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Doctoral Thesis
DOI
Document
Author
Full name
Miriam Rodriguez Fernandes
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2019
Supervisor
Committee
Lincopan, Nilton (President)
Garcia, Doroti de Oliveira
Brocchi, Marcelo
Gales, Ana Cristina
Title in Portuguese
Relação ancestral e pan-resistoma plasmidial de Escherichia coli produtora de CTX-M-8 e MCR-1 na interface humana, animal e ambiental
Keywords in Portuguese
Colistina
ESBL
IncHI2
IncI1
IncX4
One-health
Abstract in Portuguese
Linhagens de Escherichia coli produtoras de β-lactamase de espectro estendido (ESβL) do tipo CTX-M são endêmicas no Brasil, sendo prevalentes em casos de infecções hospitalares e ambulatoriais. Atualmente, cepas produtoras de CTX-M têm sido recuperadas de ambientes urbanos, animais de companhia ou de produção e de alimentos de origem animal, inclusive afetando o agronegócio, o que aponta uma possível rota de disseminação em diferentes ecossistemas. Recentemente, nesta espécie, foi descoberto um novo gene, chamado de mcr-1, que confere resistência transferível à colistina, um dos últimos antibióticos eficazes para o tratamento de infecções causadas por bactérias produtoras de ESBL e carbapenemases. Deste modo, o presente estudo tem como objetivo elucidar os aspectos sobre a caracterização e a relação de plasmídeos que carregam genes do tipo blaCTX-M-8 e mcr- 1 em cepas de E. coli isoladas de seres humanos, animais, ambiente aquático e alimentos, no Brasil. Neste estudo são apresentados os resultados da análise plasmidial de 25 cepas de E. coli, das quais nove apresentaram o genótipo blaCTX-M-8/IncI1, 11 apresentaram o genótipo mcr-1/IncX4 e cinco apresentaram ambos os genótipos blaCTX-M-8/IncI1 e mcr-1/IncX4. Dos resultados, podemos observar que plasmídeos IncI1 (blaCTX-M-8) e IncX4 (mcr-1) estão circulando no Brasil desde o ano de 2009 entre diferentes clones (STs) de E. coli e em diferentes ambientes e hospedeiros. Os plasmídeos IncI1 foram conjugativos e pertencentes ao ST113, exceto o plasmídeo recuperado de um isolado humano, que foi pertencente ao ST131. Os plasmídeos IncI1 apresentaram sua arquitetura conservada, com a presença de genes de replicação, transferência e estabilidade. A partir do alinhamento, os plasmídeos IncI1 apresentaram 94-99% de similaridade genética entre eles. Dentre os plasmídeos IncX4, independente da fonte de isolamento, todos permaneceram com sua arquitetura altamente conservada. Entretanto, apenas dois plasmídeos (um encontrado em uma cepa de animal e outro encontrado em uma cepa de ambiente aquático) apresentaram uma IS1294, truncando o gene de mobilização. Na análise comparativa, todos os plasmídeos IncX4 apresentaram similaridade genética de 95-99,9% entre eles. No alinhamento de plasmídeos IncX4 brasileiros contra plasmídeos de outras regiões geográficas, foi observada similaridade genética > 99,9%, o que confirma a estabilidade e conservação desses plasmídeos. Neste estudo foram reportados dados inéditos da primeira identificação do gene mcr-1 em diferentes ecossistemas no Brasil, assim como a nova variante mcr-5.3. A análise filogenética dos plasmídeos IncI1 e IncX4, destacam que ambos compartilham uma arquitetura conservada, e a evolução é atribuída à aquisição de genes de resistência. Adicionalmente, um novo vetor de disseminação do gene mcr-1 no Brasil foi identificado - o plasmídeo IncHI2. Os resultados desse estudo demonstram o grave problema da resistência bacteriana dentro do conceito One-health e que, com o avanço de ferramentas moleculares, a identificação e a resolução desse problema poderá estar cada vez mais próxima de ser elucidada.
Title in English
Ancestral relationship and plasmid pan-resistome of CTX-M-8- and MCR-1-producing Escherichia coli in human-animal-environmental interface
Keywords in English
Colistin
ESBL
IncHI2
IncI1
IncX4
One-health
Abstract in English
CTX-M-type extended-spectrum-β-lactamase (ESβL)-producing-Escherichia coli are endemic in Brazil and are prevalent in cases of nosocomial and ambulatory infections. Currently, CTXM-producing strains have been recovered from urban environments, companion/production animals and animal source foods, which indicates a possible route of dissemination in different ecosystems. Recently, in this species, a new gene, called mcr-1, has been discovered, conferring transferable resistance to colistin, one of the last effective antibiotics for the treatment of infections caused by ESBL- and carbapenemases -producing bacteria. Thus, the present study aims to elucidate unknown aspects of the pan-resistome and ancestral relationship of plasmids carrying blaCTX-M-8 and mcr-1 genes in strains of E. coli isolated from humans, animals, aquatic environment and food, in Brazil. In this study, we present results from the plasmidial analysis of 25 E. coli strains, from which nine presented the blaCTX-M-8/IncI1 genotype, 11 presented the mcr-1/IncX4, and five presented both blaCTX-M-8/IncI1 and mcr-1/IncX4 genotypes. Among these results, we can observe that IncI1 (blaCTX-M-8) and IncX4 (mcr-1) plasmids are circulating in Brazil since 2009, between different E. coli clones (STs) and different hosts and environments. IncI1 plasmids were conjugative and assigned to ST113, with exception of a plasmid recovered from a human isolate, which was assigned to ST131. IncI1 plasmids presented conserved architecture, with the presence of genes of replication, transference, and stability. From the alignment analysis, IncI1 plasmids presented 94-99% genetic similarity among them. Among the IncX4 plasmids, regardless the isolation source, their architecture remained highly conserved. However, only two plasmids (one detected in an animal's strain and another detected in an aquatic environment's strain) presented an IS1294, truncating the mobilization gene. In the comparative analysis, all IncX4 plasmids presented 95-99,9% genetic similarity among them. In the alignment of Brazilian IncX4 plasmids against plasmids from other geographic regions, >99.9% genetic similarity was observed, confirming the stability and conservation of these plasmids. In this study, unprecedented data from the first identification of the mcr-1 gene in different ecosystems in Brazil, as well as the new variant, mcr-5.3. Additionally, it was identified a new dissemination vector of the mcr-1 gene in Brazil - the IncHI2 plasmid. Phylogenetic analysis of IncI1and IncX4 plasmids highlight that both share a conserved backbone, and evolution is attributed to the acquisition of clinically relevant antimicrobial resistance genes. The results from this study demonstrate the serious problem of the bacterial resistance within the "One-Health" concept and that, with the advance of molecular tools, identification and resolution of this problem may be increasingly closer to being elucidate.
 
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Release Date
2021-08-25
Publishing Date
2019-09-03
 
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