カルバペネムは、大腸菌の共役プラスミドを介して染色体統合カルバペネマゼ遺伝子の普及を引き起こします

疫学的調査では、カルバペネム耐性は、共役プラスミドにあるカルバペネマーゼ遺伝子によって主に種間で伝染することが示されています。カルバペネマーゼ遺伝子の染色体統合がめったに特定されていないため、カルバペネム耐性の細菌群集に対する利点を調査した研究はわずかです。ここでは、抗生物質圧力の非存在下での元プラスミドのそれと比較して、大腸菌分離株の染色体統合プラスミドでのBlaimp-6の安定性の増加を確認しました。カルバペネマーゼ遺伝子を運ぶプラスミドは、連続した世代ではおそらく失われていると思われますが、抗生物質耐性カセットが時折喪失した後でも、完全なプラスミド骨格が細菌細胞に保持されていることがわかりました。このバックボーン構造は、さまざまな抗菌薬耐性遺伝子を運ぶために世界中で観察されています。BLAIMP-6を運ぶ染色体統合プラスミドは、共役によって伝達できませんでしたが、1週間のメロペネム処理により、プラスミドを染色体から放出し、メロペネムに敏感な大腸菌株の間に拡散することができたことがわかりました。プラスミド上のblaimp-6のコピー数を8回増幅し、耐性が強化されました。小さな亜集団で構成される染色体カルバペネマーゼ遺伝子を運ぶカルバペネマーゼ生産者は、それらは、メロペネム刺激時に増幅された耐性を持つプラスミドを介して播種する可能性のあるカルバペネム耐性の安定した長期貯留層として機能しました。プラスミドは、別の耐性遺伝子の獲得のための足場として耐性カセットを失うことがありますが、染色体統合は集団内のカルバペネム耐性の効果的な共有に寄与し、抗菌性耐性の普及を回避するための戦略の開発を複雑にします。重要性カルバペネム抗生物質は、多剤耐性生物と闘うための最後の手段ですが、カルバペネム耐性腸内細菌科（CRE）の世界的な普及は公衆衛生を脅かします。カルバペネム耐性の原因となる酵素であるカルバペネマーゼは、主に細菌種間で伝達できるプラスミド上の遺伝子によってコードされます。染色体エンコードされたカルバペネマーゼ遺伝子の希少性により、細菌群集での特性を調査する研究が不足しています。私たちの研究では、プラスミド骨格の堅牢な保持にもかかわらず抗菌耐性カセットの喪失によって失われる可能性のあるプラスミドの染色体と比較して、染色体上のカルバペネマゼ遺伝子の安定性を明らかにしました。メロペネムへの曝露後、染色体に統合されたカルバペネマーゼ遺伝子はプラスミドとして放出され、増幅されたコピー数のカルバペネマーゼ遺伝子を介した増幅されたカルバペネム耐性の普及を再開しました。染色体エンコードされたカルバペネマーゼ遺伝子は、細菌群集内の耐性遺伝子の貯留層として機能し、CRE播種に対する感染制御に挑戦することができます。

Epidemiological surveys have shown that carbapenem resistance is mainly transmitted across species by carbapenemase genes located on conjugative plasmids. As chromosomal integration of carbapenemase genes has rarely been identified, only a few studies have investigated their advantages to the carbapenem-resistant bacterial community. Here, we confirmed the increased stability of blaIMP-6 on a chromosome-integrated plasmid in an Escherichia coli isolate compared with that on original plasmids in the absence of antibiotic pressure. Although plasmids carrying carbapenemase genes are supposedly lost in successive generations, we found that the complete plasmid backbone was retained in bacterial cells even after the occasional loss of their antibiotic-resistance cassettes. This backbone structure has been observed worldwide to carry various antimicrobial resistance genes. Although the chromosomally integrated plasmid carrying blaIMP-6 could not be transmitted by conjugation, we found that meropenem treatment for 1 wk allowed the plasmid to be released from the chromosome and spread among E. coli strains that were susceptible to meropenem. The copy number of blaIMP-6 on the plasmid was amplified eight times, resulting in enhanced resistance. Although the carbapenemase producers that carry chromosomal carbapenemase genes comprised of small subpopulations, they functioned as stable, long-term reservoirs of carbapenem resistance that could be disseminated via plasmids with amplified resistance upon meropenem stimulation. Although plasmids occasionally lose their resistance cassettes as a scaffold for the acquisition of another resistance gene, chromosomal integration may contribute to the effective sharing of carbapenem resistance within a population, complicating the development of a strategy to avoid the dissemination of antimicrobial resistance. IMPORTANCE Although carbapenem antibiotics are the last resort for combating multidrug-resistant organisms, global dissemination of carbapenem-resistant Enterobacteriaceae (CRE) threatens public health. Carbapenemases, which are enzymes responsible for carbapenem resistance, are mainly encoded by genes on plasmids that can be transmitted across bacterial species. Owing to the rarity of chromosomally encoded carbapenemase genes, studies investigating their properties in bacterial communities are lacking. In our study, we revealed the stability of carbapenemase genes on chromosomes compared with those on plasmids, which can be lost through the loss of antimicrobial resistance cassettes despite robust retention of plasmid backbones. Following exposure to meropenem, the carbapenemase gene integrated into the chromosome was released as a plasmid, restarting the dissemination of enhanced carbapenem resistance through amplified copy numbers of carbapenemase genes. Chromosomally encoded carbapenemase genes may function as a reservoir of resistance genes within the bacterial community and challenge infection control against CRE dissemination.