Приобретение резистентности к антибиотикам путем мутаций или горизонтального переноса генов обычно связано с издержками приспособленности, такими как снижение конкурентной способности и вирулентности.
Учитывая эти издержки, снижение потребления антибиотиков должно вызвать отбор против резистентности, что приведет к потере AMR в популяциях патогенов. Хотя логика этой стратегии проста, мероприятия, направленные на снижение потребления антибиотиков, часто приводили к незначительному снижению распространенности резистентности, и ключевой задачей в этой области является понимание экологических и эволюционных процессов, которые позволяют сохранять резистентность в отсутствие постоянного воздействия антибиотиков.
Экспериментальные исследования эволюции показали, что резистентность обычно сохраняется в популяциях бактерий, не подвергающихся воздействию антибиотиков, благодаря отбору на компенсаторные мутации, которые уравновешивают издержки резистентности. Идея о том, что резистентность стабилизируется за счет компенсаторной адаптации, глубоко укоренилась в эволюционных моделях антибиотикорезистентности. Однако прямые примеры стабилизации резистентности путем компенсаторной адаптации в популяциях клинических патогенов отсутствуют, за исключением исследований, посвященных Mycobacterium tuberculosis.
Более того, стабилизировать резистентность без компенсаторной адаптации могут и альтернативные механизмы. Например, гены резистентности могут сохраняться в результате отбора на сцепленные с ними гены, такие как гены резистентности к биоцидам, что в литературе по AMR называется ко-селекцией. Многие гены резистентности переносятся на мобильных генетических элементах, в частности на конъюгативных плазмидах, которые обеспечивают генам резистентности возможность горизонтального переноса. Высокая скорость конъюгативного переноса может позволить резистентности сохраняться в популяциях патогенов, даже если сами плазмиды требуют издержек приспособленности.
В данной работе мы проверяем гипотезу о том, что компенсаторная эволюция стабилизирует резистентность к колистину - сельскохозяйственному антибиотику, который все чаще используется в качестве "последней линии обороны" при лечении инфекций, вызванных грамотрицательными патогенами с множественной лекарственной устойчивостью. Широкое применение колистина в качестве стимулятора роста животных привело к внезапному распространению Escherichia coli, несущих мобильные гены резистентности к колистину (т.е. MCR), по всем медицинским учреждениям, включая фермы, людей и окружающую среду.
В настоящее время идентифицировано множество гомологов гена mcr, но наиболее распространенным и хорошо охарактеризованным геном резистентности к колистину остается mcr-1. Ген mcr-1 первоначально распространялся как часть составного транспозона ISApl1, который передавался между плазмидами, которые сами передавались между штаммами патогенных и комменсальных E.coli и других энтеральных бактерий. Экспрессия mcr-1 приводит к фундаментальным изменениям во внешней мембране бактерий, вызывая обширные плейотропные эффекты, которые связаны с большими фитнес-издержками. Например, экспрессия mcr-1 может снижать скорость роста E.coli на 30%.
Правительство Китая отреагировало на распространение mcr-1 запретом на использование колистина в качестве стимулятора роста в кормах для животных в апреле 2017 года, что привело к сокращению использования колистина в Китае на 90%. Крупномасштабные эпидемиологические исследования в одном секторе здравоохранения показали, что после запрета колистина распространенность mcr-1 снизилась, что является убедительным доказательством в пользу того, что распространение mcr-1 было обусловлено использованием колистина в качестве стимулятора роста животных.
Однако темпы снижения распространенности mcr-1 после введения запрета были гораздо ниже, чем можно было бы ожидать, учитывая описанные издержки резистентности к колистину. Например, частота носительства mcr-1 у свиней, являющихся основным резервуаром резистентности к колистину, снизилась с 34% до запрета (2015-16 гг.) до 5,1% после запрета (2017-2018 гг.). Если предположить, что время генерации E. coli составляет ~12 ч, то такое снижение за двухлетний период, охватывающий >1000 поколений, означает, что издержки приспособления составят <1%. В данном исследовании мы проверяем гипотезу о том, что компенсаторная адаптация стабилизировала резистентность к колистину у E.coli, сочетая функциональные анализы для измерения фитнес-эффекта полиморфизмов mcr-1 с анализом масштабных геномных и эпидемиологических данных.
Мы показали, что регуляторная эволюция точно настроила экспрессию mcr-1, позволив E. coli снизить издержки приспособленности mcr-1 и одновременно повысить резистентность к колистину. Конъюгативные плазмиды передали аллели mcr-1 с низкими издержками/высокой резистентностью среди невероятного разнообразия штаммов E. coli, что еще больше стабилизировало mcr-1 на видовом уровне. Наше исследование показывает, как эволюция регуляторных мутаций и передача плазмид могут сочетаться для стабилизации резистентности и ограничения эффекта от снижения потребления антибиотиков.
