Escherichia coli - самый широко изученный микроорганизм в истории, однако структура популяции и эволюционные тенденции ее внехромосомных элементов, известных как плазмиды, остаются недостаточно изученными.
Внекишечные патогенные E. coli (ExPEC) представляют особый интерес как для эколого-эволюционных, так и для эпидемиологических исследований, поскольку они практически повсеместно бессимптомно колонизируют кишечник здорового человека, но при этом вызывают большое глобальное бремя оппортунистических инфекций, преимущественно в мочевыводящих путях и кровотоке. ExPEC обладают целым арсеналом механизмов приобретения железа, токсинов и адгезинов, которые способствуют их сохранению в этой нише.
Популяция ExPEC состоит из большого разнообразия клонов, но относительно небольшое подмножество линий вносит непропорционально большой вклад в большинство инфекций мочевыводящих путей и кровотока, где растущий уровень резистентности к антибиотикам представляет собой проблему для эффективного лечения. Эпидемиологические исследования выявили интригующую особенность ExPEC: стабильное сохранение пандемических линий в течение длительного времени и появление новых успешных клонов при клиническом наблюдении, многие из которых связаны с пищевыми продуктами. Новые клоны обычно быстро распространяются вначале, но затем сдерживаются в течение нескольких лет и популяция переходит в равновесие, сохраняя значительное разнообразие линий. Непредвзятые долговременные геномные исследования показали, что преходящее нарушение равновесия имеет признаки NFDS - отрицательного частотно-зависимого отбора, и дальнейшая работа по моделированию показала, что этот отбор действует на вспомогательные геномные элементы, а не на вариации основного генома.
Плазмиды, первоначально описанные в 1950-х годах как передающиеся агенты, несущие устойчивость к антибиотикам и детерминанты, подавляющие конкурентов E. coli, играют ключевую роль в динамике акцессорных геномов. Многочисленные признаки, связанные с резистентностью к антибиотикам, механизмами поглощения железа, конкуренцией бактерий, уклонением от иммунитета и метаболизмом, кодируются генами, расположенными на плазмидах. В частности, некоторые E. coli несут колициногенные плазмиды, продуцирующие бактериоцины: токсичные белки, обычно активные против близких родственников. Бактериоцины играют активную роль во внутривидовой конкуренции и были предложены в качестве одного из механизмов, поддерживающих NFDS.
Несмотря на убедительные доказательства того, что плазмиды играют важнейшую роль в возникновении и распространении успешных клонов, структура плазмидома, а также горизонтальная и вертикальная эволюционная динамика плазмид и хозяев ExPEC остаются практически неизвестными. Это связано с нехваткой масштабируемых вычислительных подходов для типирования полных последовательностей плазмид и отсутствием крупномасштабных исследований, основанных на данных секвенирования, что препятствует формированию четкого понимания структуры плазмидома и распространенности конкретных плазмид.
Плазмиды ExPEC ранее изучались в небольших масштабах, чаще всего в связи с конкретными критериями отбора, например, изолятами, несущими определенный локус резистентности, такой как β-лактамазы расширенного спектра (ESBL), и с использованием в основном данных секвенирования с коротким прочтением. Чтобы преодолеть эту проблему, мы провели секвенирование с длинным прочтением 2045 изолятов E. coli, представляющих геномное разнообразие ранее секвенированных с коротким прочтением 3245 изолятов инфекции кровотока из 16-летнего национального лонгитюдного исследования. Эти изоляты были отобраны независимо от их клонального фона, профиля устойчивости к антибиотикам или любых других генотипических или фенотипических характеристик бактерий, что делает их идеальными для изучения эволюции, экспансии и персистенции плазмидома.
Наши подходы позволили получить в общей сложности 4485 циркуляризованных последовательностей плазмид, и с помощью предполагаемых темпов эволюции и датированных филогений мы оценили время появления/приобретения плазмид в основных клонах ExPEC. Мы продемонстрировали многочисленные случаи приобретения одних и тех же фенотипических признаков, обусловленных плазмидами, в отдаленных генетических фонах, что подтверждает вывод о том, что плазмиды играют ключевую роль в первоначальном создании клона и последующем эндемическом поддержании в популяции хозяина.
В частности, мы обнаружили, что некоторые клоны ExPEC были тесно связаны с pColV-подобными плазмидами, кодирующими микроцин V, бактериальный токсин узкого спектра действия, участвующий в бактериальной конкуренции. Исследуя содержание бактериоцинов в популяции ExPEC, мы предположили, что кодируемые плазмидами бактериоцины играют ключевую роль в формировании и поддержании динамики NFDS у E. coli. С помощью экспериментальных подходов мы продемонстрировали активность микроцина V в различных клональных фонах для подавления роста клона ExPEC с множественной лекарственной устойчивостью, что способствует клональному успеху и поддержанию нерезистентных клонов в популяции.
Мы обнаружили, что некоторые плазмиды сохраняются в линиях даже в течение столетий, демонстрируя сильные ассоциации плазмид с линиями. Наш анализ дает подробную карту недавних вертикальных и горизонтальных эволюционных событий, в которых участвуют плазмиды с ключевыми детерминантами резистентности к антибиотикам, конкуренции и вирулентности. Мы приводим геномные доказательства как хромосомных, так и плазмидных стратегий успеха, используемых отдаленными линиями при независимом наследовании одних и тех же геномных элементов. Кроме того, мы использовали эксперименты in vitro, чтобы проверить важность ключевых бактериоцин-продуцирующих плазмид для успеха клонов. Наше исследование имеет общее значение для понимания биологии плазмид и эволюционных стратегий бактерий.
