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.