Reti multistrato di somiglianza genetica plasmidica rivelano potenziali percorsi di trasmissione genetica

The ISME Journal volume 17, pagine 649–659 (2023)Citare questo articolo

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La resistenza antimicrobica (AMR) rappresenta una minaccia significativa per la salute pubblica. I plasmidi sono i principali vettori dei geni AMR e contribuiscono in modo significativo alla loro diffusione e mobilità tra gli ospiti. Tuttavia, si sa poco sulla dinamica dello scambio genetico dei plasmidi tra ospiti animali. Qui, utilizziamo la teoria e la metodologia dell'ecologia delle reti e delle malattie per studiare il potenziale della trasmissione genetica tra plasmidi utilizzando un set di dati di 21 plasmidomi da una singola popolazione di vacche da latte. Abbiamo costruito una rete multistrato basata sulla somiglianza genetica dei plasmidi a coppie. La somiglianza genetica è un segno dello scambio genetico passato che può aiutare a identificare potenziali vie e meccanismi di trasmissione genetica all’interno e tra le mucche. I collegamenti tra le mucche dominavano la rete di trasmissione e i plasmidi contenenti i geni della mobilità erano più connessi. L'analisi della modularità ha rivelato un cluster di rete in cui tutti i plasmidi contenevano un gene mobM e uno in cui tutti i plasmidi contenevano un gene della beta-lattamasi. Le mucche che contengono entrambi i cluster condividono anche le vie di trasmissione con molte altre mucche, rendendole candidate alla super-diffusione. A supporto, abbiamo trovato segni di super-diffusione genetica in cui pochi plasmidi e mucche sono responsabili della maggior parte dello scambio genetico. Un modello di trasmissione basato su agenti ha dimostrato che un nuovo gene che invade la popolazione bovina raggiungerà probabilmente tutte le mucche. Infine, abbiamo dimostrato che i pesi dei bordi contengono una firma non casuale per i meccanismi di trasmissione genetica, permettendoci di distinguere tra dispersione e scambio genetico. Questi risultati forniscono informazioni su come i geni, compresi quelli che forniscono la resistenza antimicrobica, si diffondono negli animali ospiti.

La resistenza antimicrobica (AMR) rappresenta una minaccia significativa per la salute umana e animale a livello globale [1]. Il bestiame può fungere da serbatoio di batteri resistenti agli antibiotici a causa dell’uso diffuso di antibiotici nel settore agricolo per la profilassi e la promozione della crescita [2, 3]. È probabile che questa tendenza continui a causa della crescente domanda di prodotti animali e dell’intensificazione della produzione animale a livello globale [4]. La resistenza antimicrobica del bestiame può diffondersi nell’ambiente, compresi suoli e corpi idrici [5,6,7,8] e contaminare i prodotti alimentari, raggiungendo gli esseri umani [9].

La diffusione dei geni di resistenza agli antibiotici all’interno e tra le specie avviene principalmente tramite plasmidi [10]. I plasmidi sono elementi genetici mobili, spesso circolari e lunghi da migliaia a centinaia di migliaia di paia di basi, che possono propagarsi indipendentemente dal cromosoma del loro ospite. Sebbene possano essere trovati negli archaea e negli eucarioti, sono più conosciuti nei batteri [11]. I plasmidi consentono ai batteri di adattarsi al loro ambiente trasportando geni accessori, come quelli per gli antibiotici [12,13,14] o per la resistenza ai metalli pesanti [14, 15], che sono utili in particolari condizioni ambientali. Data la rilevanza dei plasmidi nella diffusione della resistenza antimicrobica [16, 17], è essenziale capire come si disperdono nei loro habitat naturali tra i loro ospiti animali e interagiscono tra loro. Sebbene i plasmidi siano uno dei principali veicoli per il trasferimento genico orizzontale (HGT) tra batteri, lo scambio genetico avviene anche tra plasmidi, ad esempio tramite ricombinazione omologa [11, 18]. Ciò si traduce nel trasferimento genico tra plasmidi, che chiamiamo plasmide-HGT (pHGT). A causa del pHGT, molti plasmidi sembrano essere a mosaico. I plasmidi del mosaico possono incorporare materiale genetico da più plasmidi ospitati da specie batteriche lontanamente imparentate, sebbene questo vari in modo significativo a seconda della tassonomia dell'ospite [19,20,21].

Il bestiame può essere un serbatoio di plasmidi contenenti geni AMR [22,23,24,25]. Più in generale, i ruminanti, come i bovini, ospitano diverse comunità microbiche, in particolare nel rumine. I microbi del rumine consentono ai bovini di digerire sostanze vegetali altrimenti indigeribili [26, 27]. Mentre la ricerca sui plasmidi si concentrava tradizionalmente su quelli clinicamente rilevanti [28], i progressi nella metagenomica e nella tecnologia di sequenziamento hanno consentito l’esplorazione del plasmidoma, di tutti i plasmidi all’interno di un dato ambiente campionato, compreso il rumine bovino [29, 30]. Questo approccio ha rivelato che il plasmidoma del rumine bovino è diverso e differisce maggiormente da individuo a individuo rispetto al microbioma batterico [29, 30]. Sulla base della somiglianza dei loro frame a lettura aperta (ORF) con quelli dei batteri, i plasmidi del rumine bovino apparivano più comunemente associati a Firmicutes e Bacteroidetes [29, 30]. Molti sono a mosaico, inclusi alcuni che mostrano prove di scambio genetico tra phyla [30]. I plasmidi ruminali sono arricchiti per funzioni legate alla digestione e al metabolismo, nonché per funzioni plasmidiche come la mobilizzazione e la replicazione, ma la maggior parte degli ORF ha funzioni sconosciute [29, 30]. Risultati simili sono stati riportati anche in altri ecosistemi, come il cieco di ratto, dove è stato scoperto che plasmidi criptici dominano il plasmidoma di [31].