Сравнительная характеристика генов антибиотикорезистентности в микробном сообществе фекалий здорового контроля и больных туберкулезом легких до и после противотуберкулезной терапии

Цель исследования: изучение разнообразия и распределения генов антибиотикорезистентности в микробном сообществе фекалий больных туберкулезом легких и здорового контроля, а также анализ влияния длительной многокомпонентной химиотерапии на структуру резистома фекалий больных туберкулезом.

Материалы и методы. В работе использовали образцы метагеномной ДНК, полученной из фекальных образцов пациентов, больных туберкулезом легких, и здоровых добровольцев. Анализ метагеномных данных проводился с использованием пакетов программ microbiome среды R и базы данных по аннотации генов антибиотикорезистентности CARD.

Результаты исследования. Микробное сообщество фекалий пациентов с туберкулезом демонстрирует высокое разнообразие генов антибиотикорезистентности по сравнению со здоровым контролем. Противотуберкулезная терапия незначительно снижает разнообразие генов резистентности. Гены устойчивости к тетрациклинам являются наиболее распространенными в микробиоме кишечника, далее следуют гены устойчивости к линкозамидам, макролидам и аминогликозидам. Микробное сообщество фекалий больных туберкулезом дополнительно обогащено генами резистентности к фторхинолонам, аминокумаринам, бета-лактамным и пептидным антибиотикам. Основной резервуар генов резистентности здорового микробиома формируют представители филумов Bacteroidota и Bacillota, тогда как резистом фекалий больных туберкулезом в первую очередь определяют гены, аннотированные в Pseudomonadota (Escherichia, Klebsiella, Campylobacter, Citrobacter, Enterobacter, Shigella, Vibrio) и Bacillota (Staphylococcus, Streptococcus, Blautia, Lactobacillus, Eubacterium, Enterococcus). Попарное сравнение метагеномных данных больных туберкулезом до и после химиотерапии позволило выявить четыре гена: pmrA, Bado_rpoB_RIF, npmA и AAC(6')-Ib7, количество которых увеличилось на фоне противотуберкулезной терапии.

1. Blanco-Míguez A., Beghini F., Cumbo F., McIver L.J., Thompson K.N., Zolfo M., Manghi P., Dubois L., Huang K.D., Thomas A.M., Nickols W.A., Piccinno G., Piperni E., Puncochar M., Valles-Colomer M., Tett A., Giordano F., Davies R., Wolf J., Berry S.E., Spector T.D., Franzosa E.A., Pasolli E., Asnicar F., Huttenhower C., Segata N. Extending and improving metagenomic taxonomic profiling with uncharacterized species using MetaPhlAn 4 // Nat Biotechnol. – 2023. – Vol. 41, № 11. – Р. 1633-1644. https://doi.org/10.1038/s41587-023-01688-w.

2. Brenwald N.P., Appelbaum P., Davies T., Gill M.J. Evidence for efflux pumps, other than PmrA, associated with fluoroquinolone resistance in Streptococcus pneumoniae // Clin Microbiol Infect. – 2003. – Vol. 9, № 2. – Р. 140-143. https://doi.org/10.1046/j.1469-0691.2003.00482.x.

3. Chen S., Zhou Y., Chen Y., Gu J. fastp: an ultra-fast all-in-one FASTQ preprocessor // Bioinformatics. – 2018. – Vol. 34, № 17. – Р. i884-i890. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/bty560

4. Crits-Christoph A., Hallowell H.A., Koutouvalis K., Suez J. Good microbes, bad genes? The dissemination of antimicrobial resistance in the human microbiome // Gut Microbes. – 2022. – Vol. 14, № 1. – Р. 2055944. https://doi.org/10.1080/19490976.2022.2055944.

5. Dahl K.H., Sundsfjord A. Transferable vanB2 Tn5382-containing elements in fecal streptococcal strains from veal calves // Antimicrob Agents Chemother. – 2003. – Vol. 47, № 8. – Р. 2579-2583. https://doi.org/10.1128/AAC.47.8.2579-2583.2003.

6. Graham M., Ballard S.A., Grabsch E.A., Johnson P.D., Grayson M.L. High rates of fecal carriage of nonenterococcal vanB in both children and adults // Antimicrob Agents Chemother. – 2008. – Vol. 52, № 3. – Р. 1195-1197. https://doi.org/10.1128/AAC.00531-07.

7. Hall J.P.J., Brockhurst M.A., Harrison E. Sampling the mobile gene pool: innovation via horizontal gene transfer in bacteria // Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. – 2017. – Vol. 372, № 1735. – Р. 20160424. https://doi.org/10.1098/rstb.2016.0424.

8. Han M., Wang X., Zhang J., Su L., Ishaq H.M., Li D., Cui J., Zhao H., Yang F. Gut bacterial and fungal dysbiosis in tuberculosis patients // BMC Microbiol. – 2024. – Vol. 24, № 1. – Р. 141. https://doi.org/10.1186/s12866-024-03275-8.

9. Howden B.P., Holt K.E., Lam M.M., Seemann T., Ballard S., Coombs G.W., Tong S.Y., Grayson M.L., Johnson P.D., Stinear T.P. Genomic insights to control the emergence of vancomycin-resistant enterococci // mBio. – 2013. – Vol. 4, № 4. – Р. e00412-е00413. https://doi.org/10.1128/mBio.00412-13.

10. Hu Y., Yang X., Li J., Lv N., Liu F., Wu J., Lin I.Y., Wu N., Weimer B.C., Gao G.F., Liu Y., Zhu B. The Bacterial Mobile Resistome Transfer Network Connecting the Animal and Human Microbiomes // Appl Environ Microbiol. – 2016. – Vol. 82, № 22. – Р. 6672-6681. https://doi.org/10.1128/AEM.01802-16.

11. Launay A., Ballard S.A., Johnson P.D., Grayson M.L., Lambert T. Transfer of vancomycin resistance transposon Tn1549 from Clostridium symbiosum to Enterococcus spp. in the gut of gnotobiotic mice // Antimicrob Agents Chemother. – 2006. – Vol. 50, № 3. – № 1054-1062. https://doi.org/10.1128/AAC.50.3.1054-1062.2006.

12. Li X., Stokholm J., Brejnrod A., Vestergaard G.A., Russel J., Trivedi U., Thorsen J., Gupta S., Hjelmsø M.H., Shah S.A., Rasmussen M.A., Bisgaard H., Sorensen S.J. The infant gut resistome associates with E. coli, environmental exposures, gut microbiome maturity, and asthma-associated bacterial composition // Cell Host Microbe. – 2021. – Vol. 29, № 6. – Р. 975-987. https://doi.org/10.1016/j.chom.2021.03.017.

13. Lokesh D., Parkesh R., Kammara R. Bifidobacterium adolescentis is intrinsically resistant to antitubercular drugs // Sci Rep. – 2018. – № 8. – Р. 11897. https://doi.org/10.1038/s41598-018-30429-2.

14. Ramirez M.S., Nikolaidis N., Tolmasky M.E. Rise and dissemination of aminoglycoside resistance: the aac(6')-Ib paradigm // Front Microbiol. – 2013. – Vol. 17, № 4. – Р. 121. https://doi.org/10.3389/fmicb.2013.00121.

15. Smillie C.S., Smith M.B., Friedman J., Cordero O.X., David L.A., Alm E.J. Ecology drives a global network of gene exchange connecting the human microbiome // Nature. – 2011. – Vol. 480, № 7376. – Р. 241-244. https://doi.org/10.1038/nature10571.

16. Smith C.J., Tribble G.D., Bayley D.P. Genetic elements of Bacteroides species: a moving story // Plasmid. – 1998. – Vol. 40, № 1. – Р. 12-29. https://doi.org/10.1006/plas.1998.1347.

17. Sommer M.O.A., Dantas G., Church G.M. Functional characterization of the antibiotic resistance reservoir in the human microflora // Science. – 2009. – Vol. 325, № 5944. – Р. 1128-1131. https://doi.org/10.1126/science.1176950.

18. Stevens A.M., Shoemaker N.B., Li L.Y., Salyers A.A. Tetracycline regulation of genes on Bacteroides conjugative transposons // J Bacteriol. – 1993. – Vol. 175, № 19. – Р. 6134-6141. https://doi.org/10.1128/jb.175.19.6134-6141.1993.

19. Stinear T.P., Olden D.C., Johnson P.D., Davies J.K., Grayson M.L. Enterococcal vanB resistance locus in anaerobic bacteria in human faeces // Lancet. – 2001. – Vol. 357, № 9259. – Р. 855-856. https://doi.org/10.1016/S0140-6736(00)04206-9.

20. Tatusova T., Ciufo S., Fedorov B., O'Neill K., Tolstoy I. RefSeq microbial genomes database: new representation and annotation strategy // Nucleic Acids Res. – 2014. – Vol. 42, № 1. – Р. D553-D559. https://doi.org/10.1093/nar/gkt1274.

21. Vineis J.H., Reznikoff W.S., Antonopoulos D.A., Koval J., Chang E., Fallon B.R., Paul B.G., Morrison H.G., Sogin M.L. A novel conjugative transposon carrying an autonomously amplified plasmid // mBio. – 2024. – Vol. 15, № 2. – Р. e0278723. https://doi.org/10.1128/mbio.02787-23.

22. Wachino J., Shibayama K., Kurokawa H., Kimura K., Yamane K., Suzuki S., Shibata N., Ike Y., Arakawa Y. Novel plasmid-mediated 16S rRNA m1A1408 methyltransferase, NpmA, found in a clinically isolated Escherichia coli strain resistant to structurally diverse aminoglycosides //Antimicrob Agents Chemother. –2007. – Vol. 51, № 12. – Р. 4401-4409. doi: 10.1128/AAC.00926-07

23. Wingett S.W., Andrews S. FastQ Screen: A tool for multi-genome mapping and quality control // F1000Res. – 2018. – № 7. – Р. 1338. https://doi.org/10.12688/f1000research.15931.2

24. Wipperman M.F., Bhattarai S.K., Vorkas C.K., Maringati V.S., Taur Y., Mathurin L., McAulay K., Vilbrun S.C., Francois D., Bean J., Walsh K.F., Nathan C., Fitzgerald D.W., Glickman M.S., Bucci V. Gastrointestinal microbiota composition predicts peripheral inflammatory state during treatment of human tuberculosis // Nat Commun. – 2021. – Vol. 12, № 1. – Р. 1141. https://doi.org/10.1038/s41467-021-21475-y

25. Yunusbaeva M., Borodina L., Terentyeva D., Bogdanova A., Zakirova A., Bulatov S., Altinbaev R., Bilalov F., Yunusbayev B. Excess fermentation and lactic acidosis as detrimental functions of the gut microbes in treatment-naive TB patients // Front Cell Infect Microbiol. – 2024. – № 14. – Р. 1331521. https://doi.org/10.3389/fcimb.2024.1331521

26. Yu Z., Shen X., Wang A., Hu C., Chen J. The gut microbiome: A line of defense against tuberculosis development // Front Cell Infect Microbiol. – 2023. – № 13. – Р. 1149679. https://doi.org/ 10.3389/fcimb.2023.1149679