Redes multicamadas de similaridade genética de plasmídeos revelam vias potenciais de transmissão genética

The ISME Journal volume 17, páginas 649–659 (2023)Cite este artigo

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A resistência antimicrobiana (RAM) é uma ameaça significativa à saúde pública. Os plasmídeos são os principais vetores dos genes AMR, contribuindo significativamente para a sua propagação e mobilidade entre os hospedeiros. No entanto, pouco se sabe sobre a dinâmica da troca genética de plasmídeos entre hospedeiros animais. Aqui, usamos teoria e metodologia da ecologia de redes e doenças para investigar o potencial de transmissão de genes entre plasmídeos usando um conjunto de dados de 21 plasmidomos de uma única população de vacas leiteiras. Construímos uma rede multicamadas baseada na similaridade genética de plasmídeos pareados. A similaridade genética é uma assinatura de intercâmbio genético passado que pode ajudar na identificação de possíveis rotas e mecanismos de transmissão genética dentro e entre vacas. As ligações entre vacas dominaram a rede de transmissão e os plasmídeos contendo genes de mobilidade estavam mais conectados. A análise de modularidade revelou um cluster de rede onde todos os plasmídeos continham um gene mobM e outro onde todos os plasmídeos continham um gene de beta-lactamase. As vacas que contêm ambos os grupos também compartilham vias de transmissão com muitas outras vacas, tornando-as candidatas à superpropagação. Em apoio, encontramos assinaturas de super-disseminação genética em que alguns plasmídeos e vacas são responsáveis ​​pela maior parte da troca genética. Um modelo de transmissão baseado em agente mostrou que um novo gene que invade a população de vacas provavelmente atingirá todas as vacas. Finalmente, mostramos que os pesos das arestas contêm uma assinatura não aleatória para os mecanismos de transmissão gênica, permitindo-nos diferenciar entre dispersão e troca genética. Estes resultados fornecem informações sobre como os genes, incluindo aqueles que fornecem AMR, se espalham pelos hospedeiros animais.

A resistência antimicrobiana (RAM) é uma ameaça significativa à saúde humana e animal em todo o mundo [1]. O gado pode servir como reservatório de bactérias resistentes a antibióticos devido ao uso generalizado de antibióticos no setor agrícola para profilaxia e promoção do crescimento [2, 3]. É provável que esta tendência continue devido ao aumento da procura de produtos de origem animal e à intensificação da produção pecuária a nível mundial [4]. A RAM da pecuária pode se espalhar para o meio ambiente, incluindo solos e corpos d’água [5,6,7,8] e contaminar produtos alimentícios, atingindo os seres humanos [9].

A disseminação de genes de resistência a antibióticos dentro e entre espécies ocorre principalmente por meio de plasmídeos [10]. Os plasmídeos são elementos genéticos móveis, muitas vezes circulares e com comprimento variando de milhares a centenas de milhares de pares de bases, que podem se propagar independentemente do cromossomo do hospedeiro. Embora possam ser encontrados em archaea e eucariotos, são mais conhecidos em bactérias [11]. Os plasmídeos permitem que as bactérias se adaptem ao seu ambiente carregando genes acessórios, como aqueles para resistência a antibióticos [12,13,14] ou resistência a metais pesados ​​[14, 15], que são benéficos em condições ambientais específicas. Dada a relevância dos plasmídeos para a propagação da RAM [16, 17], é essencial compreender como eles se dispersam em seus habitats naturais entre seus hospedeiros animais e interagem entre si. Embora os plasmídeos sejam um dos principais veículos para transferência horizontal de genes (HGT) entre bactérias, a troca genética também ocorre entre plasmídeos, por exemplo, por meio de recombinação homóloga [11, 18]. Isto resulta na transferência de genes entre plasmídeos, que denominamos plasmídeo-HGT (pHGT). Devido ao pHGT, muitos plasmídeos parecem ser em mosaico. Os plasmídeos em mosaico podem incorporar material genético de múltiplos plasmídeos hospedados por espécies bacterianas distantemente relacionadas, embora isso varie significativamente de acordo com a taxonomia do hospedeiro [19,20,21].

O gado pode ser reservatório de plasmídeos contendo genes AMR [22,23,24,25]. De forma mais geral, os ruminantes, como o gado, hospedam diversas comunidades microbianas, particularmente no rúmen. Os micróbios do rúmen permitem que o gado digira matéria vegetal que de outra forma seria indigestível [26, 27]. Embora a pesquisa sobre plasmídeos tradicionalmente se concentrasse naqueles que são clinicamente relevantes [28], os avanços na metagenômica e na tecnologia de sequenciamento permitiram a exploração do plasmidoma, todos os plasmídeos dentro de um determinado ambiente amostrado, incluindo o rúmen bovino [29, 30]. Esta abordagem revelou que o plasmidoma do rúmen bovino é diverso e difere mais entre os indivíduos em comparação com o microbioma bacteriano [29, 30]. Com base na semelhança de seus quadros de leitura aberta (ORFs) com os das bactérias, os plasmídeos do rúmen bovino apareceram mais comumente associados a Firmicutes e Bacteroidetes (29, 30). Muitos são mosaicos, incluindo alguns mostrando evidências de troca genética entre filos [30]. Os plasmídeos ruminais são enriquecidos para funções relacionadas à digestão e metabolismo, bem como funções plasmídicas, como mobilização e replicação, mas a maioria das ORFs tem funções desconhecidas [29, 30]. Descobertas semelhantes também foram relatadas em outros ecossistemas, como o ceco de rato, onde também se descobriu que plasmídeos crípticos dominam o plasmidoma de [31].