Полногеномное секвенирование и анализ сети обмена генами с помощью машинного обучения выявляет обмен резистентностью к антибиотикам между животными, людьми и окружающей средой в животноводстве (аннотация)Полногеномное секвенирование и анализ сети обмена генами с помощью машинного обучения выявляет обмен резистентностью к антибиотикам между животными, людьми и окружающей средой в животноводстве
Недавние исследования показали, что некоторые сельскохозяйственные производства могут способствовать обогащению генов резистентности к противомикробным препаратам (ARGs) и обмену между микробиотой окружающей среды, комменсалами человека и патогенами.
Одним из таких производств являются птицеводческие фермы, которые, как было показано, служат резервуаром резистентности к противомикробным препаратам (AMR), при этом множественная лекарственная резистентность обнаружена у бактерий, особенно у Escherichia coli, как у здоровой, так и у больной птицы. Это особенно актуально для Китая, где интенсивные методы ведения сельского хозяйства потенциально могут стать источником возникающей резистентности из-за большого количества антимикробных препаратов, используемых как для оздоровления скота, так и для стимулирования роста, создавая селективное давление для возникновения, обогащения и распространения резистентных бактерий.
Имеются данные, подтверждающие распространение ARGs и их бактериальных хозяев, особенно E. coli, между курами и людьми в птицеводстве. Важность домашней птицы как источника антимикробных генов для человека была продемонстрирована исследованиями, показавшими, что микробиом китайского, европейского и американского человека и профили ARG имеют больше общих генов с курами по сравнению с микробиомом кишечника свиней или крупного рогатого скота.
Характеристика структуры бактериального сообщества и обмена генами AMR E. coli у домашней птицы представляет интерес по нескольким причинам.
Во-первых, существуют убедительные доказательства того, что животные могут служить резервуаром для E. coli, обнаруженной у человека.
Во-вторых, помимо того, что E. coli является важным комменсалом микрофлоры кишечника человека и млекопитающих, этот вид кишечной палочки содержит много патогенных и потенциально смертельных для человека штаммов, причем минимальная инфекционная доза некоторых штаммов составляет всего десять клеток.
В-третьих, E. coli широко распространены в различных средах обитания и практически вездесущи в микробиоте кишечника птиц и млекопитающих, и, в результате наличия у них передающихся плазмид, способны приобретать резистентность к противомикробным препаратам.
Имеются данные о том, что распространение резистентных бактерий, включая E. coli, и их AMR-репертуара происходит путем прямого контакта и взаимодействия между людьми и микробиотой окружающей среды. Этому распространению способствует горизонтальный перенос генов, опосредованный мобильными генетическими элементами, передающимися между многочисленными хозяевами патогенов и филогенетически близкородственными бактериями, включая комменсалы, такие как E. coli.
По оценкам, более миллиарда человек во всем мире работают в сельскохозяйственном секторе, при этом птица является вторым по распространенности источником мяса в мире. Поэтому AMR, происходящие из резервуаров окружающей среды и сельскохозяйственных животных, представляют собой высокий риск для человека, поскольку они могут передаваться с патогенными и комменсальными микроорганизмами человека.
Понимание того, являются ли резистентные к противомикробным препаратам патогены, вызывающие заболевания человека, и/или их гены резистентности широко распространенными, приобретенными от домашнего скота, и как и в какой степени происходит передача AMR в этих условиях, улучшит нашу способность отслеживать и оценивать риск возникновения зоонозных инфекций с сопутствующими рисками снижения тропности к химиотерапии.
В ряде недавних исследований была предпринята попытка охарактеризовать геном изолятов E. coli в связи с AMR на птицефабриках. Кроме того, в нескольких работах использовалось машинное обучение для прогнозирования фенотипов AMR как изолятов E. coli, так и других бактерий. Насколько нам известно, это первый комплексный анализ и прогнозирование особенностей генома E. coli, связанных с фенотипами AMR, в рамках интенсивного птицеводства и связанного с ней убойного цеха.
Целями данного исследования были:
(i) охарактеризовать структуру сообщества E. coli, фенотипы резистентности к противомикробным препаратам и генетическое родство непатогенных и патогенных штаммов E. coli на крупной коммерческой птицефабрике в Китае;
(ii) раскрыть сеть генов, связанных с AMR, общих для всех видов хозяев (животных и работников) и сред (фермы и бойни);
(iii) определить гены, которые пересекают границы среды обитания через их связь с мобильными генетическими элементами.
В целом, данное исследование было направлено на разработку оригинальной системы анализа данных, сочетающей омику, машинное обучение, анализ сети совместного распространения генов и мобильных генетических элементов, полезной для выявления генетических признаков резистентности к противомикробным препаратам и картирования потенциальных путей передачи среди видов хозяев и взаимосвязанных сред.
Используя филогенетический анализ всего генома и сетевой анализ на основе однонуклеотидных полиморфизмов (SNPs), мы обнаружили высоко взаимосвязанные непатогенные и патогенные штаммы E. coli с филогенетическим смешением, а также высокую распространенность общих профилей множественной лекарственной резистентности среди домашнего скота, человека и окружающей среды. С помощью оригинальной системы обработки данных, объединяющей омику, машинное обучение, анализ сети совместного использования генов и мобильных генетических элементов, мы исследовали резистентность к 26 различным противомикробным препаратам и выявили 361 ген, связанный с фенотипами резистентности к противомикробным препаратам (AMR); 58 из них были известными AMR-ассоциированными генами, а 35 были связаны с множественной лекарственной резистентностью.
Мы обнаружили обширную сеть генов, коррелирующих с фенотипами AMR, общих для домашнего скота, людей, ферм и скотобоен. Мы также обнаружили несколько изолятов человека, домашнего скота и окружающей среды, имеющих общие близкородственные мобильные генетические элементы, несущие ARGs для разных видов хозяев и сред.
В условиях, когда нет единого мнения о том, как использование антибиотиков в животноводстве может повлиять на резистентность к антибиотикам в человеческой популяции, наши результаты дают новое представление о более широкой эпидемиологии резистентности к противомикробным препаратам в животноводстве. Более того, наш оригинальный метод анализа данных имеет потенциал для выявления путей передачи AMR при применении к изучению других патогенов, активных в других антропогенных средах, характеризующихся сложными взаимосвязями между видами хозяев.
