Identificación y caracterización de islas genómicas integradas en genes distintos a t(m)RNAs en cepas de Klebsiella pneumoniae

Abstract

En las últimas décadas, la resistencia a antibióticos ha sido declarada como uno de los problemas sanitarios urgentes a nivel mundial. Pese a los esfuerzos destinados a afrontar este problema, cada año surgen nuevas cepas microbianas resistentes y multirresistentes. Uno de los organismos más preocupantes en este ámbito es K. pneumoniae, un organismo caracterizado por ser persistente en recintos hospitalarios y de difícil tratamiento por la aparición de cepas hipervirulentas y multirresistentes. Estas características han sido promovidas por la plasticidad genómica de éstas especie, dada por una alta frecuencia de adquisición y pérdida de elementos genéticos móviles (EGMs), entre los que se destacan las Islas genómicas (IGs). Las islas genómicas son segmentos de ADN variablemente presentes en cromosomas de cepas microbianas de una misma especie, que se caracterizan por tener un contenido GC distinto al promedio del cromosoma, pueden codificar integrasas para mediar su integración o escisión, y en Klebsiella y otros géneros bacterianos, su integración ocurre generalmente en genes que codifican tRNAs o tmRNAs (llamados en su conjunto t(m)DNAs). No obstante, se desconoce si otros loci cromosómicos pueden actuar como sitio de integración de estos elementos en K. pneumoniae. En este trabajo se desarrolló y aplicó un método bioinformático para la identificación de sitios no asociados a t(m)DNAs donde puedan integrarse IGs u otros EGMs. Para ello, se utilizó una aproximación que combina análisis pangenómicos y de sintenia de genes en un grupo de cepas de K. pneumoniae, en búsqueda de regiones conservadas interrumpidas por una región variable, a nivel de cromosoma completo. De las regiones obtenidas, se lograron filtrar 85 secuencias no redundantes con características de IGs distribuidas en 43 sitios no correspondientes a t(m)DNAs. Se logró caracterizar en cuanto a función biológica las secuencias variables de este trabajo, encontrando entre ellas genes de resistencia antibióticos y virulencia. Entre los potenciales nuevos sitios de integración de K. pneumoniae, se encontró el loci guaA, el cual corresponde a un sitio de integración región de integración de IGs ya descrita en otras especies bacterianas, lo que permitió validar nuestra aproximación. Los resultados obtenidos indican que en el cromosoma de K.pneumoniae existe una gran cantidad de sitios no canónicos de integración de IGs que contribuyen a la variabilidad y evolución del cromosoma de esta especie, y que jugarían un rol importante en la adquisición de factores de resistencia y virulencia.

In recent decades, antibiotic resistance has been declared one of the urgent global health issues. Despite efforts to address this problem, new resistant and multidrug-resistant microbial strains emerge every year. One of the most concerning organisms in this field is K. pneumoniae, an organism known for its persistence in hospital settings and challenging treatment due to the emergence of hyper-virulent and multi-resistant strains. These characteristics have been promoted by the genomic plasticity of this species, driven by a high frequency of acquisition and loss of mobile genetic elements (MGEs), including Genomic Islands (GIs). Genomic islands are segments of DNA variably present in chromosomes of microbial strains of the same species. They are characterized by having a distinct GC content compared to the chromosome average and can encode integrases to mediate their integration or excision. In Klebsiella and other bacterial genera, their integration generally occurs in genes encoding tRNAs or tmRNAs (collectively known as t(m)DNAs). However, it's unknown whether other chromosomal loci can act as integration sites for these elements in K. pneumoniae. In this study, a bioinformatics method was developed and applied to identify sites not associated with t(m)DNAs where GIs or other MGEs can integrate. This approach combined pangenomic analysis and gene synteny within a group of K. pneumoniae strains to search for conserved regions interrupted by a variable region at the whole chromosome level. From the obtained regions, 85 non-redundant sequences with GI characteristics distributed across 43 sites not corresponding to t(m)DNAs were filtered. The variable sequences from this study were characterized in terms of biological function, revealing antibiotic resistance genes among them. Among the potential new integration sites in K. pneumoniae, the guaA locus was identified, corresponding to a previously described integration site for GIs in other bacterial species, which validated our approach. The results suggest that the chromosome of K. pneumoniae contains a significant number of non-canonical GI integration sites that contribute to the variability and evolution of this species' chromosome. These sites are believed to play a crucial role in the acquisition of resistance and virulence factors.