リケラボ論文検索は、全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索できる論文検索サービスです。

リケラボ 全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索するならリケラボ論文検索大学・研究所にある論文を検索できる

リケラボ 全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索するならリケラボ論文検索大学・研究所にある論文を検索できる

大学・研究所にある論文を検索できる 「Bird’s-eye MApping of plasmids (BeMAp) for visualization and comparison of genomic structures of different plasmids by mapping antimicrobial resistance genes on spreadsheets」の論文概要。リケラボ論文検索は、全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索できる論文検索サービスです。
リケラボ

コピーが完了しました

URLをコピーしました

論文の公開元へ論文の公開元へ
書き出し

Bird’s-eye MApping of plasmids (BeMAp) for visualization and comparison of genomic structures of different plasmids by mapping antimicrobial resistance genes on spreadsheets

津田, 裕介 名古屋大学

2023.07.04

概要

主論文の要旨

Bird’s-eye MApping of plasmids (BeMAp) for
visualization and comparison of genomic structures of
different plasmids by mapping antimicrobial resistance
genes on spreadsheets
スプレッドシート上での薬剤耐性遺伝子のマッピングによる
複数プラスミドの遺伝子構造の比較と視覚化のためのBeMAp

名古屋大学大学院医学系研究科
微生物・免疫学講座

分子病原細菌学分野

（指導：柴山 恵吾
津田

総合医学専攻

裕介

教授）

【緒言】
細菌間で薬剤耐性遺伝子媒介プラスミドが伝達することにより、薬剤耐性形質が細
菌間に伝播・拡散する。薬剤耐性遺伝子媒介プラスミドの分類は特定のプラスミドの
起源や伝播状況の探索に寄与することに加え、薬剤耐性菌の拡散状況の把握と拡散防
止に繋がる点で医療環境と公衆衛生の観点から重要である。
プラスミドの分類は不和合性の性質に基づく Inc グループがよく用いられる。近年
では次世代シークエンサーの台頭により Inc グループによる分類が in silico で容易と
なってきた。しかし、プラスミドの解析は、Inc グループの分類で用いる replicon の配
列がない場合プラスミドを Inc グループで分類できないことに加え、プラスミド間で
塩基配列や遺伝子の構成が大きく異なることがあるため困難を伴う。また、多数のプ
ラスミドを一挙に解析し遺伝子の構成を効果的に視覚化するツールはない。
メタロ-β-ラクタマーゼ(MBL)は、腸内細菌目細菌でみられるカルバペネマーゼの１
つであり、そのうち IMP 型 MBL は主に日本で検出される。IMP 型 MBL のサブタイ
プである IMP-6 をコードする bla IMP-6 は、2010-2014 年に大阪の医療機関でアウトブレ
イクを起こし遷延した。この原因としては、IMP-6 を産生する細菌はイミペネムに感
受性を示すため検出が困難であると共に、bla IMP-6 が異なる属や種の細菌間で伝播し、
また異なる Inc グループに存在し比較が困難となっていたことなどが考えられる。そ
のため、アウトブレイクを早急に検出し対策に資するために多数のプラスミドを網羅
的に解析できるツールの開発が必要となっている。
そこで、我々は、多数の薬剤耐性遺伝子媒介プラスミドについてプラスミド上に存
在する薬剤耐性遺伝子の種類、順序、構成に着目した解析を行い、その結果を鳥瞰的
に表示することを可能とするツールである BeMAp(Bird’s eye MApping of plasmid)を開
発した。そして、IMP 型 MBL のいずれかのサブタイプをコードする bla IMPs を持つプ
ラスミドを用いてその実用性を評価した。
【対象および方法】
2021 年 8 月に the National Center for Biotechnology Information(NCBI)から bla IMP-6 の
塩基配列を用いて、815 データセットを抽出した。このうち、bla IMPs をもつ 303 プラ
スミドを解析に用いた。
BeMAp を用いて、これらのプラスミドについて薬剤耐性遺伝子の種類を同定した。
プラスミドの薬剤耐性遺伝子の類似性を視覚的にわかりやすく表示するために、薬剤
耐性遺伝子の種類と配置に着目しプラスミドの集団を分割するアルゴリズムを作成し、
それに従って並び替えを行った。並び替え結果に基づいて樹形図を作成し、表計算ソ
フトでプラスミド上の読み枠を 1 つのセルとして薬剤耐性遺伝子を色付け表示した。
プラスミドの不和合性に基づく Inc グループやプラスミドの分離宿主、検出国などに
ついて色付け表示を行なった。
【結果】

-1-

まず、カルバペネマーゼをコードする bla IMP-6 を含む 54 プラスミドの塩基配列情報
を公共データベースから取得し、薬剤耐性遺伝子について鳥瞰的に表示した(図１a)。
そして、それらを Inc グループによる分類で表示し、薬剤耐性遺伝子の種類、局在、
順序や構成によるプラスミド間の類似と相違を明らかにした(図 1b)。
次に、bla IMP-6 のプラスミドの解析と同様に、bla IMPs を含む 303 プラスミドを BeMAp
で解析した。同じクラスターに属する bla IMP-4 を持つ 11 プラスミドについては類似し
た薬剤耐性遺伝子の構成を持つが、9 プラスミドが IncL/M と分類され、2 プラスミド
が IncF と IncN に分類された(図 2)。
【考察】
BeMAp を用いた遺伝子構造の解析により、bla IMP-6 と bla IMPs を持つプラスミドを薬
剤耐性遺伝子の種類、配置、順序、構成について網羅的に表示し、その実用性を確認
した。表計算ソフトに表示することでプラスミドの遺伝子の構造をインタラクティブ
に認識することができた。既存のツールやアライメント方法によるプラスミドの相同
性解析やクラスタリング方法ではプラスミドの類似性の表示が困難となるため、プラ
スミドの集団を分割するアルゴリズムを作成し、これによってプラスミド上の薬剤耐
性遺伝子の類似性を効果的に表示することができた。また、薬剤耐性遺伝子媒介プラ
スミドについてその特性に基づいた色付け表示を行うことで、薬剤耐性遺伝子の類似
性について特性に関連して比較解析を行うことができた。
薬剤耐性遺伝子媒介プラスミドが同じ Inc グループに分類された場合には薬剤耐性
遺伝子の種類や構成に類似性がみられ、BeMAp で効果的に示すことができた。加えて、
類似した薬剤耐性遺伝子の構成を持つ薬剤耐性遺伝子媒介プラスミドでも異なる Inc
グループに分類されており、この結果が BeMAp で視覚的に明らかとなった。このこ
とから BeMAp は Inc グループによる分類に依らない方法で薬剤耐性遺伝子媒介プラ
スミドを分類できる可能性が示された。
今回腸内細菌目細菌のプラスミドによる解析であったが、BeMAp はグラム陽性菌な
どのプラスミドでも表示可能である。また、薬剤耐性遺伝子の表示だけでなく、病原
因子やトランスポゾンなどのデータベースを用いることで、これらも表示可能である。
加えて、プラスミドのみでなく染色体も表示可能であるが、計算や表示に時間がかか
るため BeMAp の改良が必要である。
以上より、BeMAp による薬剤耐性遺伝子に注目した薬剤耐性遺伝子媒介プラスミド
の表示は、多数のプラスミドの遺伝子構成を比較表示することができる新規の手法で
あり薬剤耐性菌のアウトブレイク事例などの際にプラスミドの遺伝的関連性を確認す
る新しい手段を提供すると考えられる。
【結論】
多数の薬剤耐性遺伝子媒介プラスミドを解析し、それらの薬剤耐性遺伝子の種類、
配置、順序、構成について類似性や相違を視覚的に示すツールである BeMAp を開発

-2-

した。BeMAp による薬剤耐性遺伝子媒介プラスミドの方法は、多数の薬剤耐性遺伝子
媒介プラスミドの遺伝子構造について比較表示するための実用的な方法となることが
期待される。

-3-

図１. BeMAp による blaIMP-6 を持つ 54 プラスミドの鳥瞰的表示
Fifty-four plasmids carrying blaIMP-6 were aligned using BeMAp and antimicrobial resistance genes were mapped onto
the spreadsheet. At the top of the figure, the dendrogram constructed based on the clustering of these plasmids was
displayed. The antimicrobial agents indicated in the legend represent the type of antimicrobial resistance genes present.
a) The complete map of plasmids carrying blaIMP-6 is visualized.
b) The complete map of plasmids carrying blaIMP-6 with colors representing identified Inc groups is shown.

-4-

図 2. 類似した薬剤耐性遺伝子の構成を持つ blaIMP-4 を持つ 11 プラスミドの表示
Eleven plasmids carrying blaIMP-4 are shown in the same cluster. Nine plasmids were classified as IncL/M. CP042496.1
and CP042548.1 were classified as IncF and IncN, respectively. Although CP042496.1 and CP042526.1 had the same
organization of antimicrobial resistance genes, they were classified as IncF and IncL/M, respectively.

-5-

論文の公開元へ

この論文で使われている画像

関連論文

関連論文をもっと見る

参考文献

Abe, R., Akeda, Y., Sugawara, Y., et al., 2020. Characterization of the plasmidome

encoding carbapenemase and mechanisms for dissemination of carbapenemresistant Enterobacteriaceae. mSystems 5 (6). https://doi.org/10.1128/

msystems.00759-20.

Alcock, B.P., Raphenya, A.R., Lau, T.T.Y., et al., 2020. CARD 2020: antibiotic resistome

surveillance with the comprehensive antibiotic resistance database. Nucleic Acids

Res. 48 (D1), D517–D525. https://doi.org/10.1093/nar/gkz935.

Ankenbrand, M.J., Hohlfeld, S., Hackl, T., F¨

orster, F., 2017. AliTV-interactive

visualization of whole genome comparisons. PeerJ Comput. Sci. 2017 (6), 1–10.

https://doi.org/10.7717/peerj-cs.116.

Bortolaia, V., Kaas, R.S., Ruppe, E., et al., 2020. ResFinder 4.0 for predictions of

phenotypes from genotypes. J. Antimicrob. Chemother. 75 (12), 3491–3500.

https://doi.org/10.1093/jac/dkaa345.

Carattoli, A., Bertini, A., Villa, L., Falbo, V., Hopkins, K.L., Threlfall, E.J., 2005.

Identification of plasmids by PCR-based replicon typing. J. Microbiol. Methods 63

(3), 219–228. https://doi.org/10.1016/j.mimet.2005.03.018.

Carattoli, A., Zankari, E., Garci´

a-Fern´

andez, A., et al., 2014. In silico detection and typing

of plasmids using plasmidfinder and plasmid multilocus sequence typing.

Antimicrob. Agents Chemother. 58 (7), 3895–3903. https://doi.org/10.1128/

AAC.02412-14.

CLSI, 2020. Clinical and Laboratory Standards Institute. Performance Standards for

Antimicrobial Susceptibility Testing: 30th Edition M100–ED30. Wayne, PA, USA.

Jernigan, J.A., Hatfield, K.M., Wolford, H., et al., 2020. Multidrug-resistant bacterial

infections in U.S. hospitalized patients, 2012–2017. N. Engl. J. Med. 382 (14),

1309–1319. https://doi.org/10.1056/nejmoa1914433.

Kanehisa, M., Goto, S., 2000. KEGG: Kyoto encyclopedia of genes and genomes. Nucleic

Acids Res. 28 (1), 27–30. https://doi.org/10.1093/nar/28.1.27.

Kawamura, K., Nagano, N., Suzuki, M., Wachino, J., Kimura, K., Arakawa, Y., 2017.

ESBL-producing Escherichia coli and its rapid rise among healthy people. Food Saf. 5

(4), 122–150. https://doi.org/10.14252/foodsafetyfscj.2017011.

Lanza, V.F., Baquero, F., De La Cruz, F., Coque, T.M., 2017. AcCNET (Accessory Genome

Constellation Network): comparative genomics software for accessory genome

analysis using bipartite networks. Bioinformatics 33 (2), 283–285. https://doi.org/

10.1093/bioinformatics/btw601.

Larkin, M.A., Blackshields, G., Brown, N.P., et al., 2007. Clustal W and Clustal X version

2.0. Bioinformatics 23 (21), 2947–2948. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/

btm404.

Laxminarayan, R., Van Boeckel, T., Frost, I., et al., 2020. The lancet infectious diseases

commission on antimicrobial resistance: 6 years later. Lancet Infect. Dis. 20 (4),

e51–e60. https://doi.org/10.1016/s1473-3099(20)30003-7.

Li, J., Zhang, H., Ning, J., et al., 2019. The nature and epidemiology of OqxAB, a

multidrug efflux pump. Antimicrob. Resist. Infect. Control 8 (1), 44. https://doi.org/

10.1186/s13756-019-0489-3.

Lipman, D.J., Altschul, S.F., Kececioglu, J.D., 1989. A tool for multiple sequence

alignment. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 86 (12), 4412–4415. https://doi.org/

10.1073/pnas.86.12.4412.

Nikaido, H., 2009. Multidrug resistance in bacteria. Annu. Rev. Biochem. 78, 119–146.

https://doi.org/10.1146/annurev.biochem.78.082907.145923.

Orlek, A., Stoesser, N., Anjum, M.F., et al., 2017. Plasmid classification in an era of

whole-genome sequencing: application in studies of antibiotic resistance

epidemiology. Front. Microbiol. 8, 1–10. https://doi.org/10.3389/

fmicb.2017.00182.

Partridge, S.R., 2011. Analysis of antibiotic resistance regions in Gram-negative bacteria.

FEMS Microbiol. Rev. 35 (5), 820–855. https://doi.org/10.1111/j.15746976.2011.00277.x.

Partridge, S.R., Kwong, S.M., Firth, N., Jensen, S.O., 2018. Mobile genetic elements

associated with antimicrobial resistance. Clin. Microbiol. Rev. 31 (4), 1–61. https://

doi.org/10.1128/CMR.00088-17.

Peleg, A.Y., Franklin, C., Bell, J.M., Spelman, D.W., 2005. Dissemination of the metalloβ-lactamase gene blaIMP-4 among gram-negative pathogens in a clinical setting in

Australia. Clin. Infect. Dis. 41 (11), 1549–1556. https://doi.org/10.1086/497831.

Robicsek, A., Strahilevitz, J., Jacoby, G.A., et al., 2006. Fluoroquinolone-modifying

enzyme: a new adaptation of a common aminoglycoside acetyltransferase. Nat. Med.

12 (1), 83–88. https://doi.org/10.1038/nm1347.

Rozwandowicz, M., Brouwer, M.S.M., Fischer, J., et al., 2018. Plasmids carrying

antimicrobial resistance genes in Enterobacteriaceae. J. Antimicrob. Chemother. 73

(5), 1121–1137. https://doi.org/10.1093/jac/dkx488.

Seemann, T., 2014. Prokka: rapid prokaryotic genome annotation. Bioinformatics 30

(14), 2068–2069. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btu153.

Sullivan, M.J., Petty, N.K., Beatson, S.A., 2011. Easyfig: a genome comparison visualizer.

Bioinformatics 27 (7), 1009–1010. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btr039.

Suzuki, M., Doi, Y., Arakawa, Y., 2020. ORF-based binarized structure network analysis

of plasmids (OSNAp), a novel approach to core gene-independent plasmid

phylogeny. Plasmid 108, 102477. https://doi.org/10.1016/j.plasmid.2019.102477.

Tymensen, L., Booker, C.W., Hannon, S.J., et al., 2019. Plasmid distribution among

Escherichia coli from livestock and associated wastewater: unraveling factors that

shape the presence of genes conferring third-generation cephalosporin resistance.

Environ. Sci. Technol. 53 (20), 11666–11674. https://doi.org/10.1021/acs.

est.9b03486.

van Duin, D., Arias, C.A., Komarow, L., et al., 2020. Molecular and clinical epidemiology

of carbapenem-resistant Enterobacterales in the USA (CRACKLE-2): a prospective

5. Conclusions

BeMAp is a novel algorithm that allows for the mapping of multiple

plasmids and enables the effective recognition of the types, locations,

alignments, and organizations of antimicrobial resistance genes in

plasmids via extensive analysis of plasmids carrying blaIMP-6 and blaIMPs.

This method may serve as a promising technique for the feasible and

practical visualization and comparison of the genomic structure of

multiple plasmids.

Supplementary data to this article can be found online at https://doi.

org/10.1016/j.mimet.2022.106645.

Funding

This research was supported by the Japan Agency for Medical

Research and Development (AMED) under Grant Control Numbers

20fk0108061h0203 and 21fk0108604h0501.

CRediT authorship contribution statement

Yusuke Tsuda: Conceptualization, Methodology, Software, Investi­

gation, Data curation, Writing – original draft. Masahiro Suzuki:

Conceptualization, Software, Supervision. Jun-ichi Wachino: Supervi­

sion. Kouji Kimura: Supervision. Yoshichika Arakawa: Conceptuali­

zation, Writing – review & editing, Supervision, Funding acquisition.

Declaration of Competing Interest

None to declare.

Data availability

Data will be made available on request.

Y. Tsuda et al.

Journal of Microbiological Methods 204 (2023) 106645

cohort study. Lancet Infect. Dis. 20 (6), 731–741. https://doi.org/10.1016/s14733099(19)30755-8.

World Health Organization, 2015. Global Action Plan on Antimicrobial Resistance.

https://www.who.int/antimicrobial-resistance/publications/global-action-plan/en

/.

Yamagishi, T., Matsui, M., Sekizuka, T., et al., 2020. A prolonged multispecies outbreak

of IMP-6 carbapenemase-producing Enterobacterales due to horizontal transmission

of the IncN plasmid. Sci. Rep. 10 (1), 4139. https://doi.org/10.1038/s41598-02060659-2.

10

...

参考文献をもっと見る

全国の大学の
卒論・修論・学位論文
を
一発検索！

この論文の関連論文を見る