Mecanismo de diseminación y trazado de la historia evolutiva de la isla genómica GIE492 en klebsiella pneumoniae

Abstract

Klebsiella pneumoniae (Kpn) is considered an urgent health threat due to the emergence of multidrug-resistant and hypervirulent strains attributed to the acquisition of mobile genetic elements (MGEs). One MGE possibly associated with hypervirulent strains is the genomic island GIE492, allowing the production of both, the antimicrobial peptide microcin E492 and salmochelin siderophore. However, GIE492 distribution and its dissemination mechanism remain unknown. Here, we determined the prevalence of GIE492 in different lineages of Klebsiella, the existence of structural variants, and the loci where it is integrated. In addition, we searched for evidence of its dissemination through horizontal gene transfer and possible co-mobilization with the ICEKp conjugative element family. A total of 3878 Klebsiella genomes were searched for GIE492, from which 6.8% had the island (all K. pneumoniae except for one K. michiganensis). Analysis of GIE492 indicated it has up to 23 coding sequences, which in total showed 53 alleles that were used to create a classification scheme for this MGE, identifying 4 structural variants. Of the total GIE492+ strains, 71% of them showed co-occurrence with ICEKp. GIE492 and ICEKp integrated into one of the four asparagine tDNAs of the chromosome (asn1A-D), the former with a strong bias towards asn1C. GIE492+ strains belonged to 17 distinct clonal groups. This allows inferring that the structural variant has been mainly vertically inherited. However, we found evidence that during the evolution of Klebsiella, multiple events of acquisition by horizontal gene transfer has occurred: the sporadic presence of GIE492 in different branches of the Klebsiella phylogeny and the finding of at least two cases where the island is integrated into a tDNA other than asn1C. We tested the presence of GIE492 SV I and ICEKp10 as a predictor for the hypervirulent phenotype in K. pneumoniae finding a strong relationship. We also developed a new strategy based on next-generation sequencing to detect genomic islands excision events and then used it to detect the excision of both GIE492 and ICEKp10 in K. pneumoniae SGH10.

Klebsiella pneumoniae (Kpn) se considera una amenaza urgente para la salud debido a la aparición de cepas multirresistentes e hipervirulentas atribuidas a la adquisición de elementos genéticos móviles (MGE). Un MGE posiblemente asociado a las cepas hipervirulentas es la isla genómica GIE492, que permite la producción del péptido antimicrobiano microcina E492 y del sideróforo salmochelina. Sin embargo, la distribución de GIE492 y su mecanismo de diseminación siguen siendo desconocidos. Aquí, determinamos la prevalencia de GIE492 en diferentes linajes de Klebsiella, la existencia de variantes estructurales y los loci donde ocurre la integracion. Además, buscamos evidencias de su diseminación a través de transferencia genética horizontal y la posible co-movilización con la familia de elementos conjugativos ICEKp. Se buscó GIE492 en un total de 3878 genomas de Klebsiella, de los cuales el 6,8% tenía la isla (todos K. pneumoniae excepto uno K. michiganensis). El análisis de GIE492 indicó que tiene hasta 23 secuencias codificantes, que en total presentaron 53 alelos, los que se utilizaron para crear un esquema de clasificación para esta GI, identificando 4 variantes estructurales. Del total de cepas GIE492+, el 71% mostró co-ocurrencia con ICEKp. GIE492 e ICEKp se integraron en uno de los cuatro tDNAs de asparagina del cromosoma (asn1A-D), la primera con un fuerte sesgo hacia asn1C. xix Las cepas GIE492+ pertenecen a 17 grupos clonales distintos. Esto permite inferir que la variante estructural se ha heredado principalmente de forma vertical. Sin embargo, encontramos evidencias de que durante la evolución de Klebsiella se han producido múltiples eventos de adquisición por transferencia genética horizontal: la presencia esporádica de GIE492 en diferentes ramas de la filogenia de Klebsiella y el hallazgo de al menos dos casos en los que la isla está integrada en un tDNA distinto de asn1C. Probamos la presencia de GIE492 SV I e ICEKp10 como predictor del fenotipo hipervirulento en K. pneumoniae encontrando una fuerte relación. También desarrollamos una nueva estrategia basada next generation sequencing para detectar eventos de escisión de islas genómicas, y luego la utilizamos para detectar la escisión tanto de GIE492 como de ICEKp10 en K. pneumoniae SGH10.