Molecular characterization of extended-spectrum cephalosporin-resistance in Escherichia coli in pigs on-farm and from clinical cases throughout Quebec, Canada during 16 years

Le développement de la multirésistance chez Escherichia coli est un problème important en médecine animale et humaine. En outre, l’émergence et la diffusion des déterminants de résistance aux céphalosporines à larges spectres de troisième génération (ESCs) parmi les isolats, incluant des céphalosporines essentielles en médecine humaine (ex. ceftriaxone et ceftiofur), est un problème majeur de santé publique. Cette thèse visait trois objectifs. D’abord étudier la dynamique de la résistance aux antimicrobiens (AMR) ainsi que la virulence et les profils génétiques de la AMR des E. coli isolées de porcs recevant une nourriture post-sevrage supplémentée avec de la chlortétracycline et de la pénicilline G, et, accessoirement, évaluer les effets d'additifs alimentaires sur cette dynamique en prenant pour exemple d'étude un minéral argileux, la clinoptilolite, étant donné son possible lien avec le gène blaCMY-2 qui confère la résistance au ceftiofur. L'objectif suivant était d'investiguer les mécanismes menant à une augmentation de la prévalence du gène blaCMY-2 chez les porcs qui reçoivent de la nourriture médicamentée et qui n'ont pas été exposés au ceftiofur Ici encore,nous avons examiné les effets d’un supplément alimentaire avec un minéral argileux sur ce phénomène. Enfin, notre dernier objectif était d’étudier, dans le temps, les génotypes des isolats cliniques d'E. coli résistant au ceftiofur, isolés de porcs malades au Québec à partir du moment où la résistance au ceftiofur a été rapportée, soit de 1997 jusqu'à 2012. Dans l'étude initiale, la prévalence de la résistance à 10 agents antimicrobiens, incluant le ceftiofur, s’accroît avec le temps chez les E.coli isolées de porcelets sevrés. Une augmentation tardive de la fréquence du gène blaCMY-2, encodant pour la résistance au ceftiofur, et la présence des gènes de virulence iucD et tsh a été observée chez les isolats. La nourriture supplémentée avec de la clinoptilolite a été associée à une augmentation rapide mais, par la suite, à une diminution de la fréquence des gènes blaCMY-2 dans les isolats. En parallèle, une augmentation tardive dans la fréquence des gènes blaCMY-2 et des gènes de virulence iucD et tsh a été observée dans les isolats des porcs contrôles, étant significativement plus élevé que dans les porcs ayant reçu l'additif au jour 28. La diversité, au sein des E. coli positives pour blaCMY-2 , a été observée au regard des profils AMR. Certaines lignées clonales d'E.coli sont devenues prédominantes avec le temps. La lignée clonale du phylotype A prédominait dans le groupe supplémenté, alors que les lignées clonales du phylotype B1, qui possèdent souvent le gène de virulence iucD associé aux ExPEC, prédominaient dans le groupe contrôle. Les plasmides d'incompatibilité (Inc) des groupes, I1, A/C, et ColE, porteurs de blaCMY-2, ont été observés dans les transformants. Parmi les souches cliniques d'E.coli ESC-résistantes, isolées de porcs malades au Québec de 1997 à 2012, blaCMY-2 était le gène codant pour une β-lactamase le plus fréquemment détecté; suivi par blaTEM et blaCTX-M,. De plus, les analyses clonales montrent une grande diversité génétique. Par contre, des isolats d'E. coli avec des profils PFGE identiques ont été retrouvés dans de multiples fermes la même année mais aussi dans des années différentes. La résistance à la gentamicine, kanamycine, chloramphenicol, et la fréquence de blaTEM et de IncA/C diminuent significativement au cour de la période étudiée, alors que la fréquence de IncI1 et de la multirésistance à sept catégories d'agents antimicrobiens augmente significativement avec le temps. L'émergence d'isolats d'E. coli positifs pour blaCTX-M, une β-lactamase à large spectre et produisant des ESBL, a été observée en 2011 et 2012 à partir de lignées clonales distinctes et chez de nombreuses fermes. Ces résultats, mis ensemble, apportent des précisions sur la dissémination de la résistance au ceftiofur dans les E. coli isolées de porcs. Au sein des échantillons prélevés chez les porcs sevrés recevant l'alimentation médicamentée sur une ferme, et pour laquelle une augmentation de la résistance au ceftiofur a été observée, les données révèlent que les souches d'E. coli positives pour blaCMY-2 et résistantes aux ESCs appartenaient à plusieurs lignées clonales différentes arborant divers profils AMR. Le gène blaCMY-2 se répand à la fois horizontalement et clonalement chez ces E. coli. L'ajout de clinoptilotite à la nourriture et le temps après le sevrage influencent la clonalité et la prévalence du gène blaCMY-2 dans les E. coli. Durant les 16 années d'étude, plusieurs lignées clonales différentes ont été observées parmi les souches d'E. coli résistantes au ceftiofur isolées de porc malades de fermes québécoises, bien qu’aucune lignée n'était persistante ou prédominante pendant l'étude. Les résultats suggèrent aussi que le gène blaCMY-2 s'est répandu à la fois horizontalement et clonalement au sein des fermes. De plus, blaCMY-2 est le gène majeur des β-lactamases chez ces isolats. À partir de 2011, nous rapportons l'émergence du gène blaCTX-M dans des lignées génétiques distinctes.

Sources of antibiotic resistance in the environment

The discovery of antibiotics was a major breakthrough in medicine. However, short after their introduction in clinical practice resistant bacteria were detected. Nowadays, antibiotic resistance constitutes a serious public health problem. In hospital settings, with high resistance levels, reducing drastically the therapeutic options. Carbapenems are last-resort antibiotics used in Portugal, only in hospitals, to treat serious infections. Bacterial resistance towards this class of antibiotics has increased during last years. In Gram-negative bacteria the production of carbapenemases is a common resistance mechanism. OXA-48 is a carbapenemase of Ambler class D and represents a major concern for human health. It is frequently detected in clinical isolates of Enterobacteriaceae. There are few studies suggesting that genes encoding for OXA-48 variants originated from genes present in the chromosome of members of genus Shewanella, and have disseminated to Enterobacteriaceae members, associated with mobile genetic elements. The aim of this study was to characterize strains from different sources of Shewanella to confirm its role as OXA-48 progenitor. For this, the phylogenetic affiliation of 33 strains of Shewanella was performed by 16SrDNA and gyrB sequencing. The most common species were S. hafniensis and S. xiamenensis, but also S. aestuarii, S. baltica, S. indica, S. haliotis, S. putrefaciens, S. algidipiscicola, S. irciniae, S. algae and S. fodinae were identified. blaOXA-48-like genes were detected in 21 isolates: S. hafniensis (8/8), S. xiamenensis (5/5), S. baltica (4/4), S. algae (1/1), S. fodinae (1/1), S. putrefaciens (1/2) and S. algidipiscicola (1/2). Sequence analysis revealed that genes encoded enzymes identical to OXA-48, OXA-181 and OXA-204 but also new variants differing from OXA-48 from 2 to 81 aminoacids. Genetic context analysis revealed the C15 gene upstream and lysR gene downstream, identical to what has been identified so far flanking blaOXA-48-like genes in Shewanella spp. The assessment of antibiotic susceptibility was performed for all isolates using the disk diffusion method. In general, it was observed a great sensitivity for all antibiotics except to amoxicillin and aztreonam. Multidrug resistance was detected in only 1 isolate. Other resistance genes and the presence of integrons were not identified. Plasmids were detected in 30.3% isolates (10/ 33). These results reinforce the role of Shewanella spp. as origin of blaOXA-48-like genes.

Correção fenotípica do nanismo avaliada por diferentes parâmetros de crescimento após administração de DNA plasmidial em modelo animal de deficiência isolada do hormônio do crescimento

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Molecular characterization of extended-spectrum cephalosporin-resistance in Escherichia coli in pigs on-farm and from clinical cases throughout Quebec, Canada during 16 years

Le développement de la multirésistance chez Escherichia coli est un problème important en médecine animale et humaine. En outre, l’émergence et la diffusion des déterminants de résistance aux céphalosporines à larges spectres de troisième génération (ESCs) parmi les isolats, incluant des céphalosporines essentielles en médecine humaine (ex. ceftriaxone et ceftiofur), est un problème majeur de santé publique. Cette thèse visait trois objectifs. D’abord étudier la dynamique de la résistance aux antimicrobiens (AMR) ainsi que la virulence et les profils génétiques de la AMR des E. coli isolées de porcs recevant une nourriture post-sevrage supplémentée avec de la chlortétracycline et de la pénicilline G, et, accessoirement, évaluer les effets d'additifs alimentaires sur cette dynamique en prenant pour exemple d'étude un minéral argileux, la clinoptilolite, étant donné son possible lien avec le gène blaCMY-2 qui confère la résistance au ceftiofur. L'objectif suivant était d'investiguer les mécanismes menant à une augmentation de la prévalence du gène blaCMY-2 chez les porcs qui reçoivent de la nourriture médicamentée et qui n'ont pas été exposés au ceftiofur Ici encore,nous avons examiné les effets d’un supplément alimentaire avec un minéral argileux sur ce phénomène. Enfin, notre dernier objectif était d’étudier, dans le temps, les génotypes des isolats cliniques d'E. coli résistant au ceftiofur, isolés de porcs malades au Québec à partir du moment où la résistance au ceftiofur a été rapportée, soit de 1997 jusqu'à 2012. Dans l'étude initiale, la prévalence de la résistance à 10 agents antimicrobiens, incluant le ceftiofur, s’accroît avec le temps chez les E.coli isolées de porcelets sevrés. Une augmentation tardive de la fréquence du gène blaCMY-2, encodant pour la résistance au ceftiofur, et la présence des gènes de virulence iucD et tsh a été observée chez les isolats. La nourriture supplémentée avec de la clinoptilolite a été associée à une augmentation rapide mais, par la suite, à une diminution de la fréquence des gènes blaCMY-2 dans les isolats. En parallèle, une augmentation tardive dans la fréquence des gènes blaCMY-2 et des gènes de virulence iucD et tsh a été observée dans les isolats des porcs contrôles, étant significativement plus élevé que dans les porcs ayant reçu l'additif au jour 28. La diversité, au sein des E. coli positives pour blaCMY-2 , a été observée au regard des profils AMR. Certaines lignées clonales d'E.coli sont devenues prédominantes avec le temps. La lignée clonale du phylotype A prédominait dans le groupe supplémenté, alors que les lignées clonales du phylotype B1, qui possèdent souvent le gène de virulence iucD associé aux ExPEC, prédominaient dans le groupe contrôle. Les plasmides d'incompatibilité (Inc) des groupes, I1, A/C, et ColE, porteurs de blaCMY-2, ont été observés dans les transformants. Parmi les souches cliniques d'E.coli ESC-résistantes, isolées de porcs malades au Québec de 1997 à 2012, blaCMY-2 était le gène codant pour une β-lactamase le plus fréquemment détecté; suivi par blaTEM et blaCTX-M,. De plus, les analyses clonales montrent une grande diversité génétique. Par contre, des isolats d'E. coli avec des profils PFGE identiques ont été retrouvés dans de multiples fermes la même année mais aussi dans des années différentes. La résistance à la gentamicine, kanamycine, chloramphenicol, et la fréquence de blaTEM et de IncA/C diminuent significativement au cour de la période étudiée, alors que la fréquence de IncI1 et de la multirésistance à sept catégories d'agents antimicrobiens augmente significativement avec le temps. L'émergence d'isolats d'E. coli positifs pour blaCTX-M, une β-lactamase à large spectre et produisant des ESBL, a été observée en 2011 et 2012 à partir de lignées clonales distinctes et chez de nombreuses fermes. Ces résultats, mis ensemble, apportent des précisions sur la dissémination de la résistance au ceftiofur dans les E. coli isolées de porcs. Au sein des échantillons prélevés chez les porcs sevrés recevant l'alimentation médicamentée sur une ferme, et pour laquelle une augmentation de la résistance au ceftiofur a été observée, les données révèlent que les souches d'E. coli positives pour blaCMY-2 et résistantes aux ESCs appartenaient à plusieurs lignées clonales différentes arborant divers profils AMR. Le gène blaCMY-2 se répand à la fois horizontalement et clonalement chez ces E. coli. L'ajout de clinoptilotite à la nourriture et le temps après le sevrage influencent la clonalité et la prévalence du gène blaCMY-2 dans les E. coli. Durant les 16 années d'étude, plusieurs lignées clonales différentes ont été observées parmi les souches d'E. coli résistantes au ceftiofur isolées de porc malades de fermes québécoises, bien qu’aucune lignée n'était persistante ou prédominante pendant l'étude. Les résultats suggèrent aussi que le gène blaCMY-2 s'est répandu à la fois horizontalement et clonalement au sein des fermes. De plus, blaCMY-2 est le gène majeur des β-lactamases chez ces isolats. À partir de 2011, nous rapportons l'émergence du gène blaCTX-M dans des lignées génétiques distinctes.

Structure of the N-terminal oligomerization domain of DnaD reveals a unique tetramerization motif and provides insights into scaffold formation

DnaD is a primosomal protein that remodels supercoiled plasmids. It binds to supercoiled forms and converts them to open forms without nicking. During this remodeling process, all the writhe is converted to twist and the plasmids are held around the periphery of large scaffolds made up of DnaD molecules. This DNA-remodeling function is the sum of a scaffold-forming activity on the N-terminal domain and a DNA-dependent oligomerization activity on the C-terminal domain. We have determined the crystal structure of the scaffold-forming N-terminal domain, which reveals a winged-helix architecture, with additional structural elements extending from both N- and C-termini. Four monomers form dimers that join into a tetramer. The N-terminal extension mediates dimerization and tetramerization, with extensive interactions and distinct interfaces. The wings and helices of the winged-helix domains remain exposed on the surface of the tetramer. Structure-guided mutagenesis and atomic force microscopy imaging indicate that these elements, together with the C-terminal extension, are involved in scaffold formation. Based upon our data, we propose a model for the DnaD-mediated scaffold formation.

The Bacillus subtilis primosomal protein DnaD untwists supercoiled DNA

The essential Bacillus subtilis DnaD and DnaB proteins have been implicated in the initiation of DNA replication. Recently, DNA remodeling activities associated with both proteins were discovered that could provide a link between global or local nucleoid remodeling and initiation of replication. DnaD forms scaffolds and opens up supercoiled plasmids without nicking to form open circular complexes, while DnaB acts as a lateral compaction protein. Here we show that DnaD-mediated opening of supercoiled plasmids is accompanied by significant untwisting of DNA. The net result is the conversion of writhe (Wr) into negative twist (Tw), thus maintaining the linking number (Lk) constant. These changes in supercoiling will reduce the considerable energy required to open up closed circular plectonemic DNA and may be significant in the priming of DNA replication. By comparison, DnaB does not affect significantly the supercoiling of plasmids. Binding of the DnaD C-terminal domain (Cd) to DNA is not sufficient to convert Wr into negative Tw, implying that the formation of scaffolds is essential for duplex untwisting. Overall, our data suggest that the topological effects of the two proteins on supercoiled DNA are different; DnaD opens up, untwists and converts plectonemic DNA to a more paranemic form, whereas DnaB does not affect supercoiling significantly and condenses DNA only via its lateral compaction activity. The significance of these findings in the initiation of DNA replication is discussed.

Whole genome sequence of Klebsiella pneumoniae U25, a hypermucoviscous, multidrug resistant, biofilm producing isolate from India

Klebsiella pneumoniae U25 is a multidrug resistant strain isolated from a tertiary care hospital in Chennai, India. Here, we report the complete annotated genome sequence of strain U25 obtained using PacBio RSII. This is the first report of the whole genome of K. pneumoniae species from Chennai. It consists of a single circular chromosome of size 5,491,870-bp and two plasmids of size 211,813 and 172,619-bp. The genes associated with multidrug resistance were identified. The chromosome of U25 was found to have eight antibiotic resistant genes [blaOXA-1, blaSHV-28, aac(6’)1b-cr, catB3, oqxAB, dfrA1]. The plasmid pMGRU25-001 was found to have only one resistant gene (catA1) while plasmid pMGRU25-002 had 20 resistant genes [strAB, aadA1, aac(6’)-Ib, aac(3)-IId, sul1,2, blaTEM-1A,1B, blaOXA-9, blaCTX-M-15, blaSHV-11, cmlA1, erm(B), mph(A)]. A mutation in the porin OmpK36 was identified which is likely to be associated with the intermediate resistance to carbapenems in the absence of carbapenemase genes. U25 is one of the few K. pneumoniae strains to harbour clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR) systems. Two CRISPR arrays corresponding to Cas3 family helicase were identified in the genome. When compared to K. pneumoniae NTUHK2044, a transposase gene InsH of IS5-13 was found inserted.

Prevalencia de bacterias productoras de beta-lactamasas en el Hospital Vicente Corral Moscoso periodo enero-diciembre del 2014

Antecedentes: la adaptación de las bacterias a los tratamientos antibióticos ha ido mejorando, hasta el punto de llegar a presentar resistencia a los tratamientos más agresivos, esto se debe a la evolución constante que han sufrido estas con la aparición de nuevas especies, por mecanismos como la conjugación o trasmisión de plásmidos, con la producción de diferentes tipos de beta-lactamasas, estas características nuevas les han permitido mejorar su capacidad de evadir los mecanismos de acción farmacológicos. Objetivo general: establecer la prevalencia de bacterias productoras de beta-lactamasas en el Hospital Vicente Corral Moscoso, durante el periodo de enero a diciembre del 2014, Cuenca - Ecuador. Metodología: Tipo de estudio: se realizó un estudio de tipo descriptivo, observacional; Universo y muestra: historias clínicas de todos los pacientes atendidos en el Hospital Vicente Corral Moscoso, a los que se había realizado cultivo y antibiograma con reporte de producción de beta-lactamasas, durante el periodo enero a diciembre del 2014; Método de recolección de datos: observación y revisión de historias clínicas que fueron registrados en el formulario de recolección de datos; Tabulación y análisis de los resultados: Todos los datos fueron tabulados y procesados en el programa SPSS Versión 15.0, elaborando tablas simples, compuestas. Resultados: de un total de 160 bacterias aisladas, la prevalencia de bacterias productoras de betalactamasas fue 13,1%, 74,4%, 12,5% para BLEA, BLEE y carbapenemasas respectivamente. El sexo femenino fue el más afectado por las bacterias productoras de BLEA, y carbapenemasas, pero el sexo masculino fue el más afectado por bacterias productoras de BLEE. La E. coli representa el 74,79% de bacterias productoras de BLEE, representando la Klebsiella pneumoniae el 50% de todas las bacterias productoras de carbapenemasas. Al analizar la mortalidad se observa que al incrementar la resistencia incrementa el riesgo de mortalidad: BLEA 5%, BLEE 15% y Carbapenemasa 25%

Small-plasmid-mediated antibiotic resistance is enhanced by increases in plasmid copy number and bacterial fitness

Plasmids play a key role in the horizontal spread of antibiotic resistance determinants among bacterial pathogens. When an antibiotic resistance plasmid arrives in a new bacterial host, it produces a fitness cost, causing a competitive disadvantage for the plasmid-bearing bacterium in the absence of antibiotics. On the other hand, in the presence of antibiotics, the plasmid promotes the survival of the clone. The adaptations experienced by plasmid and bacterium in the presence of antibiotics during the first generations of coexistence will be crucial for the progress of the infection and the maintenance of plasmid-mediated resistance once the treatment is over. Here we developed a model system using the human pathogen Haemophilus influenzae carrying the small plasmid pB1000 conferring resistance to β-lactam antibiotics to investigate host and plasmid adaptations in the course of a simulated ampicillin therapy. Our results proved that plasmid-bearing clones compensated for the fitness disadvantage during the first 100 generations of plasmid-host adaptation. In addition, ampicillin treatment was associated with an increase in pB1000 copy number. The augmentation in both bacterial fitness and plasmid copy number gave rise to H. influenzae populations with higher ampicillin resistance levels. In conclusion, we show here that the modulations in bacterial fitness and plasmid copy number help a plasmid-bearing bacterium to adapt during antibiotic therapy, promoting both the survival of the host and the spread of the plasmid.

Antibiotic-resistant Klebsiella pneumoniae and Escherichia coli high-risk clones and an IncFII(k) mosaic plasmid hosting Tn1 (blaTEM-4) in isolates from 1990 to 2004

We describe the genetic background of bla(TEM-4) and the complete sequence of pRYC11::bla(TEM-4), a mosaic plasmid that is highly similar to pKpQIL-like variants, predominant among TEM-4 producers in a Spanish hospital (1990 to 2004), which belong to Klebsiella pneumoniae and Escherichia coli high-risk clones responsible for the current spread of different antibiotic resistance genes. Predominant populations of plasmids and host adapted clonal lineages seem to have greatly contributed to the spread of resistance to extended-spectrum cephalosporins.