Компьютерная программа для выявления и анализа поринзависимой антибиотикорезистентности бактерий

Т.А. Савинова, А.А. Самченко, Ю.А. Бочарова, Н.А. Маянский, И.В. Чеботарь

Ключевые слова: антибиотикорезистентность; Pseudomonas aeruginosa; ОpdP; ОprD; ОpdD; гены поринов; карбапенемы.

2021, том 13, номер 6, стр. 15.

DOI: https://doi.org/10.17691/stm2021.13.6.02

Полный текст статьи

html pdf

1424

1109

Аннотация
Список литературы
Как цитировать в References

Цель исследования — разработать новую компьютерную программу для выявления мутаций в генах, детерминирующих неплазмидную антибиотикорезистентность у грамотрицательных бактерий, и оценить ее возможности на примере выявления поринзависимой устойчивости к карбапенемам клинических изолятов Pseudomonas aeruginosa.

Материалы и методы. Алгоритм работы программы включает поиск соответствия между референсными и изучаемыми генами. При обнаружении в анализируемом геноме искомой нуклеотидной последовательности она сравнивается с референсной и анализируется. Полученные данные подтверждаются сравнением аминокислотных последовательностей, кодируемых референсными и изучаемыми генами. В качестве референсных нуклеотидных последовательностей генов поринов, обеспечивающих транспорт карбапенемов внутрь бактериальной клетки (OprD, OpdD и OpdP), были использованы гены чувствительного штамма P. aeruginosa ATCC 27853, а для проверки возможностей предлагаемой программы — полные геномы клинических изолятов P. aeruginosa из базы данных PATRIC 3.6.9 и собственной коллекции ДНК клинических штаммов. Проанализированные штаммы были охарактеризованы фенотипически согласно критериям стандарта CLSI. Поиск генов карбапенемаз в исследованных геномах P. aeruginosa проведен с использованием ресурса ResFinder 4.1.

Результаты. Разработанная компьютерная программа для определения генетических детерминант неплазмидной антибиотикорезистентности позволила выявить в генах поринов клинических изолятов P. aeruginosa различные по типу и значимости мутации, приводящие к модификациям пептидной структуры продукта. В поринах OpdD и OpdP карбапенем-чувствительных и карбапенем-нечувствительных изолятов преобладали единичные аминокислотные замены. Ген порина OprD карбапенем-нечувствительных штаммов характеризовался большим разнообразием модификаций, включая инсерции и/или делеции, приводящие к преждевременной остановке синтеза порина. У нескольких нечувствительных к меропенему изолятов не выявлено мутаций генов в OprD, что может быть связано с наличием альтернативных механизмов устойчивости.

Заключение. Предлагаемый программный продукт способен стать эффективным инструментом расшифровки молекулярно-генетических механизмов хромосомной устойчивости бактерий к антибиотикам. Результаты апробации программы показали различия между распространенностью значимых для возникновения карбапенемрезистентности мутаций в генах oprD, opdD и opdP.

Talebi Bezmin Abadi A., Rizvanov A.A., Haertlé T., Blatt N.L. World Health Organization report: current crisis of antibiotic resistance. Bionanoscience 2019; 9: 778–788, https://doi.org/10.1007/s12668-019-00658-4.
Devi S. No time to lower the guard on AMR. Lancet Microbe 2020; 1(5): e198, https://doi.org/10.1016/s2666-5247(20)30129-4.
Knight G.M., Glover R.E., McQuaid C.F., Olaru I.D., Gallandat K., Leclerc Q.J., Fuller N.M., Willcocks S.J., Hasan R., van Kleef E., Chandler C.I. Antimicrobial resistance and COVID-19: intersections and implications. Elife 2021; 10: e64139, https://doi.org/10.7554/elife.64139.
World Health Organization. Global action plan on antimicrobial resistance. WHO, Library Cataloguing-in-Publication Data; 2015. URL: https://www.who.int/publications/i/item/9789241509763.
Bennett P.M. Plasmid encoded antibiotic resistance: acquisition and transfer of antibiotic resistance genes in bacteria. Br J Pharmacol 2008; 153 Suppl 1(Suppl 1): S347–S357, https://doi.org/10.1038/sj.bjp.0707607.
Partridge S.R. Analysis of antibiotic resistance regions in Gram-negative bacteria. FEMS Microbiol Rev 2011; 35(5): 820–855, https://doi.org/10.1111/j.1574-6976.2011.00277.x.
van Hoek H.A.M., Mevius D., Guerra B., Mullany P., Roberts A.P., Aarts H.J. Acquired antibiotic resistance genes: an overview. Front Microbiol 2011; 2: 203, https://doi.org/10.3389/fmicb.2011.00203.
Woodford N., Ellington M.J. The emergence of antibiotic resistance by mutation. Clin Microbiol Infect 2007; 13(1): 5–18, https://doi.org/10.1111/j.1469-0691.2006.01492.x.
Sultan I., Rahman S., Jan A.T., Siddiqui M.T., Mondal A.H., Haq Q.M.R. Antibiotics, resistome and resistance mechanisms: a bacterial perspective. Front Microbiol 2018; 9: 2066, https://doi.org/10.3389/fmicb.2018.02066.
López-Causapé C., Sommer L.M., Cabot G., Rubio R., Ocampo-Sosa A.A., Johansen H.K., Figuerola J., Cantón R., Kidd T.J., Molin S., Oliver A. Evolution of the Pseudomonas aeruginosa mutational resistome in an international cystic fibrosis clone. Sci Rep 2017; 7(1): 5555, https://doi.org/10.1038/s41598-017-05621-5.
Bortolaia V., Kaas R.S., Ruppe E., Roberts M.C., Schwarz S., Cattoir V., Philippon A., Allesoe R.L., Rebelo A.R., Florensa A.F., Fagelhauer L., Chakraborty T., Neumann B., Werner G., Bender J.K., Stingl K., Nguyen M., Coppens J., Xavier B.B., Malhotra-Kumar S., Westh H., Pinholt M., Anjum M.F., Duggett N.A., Kempf I., Nykäsenoja S., Olkkola S., Wieczorek K., Amaro A., Clemente L., Mossong J., Losch S., Ragimbeau C., Lund O., Aarestrup F.M. ResFinder 4.0 for predictions of phenotypes from genotypes. J Antimicrob Chemother 2020; 75(12): 3491–3500, https://doi.org/10.1093/jac/dkaa345.
Alcock B.P., Raphenya A.R., Lau T.T.Y., Tsang K.K., Bouchard M., Edalatmand A., Huynh W., Nguyen A.V., Cheng A.A., Liu S., Min S.Y., Miroshnichenko A., Tran H.K., Werfalli R.E., Nasir J.A., Oloni M., Speicher D.J., Florescu A., Singh B., Faltyn M., Hernandez-Koutoucheva A., Sharma A.N., Bordeleau E., Pawlowski A.C., Zubyk H.L., Dooley D., Griffiths E., Maguire F., Winsor G.L., Beiko R.G., Brinkman F.S.L., Hsiao W.W.L., Domselaar G.V., McArthur A.G. CARD 2020: antibiotic resistome surveillance with the comprehensive antibiotic resistance database. Nucleic Acids Res 2020; 48(D1): D517–D525, https://doi.org/10.1093/nar/gkz935.
Liu B., Pop M. ARDB — Antibiotic Resistance Genes Database. Nucleic Acids Res 2009; 37(Database issue): D443–D447, https://doi.org/10.1093/nar/gkn656.
Gupta S.K., Padmanabhan B.R., Diene S.M., Lopez-Rojas R., Kempf M., Landraud L., Rolain J.M. ARG-ANNOT, a new bioinformatic tool to discover antibiotic resistance genes in bacterial genomes. Antimicrob Agents Chemother 2014; 58(1): 212–220, https://doi.org/10.1128/aac.01310-13.
Программа для ЭВМ «Компьютерная программа для определения генетических детерминант неплазмидной антибиотикорезистентности». Свидетельство Федеральной службы по интеллектуальной собственности (Роспатент) о государственной регистрации программы для ЭВМ №2021665744 от 01.10.2021 г.
Trias J., Nikaido H. Outer membrane protein D2 catalyzes facilitated diffusion of carbapenems and penems through the outer membrane of Pseudomonas aeruginosa. Antimicrob Agents Chemother 1990; 34(1): 52–57, https://doi.org/10.1128/aac.34.1.52.
Quinn J.P., Darzins A., Miyashiro D., Ripp S., Miller R.V. Imipenem resistance in Pseudomonas aeruginosa PAO: mapping of the OprD2 gene. Antimicrob Agents Chemother 1991; 35(4): 753–755, https://doi.org/10.1128/aac.35.4.753.
Chevalier S., Bouffartigues E., Bodilis J., Maillot O., Lesouhaitier O., Feuilloley M.G.J., Orange N., Dufour A., Cornelis P. Structure, function and regulation of Pseudomonas aeruginosa porins. FEMS Microbiol Rev 2017; 41(5): 698–722, https://doi.org/10.1093/femsre/fux020.
Sonnleitner E., Pusic P., Wolfinger M.T., Bläsi U. Distinctive regulation of carbapenem susceptibility in Pseudomonas aeruginosa by Hfq. Front Microbiol 2020; 11: 1001, https://doi.org/10.3389/fmicb.2020.01001.
Soundararajan G., Bhamidimarri S.P., Winterhalter M. Understanding carbapenem translocation through OccD3 (OpdP) of Pseudomonas aeruginosa. ACS Chem Biol 2017; 12(6): 1656–1664, https://doi.org/10.1021/acschembio.6b01150.
Camacho C., Coulouris G., Avagyan V., Ma N., Papadopoulos J., Bealer K., Madden T.L. BLAST+: architecture and applications. BMC Bioinformatics 2009; 10: 421, https://doi.org/10.1186/1471-2105-10-421.
Pang Z., Raudonis R., Glick B.R., Lin T.J., Cheng Z. Antibiotic resistance in Pseudomonas aeruginosa: mechanisms and alternative therapeutic strategies. Biotechnol Adv 2019; 37(1): 177–192, https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2018.11.013.
Чеботарь И.В., Бочарова Ю.А., Маянский Н.А. Механизмы резистентности Pseudomonas aeruginosa к антибиотикам и их регуляция. Клиническая микробиология и антимикробная химиотерапия 2017; 19(4): 308–319.
Saito R., Koyano S., Dorin M., Higurashi Y., Misawa Y., Nagano N., Kaneko T., Moriya K. Evaluation of a simple phenotypic method for the detection of carbapenemase-producing Enterobacteriaceae. J Microbiol Methods 2015; 108: 45–48, https://doi.org/10.1016/j.mimet.2014.11.008.
Dallenne C., Da Costa A., Decré D., Favier C., Arlet G. Development of a set of multiplex PCR assays for the detection of genes encoding important beta-lactamases in Enterobacteriaceae. J Antimicrob Chemother 2010; 65(3): 490–495, https://doi.org/10.1093/jac/dkp498.
Suresh M., Skariyachan S., Narayanan N., Pullampara Rajamma J., Panickassery Ramakrishnan M.K. Mutational variation analysis of oprD porin gene in multidrug-resistant clinical isolates of Pseudomonas aeruginosa. Microb Drug Resist 2020; 26(8): 869–879, https://doi.org/10.1089/mdr.2019.0147.

Savinova T.A., Samchenko A.A., Bocharova Y.A., Mayansky N.A., Chebotar I.V. Computer Program for Detection and Analyzing the Porin-Mediated Antibiotic Resistance of Bacteria. Sovremennye tehnologii v medicine 2021; 13(6): 15, https://doi.org/10.17691/stm2021.13.6.02