Пангеномный анализ выявил новые генетические детерминанты антибиотико- резистентности у бактерий

В последние несколько лет с помощью машинного обучения были получены модели для определения паттерна антибиотикорезистентности для основных бактериальных патогенов человека. Однако, несмотря на обучение на тысячах геномов, многие предсказанные генетические элементы на самом деле не имеют никакого отношения к антибиотикорезистентности. Авторы исследования, опубликованного в Nature Communications, разработали новый пайплайн для выявления генетических детерминант устойчивости к антибиотикам в бактериальных геномах. Пайплайн включает следующие этапы: построение пангенома через кластеризацию последовательностей, систематическую аннотацию известных детерминант антибиотикорезистентности среди полученных последовательностей, а также тренировку поддерживающей векторной машины для соотнесения найденных генетических детерминант антибиотикорезистентности и известных генетических детерминант для данной бактерии.

Для анализа ученые взяли из базы данных PATRIC 27 155 геномных последовательностей 12 видов бактерий. После отбраковки некачественных последовательностей оставшиеся прочтения были использованы для построения пангеномов бактериальных видов. Фенотипы бактерий, чувствительные, промежуточные или резистентные (susceptible-intermediate-resistant, SIR) для полученных геномных последовательностей были получены из публикаций или определены из данных по минимальной ингибирующей концентрации (MIC).

В общей сложности, для 69 антибиотиков были получены 176911 фенотипов SIR, причем 88,3% — из ранее известных данных, а 11,7% — на основании MIC. С помощью аннотации пангеномов во всех видах были найдены 7710 детерминант антибиотикорезистентности. Наименьшее число детерминант (71) были найдены в геноме Campylobacter coli , а больше всего (1533) — для Escherichia coli.

Рекластеризация позволила получить 6332 унифицированных генов, обеспечивающих устойчивость по самым разным механизмам. . У нескольких видов бактерий встречались 925 детерминант, В то же время межвидовое распространение многих детерминант ограничено родственными видами. Больше всего детерминант содержат представители класса Gammaproteobacteria, и лишь 8 детерминант у разных классов бактерий (не менее десяти геномов каждого класса). Среди этих восьми детерминант — бета-лактамазы семейства TEM (blaTEM), рибосомные защитные белки tetM, tetO и tet(W/N/W), 23S рРНК-метилтрансфераза ermB, аминогликозид-3'-фосфотрансфераза APH(3')-IIIa и линкозамид-нуклеотидилтрансфераза lnuG. Наиболее распространенные гены антибиотикорезистентности, как правило, находились на плазмидахвходили в состав плазмид.

Тщательная оценка найденных детерминант позволила установить 142 наиболее надежных кандидатных гена антибиотикорезистентности, ранее не известных. Два из них были проверены экспериментально. Авторы исследовали кишечную палочку E.coli с мутацией в гене субъединицы фумаратредуктазы FrdD, влияющей на экспрессию бета-лактамазы (кодирующая область FrdD перекрывается с промотором гена бета-лактамазы ampC в большинстве геномов кишечной палочки), и показали, что эта детерминанта делает бактерию устойчивой к ампициллину. Аналогичным образом была экспериментально охарактеризована антигенная детерминанта устойчивости к хинолонам (потеря переносчика аминокислот CycA).

Авторы отмечают, что созданный ими пайплайн работает гораздо эффективнее и быстрее, чем существующие статистические методы, которые сейчас используются для поиска антигенных детерминант.

Новый механизм лекарственной устойчивости найден у стрептококка группы А