プラスミドの遺伝的類似性の多層ネットワークが遺伝子伝達の潜在的な経路を明らかにする

ISME Journal volume 17、pages 649–659 (2023)この記事を引用する

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抗菌薬耐性（AMR）は公衆衛生に対する重大な脅威です。 プラスミドは AMR 遺伝子の主要なベクターであり、宿主全体への拡散と移動に大きく貢献します。 それにもかかわらず、動物宿主間のプラスミド遺伝子交換の動態についてはほとんど知られていない。 ここでは、ネットワークと病気の生態学からの理論と方法論を使用して、単一の乳牛集団からの 21 個のプラスミドドームのデータセットを使用して、プラスミド間の遺伝子伝達の可能性を調査します。 我々は、ペアごとのプラスミドの遺伝的類似性に基づいて多層ネットワークを構築しました。 遺伝的類似性は過去の遺伝子交換の痕跡であり、牛内および牛間の遺伝子伝達の潜在的な経路とメカニズムを特定するのに役立ちます。 牛間のつながりが伝達ネットワークを支配しており、移動性遺伝子を含むプラスミドのつながりが強かった。 モジュール性分析により、すべてのプラスミドが mobM 遺伝子を含むネットワーク クラスターと、すべてのプラスミドがベータ ラクタマーゼ遺伝子を含むネットワーク クラスターが明らかになりました。 両方のクラスターを含む牛は、他の多くの牛と感染経路を共有しているため、超蔓延の候補となります。 これを裏付けるように、少数のプラスミドと牛がほとんどの遺伝子交換を担当する遺伝子の超拡散の兆候を発見しました。 病原体ベースの伝播モデルは、牛集団に侵入した新しい遺伝子がすべての牛に到達する可能性が高いことを示しました。 最後に、エッジの重みには遺伝子伝達のメカニズムに関する非ランダムなシグネチャが含まれていることを示し、これにより分散と遺伝子交換を区別できるようになりました。 これらの結果は、AMR をもたらす遺伝子を含む遺伝子がどのように動物宿主全体に広がるのかについての洞察を提供します。

抗菌薬耐性 (AMR) は、世界的に人間と動物の健康に対する重大な脅威です [1]。 農業分野では予防や成長促進のために抗生物質が広く使用されているため、家畜は抗生物質耐性菌の保有源となっている可能性があります[2、3]。 畜産物の需要の増加と世界的な家畜生産の強化により、この傾向は今後も続く可能性があります[4]。 家畜からの AMR は土壌や水域を含む環境に広がり [5、6、7、8]、食品を汚染して人間に到達する可能性があります [9]。

抗生物質耐性遺伝子の種内および種間の拡散は、主にプラスミドを介して起こります [10]。 プラスミドは移動性の遺伝要素であり、多くの場合環状で長さが数千から数十万塩基対に及び、宿主の染色体とは独立して増殖することができます。 それらは古細菌や真核生物にも見られますが、最もよく知られているのは細菌です[11]。 プラスミドは、抗生物質 [12、13、14] や重金属耐性 [14、15] など、特定の環境条件下で有益なアクセサリー遺伝子を運ぶことで、細菌が環境に適応できるようにします。 AMR の蔓延に対するプラスミドの関連性を考えると [16、17]、プラスミドが動物宿主間の自然の生息地にどのように分散し、相互作用するかを理解することが不可欠です。 プラスミドは細菌間の水平遺伝子伝達 (HGT) の主要な媒体の 1 つですが、相同組換えなどを介してプラスミド間でも遺伝子交換が発生します [11、18]。 これにより、プラスミド間の遺伝子転移が起こり、これをプラスミド-HGT (pHGT) と呼びます。 pHGT により、多くのプラスミドがモザイク状に見えます。 モザイクプラスミドは、遠縁の細菌種がホストする複数のプラスミドからの遺伝物質を組み込むことができますが、これは宿主の分類によって大きく異なります[19、20、21]。

家畜は AMR 遺伝子を含むプラスミドの保有者である可能性があります [22、23、24、25]。 より一般的には、ウシなどの反芻動物は、特に第一胃内に多様な微生物群集を宿主としています。 ルーメン微生物は、ウシが他の方法では消化できない植物物質を消化できるようにします[26、27]。 プラスミドに関する研究は従来、臨床的に関連するプラスミドに焦点を当ててきた[28]が、メタゲノミクスと配列決定技術の進歩により、ウシ第一胃を含む所定のサンプリング環境内のすべてのプラスミドであるプラスミドドームの探索が可能になった[29、30]。 このアプローチにより、ウシの第一胃プラスミドドームは多様であり、細菌のマイクロバイオームと比較して個体間でより異なることが明らかになりました[29、30]。 細菌のオープンリーディングフレーム（ORF）とバクテリアのオープンリーディングフレーム（ORF）の類似性に基づいて、ウシ第一胃のプラスミドは、ファーミクテス属およびバクテロイデス属に最も一般的に関連しているようでした[29、30]。 多くはモザイクであり、門を越えた遺伝的交換の証拠を示すものも含まれています[30]。 ルーメンプラスミドは、消化や代謝に関連する機能や、動員や複製などのプラスミド機能が豊富ですが、ORF の大部分は未知の機能を持っています [29、30]。 同様の発見は、ラットの盲腸などの他の生態系でも報告されており、そこでは潜在的なプラスミドがプラスミドドームを支配していることが判明しています[31]。