-1 plasmids in antibiotic resistant Enterobacteriaceae

Abstract

Antibiotic resistance is increasing worldwide closely linked with antibiotic misuse and overuse. Antibiotic gene resistance is commonly disseminated through MGEs (mobile genetic elements), especially plasmids. IncP-1 plasmids are BHR presumably found in several bacterial families and have been associated with antibiotic resistance and tolerance to metals. The identification of plasmid groups has been frequently done using the PBRT (PCR-based replicon typing) approach which assigns plasmids to Inc groups, including the IncP-1 plasmid group. The efforts to further characterize these structures, especially when associated with antibiotic resistant bacteria, has been lacking, and consequently, information is scarce and dispersed. Therefore, a systematic analysis was carried out to understand the occurrence, distribution, and genetic traits of IncP-1 plasmids associated with antibiotic resistant bacteria. To do so, a bibliographic search strategy was followed, where the Scopus platform was used to look for studies that used the PBRT method developed by Carattoli et al. (2005) for plasmid identification and that actually detected IncP-1 plasmids structures. Article collection for a period of 5 years resulted in 96 eligible articles, which were used to retrieve relevant information about IncP-1 plasmids occurrence and features. The articles combined reported the identification of 629 IncP-1 replicons. Altogether, the bacterial hosts of IncP-1 plasmids were found in 32 countries and were collected from a variety of environmental sources. Bacterial hosts belonged to 28 species distributed in 10 genera, of Enterobacteriaceae and Pseudomonadaceae families and were resistant to 10 different antibiotic classes, harboring 32 different resistance genes. IncP-1 plasmid-positive bacteria usually harbored at least 2 different Inc groups. Of all the IncP-1 plasmids identified, 229 (~36%) were further described, their sizes ranging from 35 to 320 kb and have been associated with medically important resistance genes and additional genetic elements that could potentiate gene dissemination. Furthermore, we studied the molecular diversity of previously reported IncP-1 plasmids occurring in 9 Escherichia coli isolates from an UWTP in Portugal. This was accomplished via PCR amplification of the 281 bp trfA gene fragment sequences and transfer to new well-known bacterial hosts for further characterizations. Amplicon sequencing showed 100% identity in all trfA fragments suggesting genetic structure conservation association to similar bacteria and environments. Similarity searching of the trfA fragment sequence was used to select closely related fully sequenced IncP-1β1 plasmids for comparisons. As a result, 63 closely related replicons were selected for comparative analysis and found to be usually large genetic structures, isolated mainly from wastewater and soil, harboring genetic determinants associated with resistance to aminoglycosides, sulphonamides, and β-lactams, and with tolerance to Hg. Attempts to transfer the 9 IncP-1 plasmids to a recipient strain were unsuccessful probably due to the chosen selective markers. The high prevalence of mer operon genes in these IncP-1β1 plasmids, suggesting mercury tolerance, could be used in a future work as a selective marker to transfer these 9 IncP-1 plasmids another bacterial host allowing for proper genomic characterization of these promiscuous structures.

A resistência aos antibióticos está a aumentar em todo o mundo, intimamente associada ao uso incorreto e excessivo de antibióticos. Os genes de resistência a antibióticos são comummente disseminados por meio de EGMs (elementos genéticos móveis), especialmente plasmídeos. Os plasmídeos IncP-1 têm amplo espetro de hospedeiros, são presumivelmente encontrados em várias famílias de bactérias, e têm sido associados à resistência a antibióticos e tolerância a metais. A identificação de grupos de plasmídeos tem sido frequentemente realizada utilizando a abordagem PBRT (PCR-based replicon typing), que atribui plasmídeos a grupos de incompatibilidade, incluindo o grupo IncP-1. Os esforços para caracterizar melhor essas estruturas, principalmente quando associadas a bactérias resistentes a antibióticos, têm falhado e, consequentemente, as informações são escassas e dispersas. Portanto, uma análise sistemática foi realizada para compreender a ocorrência, distribuição e características genéticas de plasmídeos IncP-1 associados a bactérias resistentes a antibióticos. Para tal, a plataforma Scopus foi utilizada para realizar uma pesquisa bibliográfica, para selecionar estudos que identificaram plasmídeos IncP-1 através do método PBRT desenvolvido por Carattoli et al. (2005). A pesquisa abrangeu um período de 5 anos e resultou em 96 artigos elegíveis, os quais foram usados para a obtenção de informações relevantes sobre a ocorrência e características dos plasmídeos IncP-1. Os artigos combinados relataram a identificação de 629 replicões IncP-1. Ao todo, os hospedeiros bacterianos dos plasmídeos IncP-1 foram encontrados em 32 países e foram coletados de uma variedade de fontes ambientais. Os estudos identificaram hospedeiros bacterianos pertencentes a 28 espécies, distribuídas em 10 géneros das famílias Enterobacteriaceae e Pseudomonadaceae, foram identificados como resistentes a 10 classes de antibióticos, possuindo 32 genes de resistência diferentes, e pelo menos apresentando replicões de 2 grupos Inc diferentes. De todos os plasmídeos IncP-1 identificados, 229 (~ 36%) foram descritos posteriormente, e seus tamanhos variam de 35 a 320 kb, foram associados a genes de resistência clinicamente importantes e a elementos genéticos adicionais que poderiam potenciar a disseminação de genes. Além disso, foi estudada a diversidade molecular de plasmídeos IncP-1 identificados anteriormente em 9 isolados de Escherichia coli de uma UWTP em Portugal. Isso foi realizado por meio da amplificação por PCR de um fragmento do gene trfA de 281 bp, e tentativa de transferência para novos hospedeiros bacterianos bem conhecidos para posterior caracterização. A sequenciação dos amplicões mostrou 100% identidade entre fragmentos trfA sugerindo conservação das suas estruturas genéticas e associação com bactérias e ambientes semelhantes. A pesquisa por similaridade da sequência do fragmento trfA foi usada para selecionar e comparar plasmídeos IncP-1β1 totalmente sequenciados. Isso resultou na análise de 63 replicões, geralmente grandes estruturas genéticas, isolados de águas residuais e solos, possuindo determinantes genéticos associados à resistência a aminoglicosídeos, sulfonamidas e βlactâmicos, e à tolerância ao Hg. As tentativas de transferir os 9 plasmídeos IncP-1 para uma estirpe de laboratório não tiveram sucesso, provavelmente devido aos marcadores seletivos escolhidos. A ampla prevalência de genes do operão mer nestes plasmídeos IncP-1β1, sugerindo tolerância ao mercúrio, poderia ser usada em um trabalho futuro como um marcador seletivo para a transferência dos 9 plasmídeos IncP-1 de água residual para outro hospedeiro, permitindo a caracterização genética dessas estruturas.