Идентификация и анализ структур CRISPR/Cas-систем в геномах антибиотикорезистентных штаммов Klebsiella pneumoniae

Обоснование. Klebsiella pneumoniae относится к группе бактерий-оппортунистов, обладающих способностью формировать множественную антибиотикорезистентность и передавать её разным видам бактерий путём горизонтального переноса генов. Данные исследования посвящены изучению структурного и функционального разнообразия CRISPR/Cas-систем, защищающих бактерии от инородной ДНК. Их анализ на примере антибиотикорезистентных штаммов Klebsiella pneumoniae продемонстрирует их устойчивость к определённым бактериофагам, что позволит разработать подходы в лечении сложных инфекционных заболеваний, вызванных данными микроорганизмами, путём создания таргетной фаговой терапии.

Цель исследований. Выполнить биоинформатический анализ выявленных структурных компонентов CRISPR/Cas-систем для скрининга отбора бактериофагов через спейсеры CRISPR-кассет на примере антибиотикорезистентных штаммов Klebsiella pneumoniae.

Материалы и методы. В статье проанализированы 29 полногеномных последовательностей Klebsiella pneumoniae, в геноме которых были определены структуры CRISPR/Cas-систем и гены антибиотикорезистентности (по данным NCBI). Для решения поставленной цели с помощью программных методов моделирования произведён поиск Сas-генов и CRISPR-кассет, дана их структурная и функциональная характеристики.

Результаты. При помощи биоинформационных алгоритмов поиска в геноме антибиотикорезистентных штаммов были определены функционально активные CRISPR/Cas-системы с наличием одной или двух CRISPRкассет и относящиеся к Type I Subtype IЕ. Определены группы резистентных штаммов, обладающие идентичным спейсерным составом CRISPR-кассет. Проведён филогенетический анализ, подтверждающий их единое происхождение. Путём анализа спейсерных последовательностей CRISPR-кассет определён спектр разнообразия фагов бактерий рода Klebsiella, Salmonella, относящихся к  одному семейству Enterobacteriaceae. Таким образом, была  получена информация о  бактериофагах, на которые нацелено действие CRISPR-систем штаммов Klebsiella pneumoniae, обладающих антибиотикорезистентностью.

Заключение. Анализ функциональных и структурных особенностей CRISPR/Cas-систем антибиотикорезистентных штаммов Klebsiella pneumoniae позволил получить информацию об их эволюционной истории и о бактериофагах, против которых направлено их действие, то  есть об их фагоустойчивости. Использованный в данный исследованиях подход в дальнейшем может послужить основой для создания персонифицированной фаготерапии.

1. World Health Organization. Global action plan on antimicrobial resistance. Geneva: WHO; 2015.

2. Webale MK, Wanjala C, Guyah B, Shaviya N, Munyekenye GO, Nyanga PL, et al. Epidemiological patterns and antimicrobial resistance of bacterial diarrhea among children in Nairobi City, Kenya. Gastroenterol Hepatol Bed Bench. 2020; 13(3): 238-246.

3. Yangzom T, Tsering DC, Kar S, Kapil J. Antimicrobial susceptibility trends among pathogens isolated from blood: A 6-year retrospective study from a tertiary care hospital in East Sikkim, India. J Lab Physicians. 2020; 12(01): 3-9. doi: 10.1055/s-0040-1712814

4. Zalewska A, Wilson J, Kennedy S, Lockhart M, MacLeod M, Malcolm W. Epidemiological analysis of antimicrobial resistance in Staphylococcus epidermidis in Scotland, 2014–2018. Microbial Drug Resistance. 2021; 27(4): 485-491. doi: 10.1089/mdr.2019.0502

5. Mouiche MMM, Moffo F, Akoachere J-FTK, Okah-Nnane NH, Mapiefou NP, Ndze VN, et al. Antimicrobial resistance from a one health perspective in Cameroon: A systematic review and metaanalysis. BMC Public Health. 2019; 19(1): 1135. doi: 10.1186/s12889-019-7450-5

6. Melese A, Genet C, Andualem T. Prevalence of Vancomycin resistant enterococci (VRE) in Ethiopia: A systematic review and meta-analysis. BMC Infect Dis. 2020; 20(1): 124. doi: 10.1186/s12879-020-4833-2

7. Cassini A, Plachouras D, Monnet D. Attributable deaths caused by infections with antibiotic-resistant bacteria in France – Authors’ reply. Lancet Infect Dis. 2019; 19(2): 129-130. doi: 10.1016/s1473-3099(19)30004-0

8. Phodha T, Riewpaiboon A, Malathum K, Coyte P. Annual relative increased in inpatient mortality from antimicrobial resistant nosocomial infections in Thailand. Epidemiol Infect. 2019; 147: 133. doi: 10.1017/s0950268818003436

9. Pessoa e Costa T, Duarte B, João AL, Coelho M, Formiga A, Pinto M, et al. Multidrug-resistant bacteria in diabetic foot infections: Experience from a Portuguese tertiary centre. Int Wound J. 2020; 17: 1835-1839. doi: 10.1111/iwj.13473

10. World Health Organization. Report on surveillance of antibiotic consumption: 2016–2018 early implementation. Geneva: WHO; 2018.

11. Shrestha P, Cooper B, Coast J, Oppong R, Do Thi Thuy N, Phodha T, et al. Enumerating the economic cost of antimicrobial resistance per antibiotic consumed to inform the evaluation of interventions affecting their use. Antimicrob Resist Infect Control. 2018; 7(1): 98. doi: 10.1186/s13756-018-0384-3

12. Brauberg CA, Palacios M, Miller VL. Klebsiella: A long way to go towards understanding this enigmatic jetsetter. F1000Prime Reports. 2014; 6: 64. doi: 10.12703/P6-64

13. Хаертынов Х.С., Анохин В.А., Николаева И.В., Семенова Д.Р., Любин С.А., и др. Клебсиеллезный неонатальный сепсис. Медицинский вестник Северного Кавказа. 2016; 11(1): 82-86. doi: 10.21508/1027-4065-2019-64-5-176-182

14. Wyres KL, Holt KE. Klebsiella pneumonia population genomics and antimicrobial-resistant clones. Trends Microbiol. 2016; 24: 944-956. doi: 10.1016/j.tim.2016.09.007

15. Makabenta J, Nabawy A, Li C, Schmidt-Malan S, Patel R, Rotello V. Nanomaterial-based therapeutics for antibiotic-resistant bacterial infections. Nature Reviews Microbiology. 2021; 19: 23-26. doi: 10.1038/s41579-020-0420-1

16. Mojica FJM, Díez-Villaseñor C, García-Martínez J, Soria E. Intervening sequences of regularly spaced prokaryotic repeats derive from foreign genetic elements. J Mol Evol. 2005; 60: 174-182. doi: 10.1007/s00239-004-0046-3

17. Nuñez JK, Kranzusch PJ, Noeske J, Wright AV, Davies CW, Doudna JA. Cas1-Cas2 complex formation mediates spacer acquisition during CRISPR-Cas adaptive immunity. Nat Struct Mol Biol. 2014; 21: 528-534. doi: 10.1038/nsmb.2820

18. Nuñez JK, Harrington LB, Kranzusch PJ, Engelman AN, Doudna JA. Foreign DNA capture during CRISPR-Cas adaptive immunity. Nature. 2015; 527: 535-538. doi: 10.1038/nature15760

19. Jackson SA, McKenzie RE, Fagerlund RD, Kieper SN, Fineran PC, Brouns SJJ. CRISPR-Cas: Adapting to change. Science. 2017; 356: eaal5056. doi: 10.1126/science.aal5056

20. Mojica FJM, Díez-Villaseñor C, García-Martínez J, Almendros C. Short motif sequences determine the targets of the prokaryotic CRISPR defence system. Microbiology. 2009; 155: 733-740. doi: 10.1099/mic.0.023960-0

21. Степаненко Л.А., Джиоев Ю.П., Злобин В.И., Борисенко А.Ю., Саловарова В.П., Арефьева Н.А., и др. Разработка подходов скрининга высокоспецифичных бактериофагов на основе биоинформационного анализа структур CRISPR-Cas систем Corynebacterium diphtheriae. Известия вузов.Прикладная химия и биотехнология. 2021; 11(2): 216-227. doi: 10.21285/2227-2925-2021-11-2-216-227

22. CRISPRCasFinder. URL: https://crisprcas.i2bc.paris-saclay.fr/CrisprCasFinder/Index [date of access: 22.08.2023].

23. CRISPRone. URL: https://omics.informatics.indiana.edu/CRISPRone/ [date of access: 22.08.2023].

24. Villa L, Feudi C, Fortini D, Brisse S, Passet V, Bonura C, et al. Diversity, virulence, and antimicrobial resistance of the KPC producing Klebsiella pneumoniae ST307 clone. Microbial Genomics. 2017; 3. doi: 10.1099/mgen.0.000110