플라스미드 유전적 유사성의 다층 네트워크는 유전자 전달의 잠재적인 경로를 밝힙니다

ISME 저널 17권, 649~659페이지(2023)이 기사 인용

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항생제 내성(AMR)은 공중 보건에 심각한 위협이 됩니다. 플라스미드는 AMR 유전자의 주요 벡터로, 숙주 간 확산과 이동성에 크게 기여합니다. 그럼에도 불구하고 동물 숙주 간 플라스미드 유전적 교환의 역학에 대해서는 알려진 바가 거의 없습니다. 여기에서는 네트워크 및 질병 생태학의 이론과 방법론을 사용하여 단일 젖소 집단의 21개 플라스미돔 데이터 세트를 사용하여 플라스미드 간의 유전자 전달 가능성을 조사합니다. 우리는 쌍별 플라스미드 유전적 유사성을 기반으로 다층 네트워크를 구축했습니다. 유전적 유사성은 소 내부 및 소 간 유전자 전달의 잠재적인 경로와 메커니즘을 식별하는 데 도움이 될 수 있는 과거 유전자 교환의 특징입니다. 소 사이의 연결은 전송 네트워크를 지배했으며 이동성 유전자를 포함하는 플라스미드는 더 많이 연결되었습니다. 모듈성 분석을 통해 모든 플라스미드에 mobM 유전자가 포함된 네트워크 클러스터와 모든 플라스미드에 베타-락타마제 유전자가 포함된 네트워크 클러스터가 나타났습니다. 두 클러스터를 모두 포함하는 소는 다른 많은 소와 전송 경로를 공유하므로 슈퍼 확산의 후보가 됩니다. 이를 뒷받침하기 위해 우리는 소수의 플라스미드와 소가 대부분의 유전자 교환을 담당하는 유전자 슈퍼 확산의 특징을 발견했습니다. 에이전트 기반 전송 모델은 젖소 개체수에 침입하는 새로운 유전자가 모든 젖소에 도달할 가능성이 있음을 보여주었습니다. 마지막으로, 우리는 간선 가중치에 유전자 전달 메커니즘에 대한 비무작위 시그니처가 포함되어 있어 분산과 유전자 교환을 구별할 수 있음을 보여주었습니다. 이러한 결과는 AMR을 제공하는 유전자를 포함한 유전자가 동물 숙주에 어떻게 퍼지는지에 대한 통찰력을 제공합니다.

항생제 내성(AMR)은 전 세계적으로 인간과 동물의 건강에 중대한 위협입니다[1]. 예방과 성장 촉진을 위해 농업 부문에서 항생제가 널리 사용되기 때문에 가축은 항생제 내성 박테리아의 저장소 역할을 할 수 있습니다[2, 3]. 이러한 추세는 동물성 제품에 대한 수요 증가와 전 세계적으로 축산 생산의 강화로 인해 계속될 가능성이 높습니다[4]. 가축의 AMR은 토양과 수역을 포함한 환경으로 확산될 수 있으며[5,6,7,8] 식품을 오염시켜 인간에게 도달할 수 있습니다[9].

종 내 및 종 간 항생제 내성 유전자의 확산은 주로 플라스미드를 통해 발생합니다[10]. 플라스미드는 이동성 유전 요소로, 흔히 원형이고 길이가 수천에서 수십만 염기쌍에 이르며 숙주의 염색체와 독립적으로 전파될 수 있습니다. 고세균과 진핵생물에서 발견될 수 있지만 박테리아에서 가장 잘 알려져 있습니다[11]. 플라스미드는 특정 환경 조건에서 유익한 항생제[12,13,14] 또는 중금속 저항성[14, 15]과 같은 보조 유전자를 운반하여 박테리아가 환경에 적응할 수 있도록 합니다. AMR 확산과 플라스미드의 관련성을 고려할 때[16, 17] 플라스미드가 동물 숙주 사이의 자연 서식지에서 어떻게 분산되고 서로 상호 작용하는지 이해하는 것이 필수적입니다. 플라스미드는 박테리아 간의 수평 유전자 전달(HGT)을 위한 주요 수단 중 하나이지만, 상동 재조합 등을 통해 플라스미드 간에 유전자 교환도 발생합니다 [11, 18]. 이로 인해 플라스미드-HGT(pHGT)라고 불리는 플라스미드 간의 유전자 전달이 발생합니다. pHGT로 인해 많은 플라스미드가 모자이크처럼 보입니다. 모자이크 플라스미드는 먼 관련 박테리아 종에 의해 호스팅되는 여러 플라스미드의 유전 물질을 통합할 수 있지만 이는 숙주 분류법에 따라 크게 다릅니다[19,20,21].

가축은 AMR 유전자를 함유한 플라스미드의 저장소가 될 수 있습니다[22,23,24,25]. 보다 일반적으로 소와 같은 반추동물은 특히 반추위에서 다양한 미생물 군집을 보유하고 있습니다. 반추위 미생물은 소가 소화되지 않는 식물 물질을 소화할 수 있게 해줍니다[26, 27]. 플라스미드에 대한 연구는 전통적으로 임상적으로 관련된 플라스미드에 초점을 맞추었지만[28], 메타게놈학 및 시퀀싱 기술의 발전으로 소 반추위를 포함하여 주어진 샘플링 환경 내의 모든 플라스미드인 플라스미돔의 탐색이 가능해졌습니다[29, 30]. 이 접근법은 소 반추위 플라스미돔이 다양하고 박테리아 미생물군집에 비해 개인마다 더 다르다는 것을 보여주었습니다[29, 30]. 개방형 판독 프레임(ORF)과 박테리아의 유사성에 기초하여, 소 반추위의 플라스미드는 일반적으로 피르미쿠테스 및 박테로이데테스와 연관되어 있는 것으로 나타났습니다[29, 30]. 계통간 유전적 교환의 증거를 보여주는 일부를 포함하여 많은 부분이 모자이크입니다[30]. 반추위 플라스미드는 동원 및 복제와 같은 플라스미드 기능뿐만 아니라 소화 및 대사와 관련된 기능이 풍부하지만 대부분의 ORF는 알려지지 않은 기능을 가지고 있습니다 [29, 30]. 유사한 발견이 쥐 맹장과 같은 다른 생태계에서도 보고되었으며, 여기서 비밀 플라스미드는 또한 [31]의 플라스미돔을 지배하는 것으로 밝혀졌습니다.

1.96), and 194 shared significantly fewer (z-score < −1.96) modules than the random expectation. The skew towards fewer pairs of cows sharing many modules is again consistent with potential super-spreading in the network, this time at the cow level. Together, these results illustrate that the signatures of potential super-spreading are observed not only at the plasmid level but also at the cow level./p> 0.95). Between these two scenarios lies a third one, which we call “distant dispersal”. In distant dispersal, a plasmid disperses and then undergoes genetic change via mutation or rearrangements by transposons. While it is impossible to pinpoint the particular mechanism of genetic change by pairwise genetic similarity in this scenario, such a mechanism could explain why distant dispersal lies between HGT and dispersal./p> =2000 bp and alignments that covered > = 20% of the length of the shortest plasmid in a pair (Supplementary Fig. 7). Minimum percent identity for alignments was >=70% [30]./p>