文章题目：Global emergence of Carbapenem-resistant Hypervirulent Klebsiella pneumoniae driven by an IncFIIK34 KPC-2 plasmid

文章链接：doi: 10.1016/j.ebiom.2025.105627

发表时间：2025.3

期刊：EBioMedicine

影响因子：10.8

研究背景

1、CR-hvKp和hv-CRKp毒力对比：

部分经典CRKp（如ST11、ST15） 通过获得毒力质粒可能表现出毒力增强，但多数仍不具备真正的“高毒力”表型。获得碳青霉烯酶基因的典型hvKp（如ST23、ST86、ST65）明显具有更高的毒力水平。但高黏液表型、质粒不相容性和CRISPR-Cas系统可能限制了CR-hvKp的形成。

2、全球CR-hvKp的流行现状：

多种碳青霉烯酶质粒（如IncFIIK2、IncFIIK21、IncP、IncL/M等）的CR-hvKp已被发现，但多为散在病例，缺乏系统性研究。

本研究重点关注了IncFIIK34 KPC-2质粒，结果发现它在CR-hvKp中广泛分布，可能通过高接合效率和耐药优势推动全球传播。

研究思路

本研究围绕新发现的IncFIIK34 KPC-2质粒展开，采用临床分离株与公共数据库相结合，实验分析与生物信息学相结合的策略：

基于临床分离株（生物信息学+实验分析）

通过比较基因组分析研究IncFIIK34 KPC质粒的结构特点，通过体外实验确定分离株的接合转移能力、毒力，比较IncFIIK34质粒相对IncFIIK2质粒的体外适应性、拷贝数差异、KPC表达差异等。

基于公共数据库（生物信息学分析）

从hvKp的流行ST菌株中筛选CR-hvKp，确认IncFIIK34质粒的优势地位。通过质粒数据库（PLSDB）和全球基因组数据，分析其传播趋势及临床相关性。

研究结果

1、菌株概况

本研究选取了4株临床分离的ST23-K1型CR-hvKp菌株（来自不同医院），它们均携带KPC-2耐药基因。质粒分型显示，其中1株携带IncN型质粒，3株携带不可分型的IncFIIK质粒。且根据多序列比对，这种IncFIIK复制子与pMLST数据库中已知的IncFIIK亚型均不同，与最常见的IncFIIK2型相比，覆盖度为84%、相似性为95%，最终作者将其提交至数据库，并命名为新亚型IncFIIK34。

表1 4个CR-hvKp分离株的基因组特征

2、全球流行趋势

l  中国hvKp数量全球最多

在GenBank数据库67,631株肺炎克雷伯菌基因组中，ST23、ST86或ST65型hvKp 共有2,343株（3.5%），其中中国分离株数量最多（1,003株），远超其他国家。

l  ST23是hvKp的绝对优势克隆

ST23 是hvKp最主要的流行克隆，占上述hvKp的67%（1,566/2,343），远高于ST86（18%）和ST65（15%）。

l  KPC是CR-hvKp最关键的碳青霉烯酶基因

在2343个hvKp 中，414个被鉴定为CR-hvKp，其中KPC基因（42%，174/414） 的携带率最高，显著超过OXA-48样基因（30%）和NDM基因（17%）。

l  IncFIIK34是CR-hvKp KPC质粒的主导类型

在KPC阳性CR-hvKp中，IncFIIK34质粒占比最高（24%，42/174），其次是F33（9%）和F35（8%）质粒。

图1 IncFIIK1-34等位基因分析和CR-hvKp的全球流行病学（a-c. IncFIIK等位基因的邻接树、多序列对齐以及PLSDB质粒数据库占比统计；d-f. 2168个hvKp和CR-hvKp基因组的全球分布、ST23/ST86/ST65百分比、碳青霉烯酶百分比；g. 174株CR-hvKp KPC菌株的IncF复制子分布）

3、菌株基因组特征

l  两种KPC-2质粒的特点

IncFIIK34 KPC-2质粒：存在于DD01665、DD02357和H39，超过100Kb，编码抗CRISPR AcrIE9.2，其blaKPC-2位于NTEKPC-Ib元件；

IncN KPC-2质粒：存在于DD02201，62 Kb，blaKPC-2位于NTEKPC-Id元件；同时DD02201的IncFIIK2质粒携带AcrIE9.2。

据报道，AcrIE9.2可以保护IncF-KPC-2质粒免受I-E型CRISPR-Cas系统的消除。

l  ST23 CG23-1亚系的全球传播

ST23群和CG23-I亚系的最近共同祖先（MRCA）可能分别出现在1882年和1922年左右，CG23-I亚系已成为全球传播最广泛的群体

图2 KPC质粒比较分析及ST23 hvKp和CR-hvKp系统发育分析（a-b. IncFIIK34质粒的基因组圈图和KPC遗传背景；c-d. IncN质粒的基因组圈图和KPC遗传背景；e. 342株ST23-hvKp和CR-hvKp菌株的时间树）

4、KPC-2质粒的接合转移能力

l  IncFIIK34质粒的转移优势

IncFIIK34质粒的接合转移效率与IncFIIK2质粒相比明显更高（转移至J53约100倍，转移至NTUH-K2044约 1000倍）。

IncFIIK34质粒可协助不具有自主转移能力的质粒（如pK2044）转移。

l  接合转移优势的机制探索

RNA-seq和差异表达基因分析显示，IncFIIK34接合子的27个接合相关基因表达显著上调。

图3 blaKPC-2携带质粒的接合实验和接合子RNA-seq分析（a-c. 三步接合转移实验先后转移至J53、K2044、J53的接合效率统计；d. 接合转移实验示意图；e-f. NTUH-K2044接合子的RNA-seq热图和DEGs火山图；g. 接合转移相关基因的表达热图）

5、IncFIIK34质粒的适应性优势

l  IncFIIK34菌株的生长竞争优势：

在亚抑菌浓度美罗培南（0.5-2 μg/mL）压力下，携带IncFIIK34质粒的菌株未出现生长延迟，而IncFIIK2菌株则表现出约6小时的生长滞后，且在1 μg/mL美罗培南的竞争共培养实验中IncFIIK34菌株显示出显著生长优势。

l  blaKPC-2基因表达差异：

IncFIIK34菌株对美罗培南的MIC值（8 μg/mL）是IncFIIK2菌株（4 μg/mL）的两倍。分子机制研究表明，IncFIIK34质粒不仅具有更高的blaKPC-2基因拷贝数和质粒拷贝数，而且在无抗生素压力下，IncFIIK34菌株的blaKPC-2表达水平显著高于IncFIIK2菌株。

图4 NTUH-K2044与IncFIIK34、IncFIIK2 blaKPC-2携带质粒的竞争实验（a-d. 0、0.5、1、2 μg/mL美罗培南四种浓度下的分离株生长曲线；e. 在添加或不添加美罗培南下IncFIIK34的竞争；f-i. NTUH-K2044接合子的blaKPC-2拷贝数、质粒拷贝数、blaKPC-2的qRT-PCR转录水平和RNA-seq转录水平）

6、CR-hvKp的低黏性和高毒力

l  CR-hvKp的黏液表型缺失：

与NTUH-K2044相比，4株CR-hvKp（IncFIIK34/IncN质粒）均显示低的黏性和生物膜形成能力，但小鼠感染实验证实它们的毒力并未减弱。

42%的CR-hvKp基因组（Genbank）存在rmpADC/rmpA2基因突变。几乎所有CR-hvKp和hvKp的基因组，具有截短或缺失的rmpADC和rmpA2（99.7%，359/ 360）。

l  KPC质粒对毒力表型的影响：

将KPC质粒转入NTUH-K2044后，多数转接合子黏性降低。

图5 CR-hvKp分离株的致病机制分析（a. 小鼠存活曲线；b. 小鼠肺、肝、脾和肾匀浆中的细菌负载；c-d. ELISA法测定小鼠血清中的IL-6和TNF-α的含量；e. 中性粒细胞杀伤抗性实验；f. 黏液粘性检测；g. 生物膜形成实验）

参考文献

Jiang J, Wang L, Hu Y, et al. Global emergence of Carbapenem-resistant Hypervirulent Klebsiella pneumoniae driven by an IncFIIK34 KPC-2 plasmid. EBioMedicine. 2025;113:105627. doi:10.1016/j.ebiom.2025.105627

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