阴沟肠杆菌复合群临床优势种群的分子进化机制

Enterobacter cloacae complex (ECC) recently has emerged as one of the most important nosocomial-acquired pathogens with strengthened drug resistance. ECC currently includes five phylogenetically related species, which are unable to be distinguished accurately by conventional identification methods. Moreover, our previous study showed a significant difference of the species distribution and inter-species resistance. This highlights the importance and difficulty of anti-infection treatment and prevention and control for nosocomial infections and resistance for ECC on species level. To solve this problem, our project will firstly identify species-level markers by analyzing genome data available in the public databases with use of comparative genomics and nucleotide identity calculation. We will thereby develop specific PCR method for species identification based on the species-level markers. Given on the developed identification method, we plan to comprehensively investigate the inter-species diversity by analyzing more than 300 clinical isolates collected across China with molecular bacteriological and bioinformatic analysis. From there we are trying to understand: 1. what is the clinically prevalent species of ECC in China? 2. What is the evolutionary advantage of the prevalent species? 3. What is the molecular mechanism of the evolutionary advantage? These results allow us to elucidate the clinical significance and evolutionary mechanism of the ECC prevalent species, and further predict the epidemiological situation of other ECC species. Our results could be theoretically and technically important for ECC clinical diagnosis and treatments, as well as prevention and control for nosocomial infection and drug resistance.

近年来，阴沟肠杆菌复合群已发展成为主要的院内感染病原菌之一，耐药性亦不断增强。复合群目前已明确五个种，无法被常规鉴定技术准确区分，且本课题前期发现种间临床分布与耐药性存在显著差异，由此突显在种水平对复合群进行抗感染治疗以及院感与耐药防控的必要性与难度性。鉴于此况，本课题拟首先利用公共数据库中的大量基因组，通过核酸相似性和比较基因组学分析，甄别种的分子标记，进而建立种的快速鉴定方法。在此基础上，以前期全国收集的三百余株临床菌株为对象，结合分子细菌学、高通量测序与生物信息学分析，通过系统解析种间差异，重点明确以下几个问题：1.我国的临床优势种群是什么？2.其种间的进化优势是什么？3.进化优势的分子机制是什么？由此阐明临床优势种群的临床意义及其进化机制，进而预测其它种群的未来流行趋势。本课题的研究结果将为阴沟肠杆菌复合群的临床精准诊治以及高效的院感与耐药防控提供重要的理论依据与技术支持。

阴沟肠杆菌复合群（ECC）是重要的院内感染病原菌之一，且耐药性不断增强。因此，加强对ECC的院感防控是非常必要的。ECC包含多个种群，遗传背景较为复杂，因此目前对ECC耐药与分子流行等特征的研究基本仍停留在复合群层面，极大阻碍在种水平对其的深入认识。主要原因是缺乏ECC种水平的常规鉴定技术及其分类地位的混乱。基于以上情况，本项目通过分析ECC上千个基因组，获得四个临床重要种群的特异性鉴定引物，临床验证其准确率为93.1%-100%。我们的方法对ECC在种水平的科学研究和临床诊断提供了重要的技术支撑。此外，本项目在种水平系统阐明我国基层医院社区获得性的ECC遗传和群体特征，并发现霍氏肠杆菌和神户肠杆菌为ECC中的优势耐药菌种，且与其它劣势种群存在耐药机制的显著差异。我们的研究揭示了耐药机制的差异是导致ECC各菌种在临床分布差异的重要原因。我们通过分析全球来源的590株产碳青霉烯酶ECC菌株发现，霍氏肠杆菌是这个群体中的主要物种，与其地理分布无关。然而，进一步分析发现产碳青霉烯酶霍氏肠杆菌的流行克隆与碳青霉烯酶型别存在地理分布关联性。对霍氏肠杆菌的基因组进化研究发现，霍氏肠杆菌（包括各个亚种）与其它种的亲缘关系较远，其系统发育分支相对较为独立，提示霍氏肠杆菌在ECC中进化地位的特殊性。对霍氏肠杆菌耐药基因与毒力基因分析显示，霍氏肠杆菌携带的耐药基因与毒力基因的数量均显著高于其它物种，这很好地解释了霍氏肠杆菌在临床流行率高的现象。本项目的研究成果更新了我们在种水平对ECC分子流行特征的认识，揭示了ECC种群临床分布差异的重要原因，具有重要的科学价值，也为ECC的院感防控提供了新思路、新技术以及理论支撑。