Abstract The emergence and global discovery of the mobilized colistin resistance gene, mcr-1 , limits the clinical effectiveness of colistin as last-resort antibiotic against multiple-drug resistant bacteria. Although MCR-1 exhibits low levels of colistin resistance in E. coli , it is currently unknown whether mcr-1 may potentially evolve a high level of colistin resistance in the future. Here, we generated mcr-1 mutant library that included 27,965 variants, covering 94.44% of the single-nucleotide mutations. We quantified the relative growth of these variant strains under colistin exposure. Notably, most mutations in the catalytic domain, but not in the transmembrane domain, reduce colistin resistance. The structural basis for the mutational effects revealed that the transmembrane domain may contribute to MCR-1 evolution. Altogether, our data shed light on the prediction of MCR-1 evolution, which could be useful for designing novel treatment strategies.

BackgroundThe intensive use of antibiotics has resulted in strong natural selection for the evolution of antimicrobial resistance (AMR), but whether, and under what circumstances, the removal of antibiotics would result in a rapid reduction in AMR has been insufficiently explored. We aimed to test the hypothesis that in the simple, yet common, case of AMR conferred by a single gene, removing antibiotics would quickly reduce the prevalence of resistance if the AMR gene imposes a high fitness cost and costless resistance is extremely rare among its proximal mutants.MethodsIn this genetic study, to test our hypothesis, we used the mcr-1 gene in Escherichia coli, which confers resistance to the last-resort antibiotic colistin, as a model. A high-throughput reverse genetics approach was used to evaluate mcr-1 variants for their fitness cost and resistance levels relative to a non-functional construct, by measuring relative growth rates in colistin-free media and at 2 μg/mL and 4 μg/mL colistin. We identified costless resistant mcr-1 mutants, and examined their properties within the context of the sequential organisation of mcr-1's functional domains as well as the evolutionary accessibility of these mutations. Finally, a simple population genetic model incorporating the measured fitness cost was constructed and tested against previously published real-world data of mcr-1 prevalence in colonised inpatients in China since the 2017 colistin ban in fodder additives.FindingsWe estimated the relative growth rates of 14 742 mcr-1 E coli variants (including the wild type), 3449 of which were single-nucleotide mutants. E coli showed 73·8% less growth per 24 h when carrying wild-type mcr-1 compared with the non-functional construct. 6252 (42·4%) of 14 741 mcr-1 mutants showed colistin resistance accompanied by significant fitness costs, when grown under 4 μg/mL colistin selection. 43 (0·3%) mcr-1 mutants exhibited costless resistance, most of which contained multiple mutations. Among the 3449 single mutants of mcr-1, 3433 (99·5%) had a fitness cost when grown in colistin-free media, with a mean relative growth of 0·305 (SD 0·193) compared with the non-functional variant. 3059 (88·7%) and 1833 (53·1%) of 3449 single mutants outgrew the non-functional mcr-1 in the presence of 2 μg/mL and 4 μg/mL colistin, respectively. Single mutations that gave rise to costless mutants were rare in all three domains of mcr-1 (transmembrane domain, flexible linker, and catalytic domain), but the linker domain was enriched with cost-reducing and resistance-enhancing mutations and depleted with cost-increasing mutations. The population genetics model based on the experimental data accurately predicts the rapid decline in mcr-1 prevalence in real-world data.InterpretationMany identified costless resistant variants that consist of multiple mutations are unlikely to evolve easily in nature. These findings for colistin and mcr-1 might be applicable to other cases in which AMR entails a substantial fitness cost that cannot be mitigated in proximal mutants.FundingNational Natural Science Foundation of China, and National Key Research and Development Program of China.

Background: The global dissemination of colistin resistance encoded by mcr-1 has been attributed to extensive use of colistin in livestock, threatening colistin efficacy in medicine. The emergence of mcr-1 in common pathogens, such as Escherichia coli, is of particular concern. Therefore, China banned the use of colistin in animal feed from May 1ST 2017. We investigated subsequent changes in mcr-1 prevalence, and the genomic epidemiology of mcr-1-positive Escherichia coli (MCRPEC). Methods: Sampling was conducted pre- (October-December 2016) and post-colistin ban (October-December, 2017 and 2018, respectively). 3675 non-duplicate pig fecal samples were collected from 14 provinces (66 farms) in China to determine intervention-related changes in mcr-1 prevalence. 15193 samples were collected from pigs, healthy human volunteers, colonized and infected hospital inpatients, food and the environment in Guangzhou, to characterize source-specific mcr-1 prevalence and the wider ecological impact of the ban. From these samples, 688 MCRPEC were analyzed with whole genome sequencing (WGS), plasmid conjugation and S1-PFGE/Southern blots to characterize associated genomic changes. Findings: After the ban, mcr-1 prevalence decreased significantly in national pig farms, from 45.0% (308/684 samples) in 2016, to 19.4% (274/1416) in 2018 (p<0.0001). This trend was mirrored in samples from most sources in Guangzhou (overall 19.2% [959/5003 samples] in 2016; 5.3% [238/4489] in 2018; p<0.0001). The population structure of MCRPEC was diverse (23 sequence clusters [SCs]); ST10 clonal complex isolates were predominant (247/688 [36%]). MCRPEC causing infection in hospitalized inpatients were genetically more distinct and appeared less affected by the ban. mcr-1 was predominantly found on plasmids (632/688 [92%]). Common mcr-1 plasmid types included IncX4, IncI2 and IncHI2 (502/656 [76.5%]); significant increases in IncI2-associated mcr-1 and a distinct lineage of mcr-1-associated IncHI2 were observed post-ban. Changes in the frequency of mcr-1-associated flanking sequences (ISApl1-negative MCRPEC), 63 core genome SNPs and 30 accessory genes were also significantly different after the ban, consistent with rapid genetic adaptation in response to changing selection pressures. Interpretation: A rapid, ecosystem-wide, decline in mcr-1 was observed after banning the use of colistin in animal feed, with associated genetic changes in MCRPEC. Genomic surveillance is key to assessing and monitoring stewardship interventions. Funding: National Natural Science Foundation of China. Keywords: Colistin; antimicrobial stewardship; intervention; mcr-1; Escherichia coli; genomic epidemiology

The emerging and global spread of a novel plasmid-mediated colistin resistance gene, mcr-1, threatens human health. It is accepted that MCR-1 affects bacterial fitness, and this fitness cost correlates with bacterial membrane lipid A perturbation. However, the detailed molecular mechanism remains unclear. Here, we screened out a novel MCR-1 variant, named M6, with a two-point mutation that rendered a low level of co-resistance to β-lactam antibiotics. Compared to wild-type (WT) MCR-1, this variant caused severe lipid A perturbation resulting in peptidoglycan layer remodelling and thus resulted in phenotypic co-resistance to β-lactams. Moreover, we found that a lipid A loading cavity is localized at the linker domain of MCR-1 and governs colistin resistance and bacterial membrane permeability, and the mutated pocket of M6 facilitates the binding affinity of lipid A. More importantly, synthetic peptides derived from M6 achieved broad-spectrum antimicrobial activity. These findings provide insights into a potential vulnerability that could be exploited in future antimicrobial drug design.

ABSTRACT The emergence of carbapenem-resistant Klebsiella pneumoniae (CRKP) isolates in Egyptian hospitals has been reported. However, the genetic basis and the analysis of the plasmids associated with CR-hypervirulent-KP (CR-HvKP) in Egypt are not presented. Therefore, we attempt to decipher the plasmids sequences, which are responsible for transferring the determinants of carbapenem-resistance, particularly the bla NDM-1 and bla KPC-2 . Out of 34 K. pneumoniae isolates collected from two tertiary hospitals in Egypt, 31 were CRKP. Whole-genome sequencing revealed that our isolates were related to 13 different sequence types (STs). The most prevalent ST was ST101, followed by ST383, and ST11. Among the CRKP isolates, one isolate named EBSI036 has been reassessed using Nanopore sequencing. Genetic environment analysis showed that EBSI036 carried 20 antibiotic resistance genes and was identified as CR-HvKP strain, it harboured four plasmids, namely; pEBSI036-1-NDM-VIR, pEBSI036-2-KPC, pEBSI036-3, and pEBSI036-4. The two carbapenemase genes, bla NDM-1 and bla KPC-2 , were located on plasmids pEBSI036-1-NDM-VIR and pEBSI036-2-KPC, respectively. The IncFIB:IncHI1B hybrid plasmid pEBSI036-1-NDM-VIR also carried some virulence factors, including regulator of the mucoid phenotype ( rmpA ), the regulator of mucoid phenotype 2 ( rmpA2 ), and aerobactin ( iucABCD, iutA ). Thus, we set out this study to analyse in-depth the genetic basis of pEBSI036-1-NDM-VIR and pEBSI036-2-KPC plasmids. We reported for the first time a high-risk clone ST11 KL47 serotype of CR-HvKP strain isolated from the blood of a 60-year-old hospitalised female patient from the ICU in a tertiary-care hospital in Egypt, which showed the cohabitation of a novel hybrid plasmid coharbouring the bla NDM-1 and virulence genes, besides a bla KPC-2 -carrying plasmid. IMPORTANCE CRKP had been registered in the critical priority tier by the World Health Organization and became a significant menace to public health. Therefore, we set out this study to analyse in-depth the genetic basis of pEBSI036-1-NDM-VIR and pEBSI036-2-KPC plasmids. Herein, we reported for the first time (to the best of our knowledge) a high-risk clone ST11 KL47 serotype of CR-HvKP strain isolated from the blood of a 60-year-old hospitalised female patient in a tertiary-care hospital from the ICU in Egypt, which showed the cohabitation of a novel hybrid plasmid co-harbouring the bla NDM-1 and virulence genes, besides a bla KPC-2 -carrying plasmid. Herein, the high rate of CRKP might be due to the continuous usage of carbapenems as empirical therapy, besides the failure to implement an antibiotic stewardship program in Egyptian hospitals. Thus, this study serves to alert the contagious disease clinicians to the presence of hypervirulence in CRKP isolates in Egyptian hospitals.