Abstract Antimicrobial resistance genes (ARGs) are associated with mobile genetic elements (MGEs) that conscript useful genes into the human–microbe and microbe–microbe battlefields. Thus, under intense selective pressure, ARGs have been constantly adapting and evolving, spreading among microbes. tmexCD-toprJ gene clusters, which encode resistance–nodulation–cell division (RND)-type efflux pumps, confer multidrug-resistance to clinically important antimicrobials, including tigecycline. Noteworthily, these gene clusters have emerged in gram-negative bacteria in humans, animals, and the environment worldwide by MGE-mediated transfer. Here we show a hidden MGE, strand-biased circularizing integrative element (SE), that is recently recognized to mediate transpositions of ARGs, associated with the spread of tmexCD-toprJ gene clusters. We identified multidrug-resistant isolates of Aeromonas species in a water environment in Vietnam that harbored multiple copies of tmexCD-toprJ in their chromosomes that were associated with SEs. In particular, Aeromonas hydrophila NUITM-VA1 was found to harbor two copies of a novel variant of tmexC3 . 3D3 . 3-topJ1 within cognate SEs, whereas Aeromonas caviae NUITM-VA2 harbored four copies of a novel variant of tmexC2D2 . 3-topJ2 within cognate SEs. Based on the nature of SE to incorporate a neighboring sequence into the circular form and reinsert it into target sites during transposition, we identified the order of intragenomic movements of tmexCD-toprJ gene clusters. Altogether, our findings suggest that most known subgroups of tmexCD-toprJ and their subvariants underwent transpositions among bacterial chromosomes and plasmids via SEs. Hence, a tmexCD-toprJ gene cluster ancestor may have been initially mobilized via SE, subsequently spreading among bacteria and evolving in new hosts.

Abstract Tigecycline is a last-resort antimicrobial that exhibits promising activity against carbapenemase-producing Enterobacterales (CPE). However, mobile tigecycline resistance genes, tet (X) and tmexCD-toprJ , have emerged in China and have spread possibly worldwide. Tet(X) family proteins, Tet(X3) to Tet(X14), function as tigecycline-inactivating enzymes, and TMexCD-TOprJ complexes function as efflux pumps for tigecycline. Here, we report a CPE isolate co-harboring both emerging tigecycline resistance factors for the first time. A carbapenem- and tigecycline-resistant Klebsiella aerogenes NUITM-VK5 was isolated from an urban drainage in Vietnam in 2021 and a plasmid pNUITM-VK5_mdr co-carrying tet (X4) and tmexCD3-toprJ3 along with the carbapenemase gene bla NDM-4 was identified in NUITM-VK5. pNUITM-VK5_mdr was transferred to Escherichia coli by conjugation and simultaneously conferred high-level resistance against multiple antimicrobials, including carbapenems and tigecycline. An efflux pump inhibitor canceled TMexCD3-TOprJ3-mediated tigecycline resistance, suggesting that both tigecycline resistance factors independently and additively contribute to the high-level resistance. The plasmid had the IncX3 and IncC replicons and was estimated to be a hybrid of plasmids with different origins. Unlike IncX3 plasmids, IncC plasmids are stably maintained in an extremely broad range of bacterial hosts in humans, animals, and environment. Thus, future global spread of multidrug-resistance plasmids such as pNUITM-VK5_mdr poses a public health crisis.

Abstract The emergence of the mobile resistance-nodulation-division (RND)-type efflux pump tmexCD-toprJ gene cluster that confers multidrug resistance (MDR), including tigecycline resistance, in gram-negative bacteria poses a global public health threat. However, the spread of such clinically important antimicrobial resistance genes (ARGs) in the natural environment has not yet been well investigated. In this study, we investigated MDR aquatic bacteria in Vietnam. A carbapenem- and tigecycline-resistant Shewanella xiamenensis isolate NUITM-VS2 was obtained from urban drainage in Hanoi, Vietnam, in October 2021. S. xiamenensis NUITM-VS2 showed resistance to most antimicrobials tested, including tigecycline, tetracyclines, carbapenems, cephalosporins, fluoroquinolone, and aminoglycosides. Whole-genome analysis was performed by long- and short-read sequencing, resulting in the complete genome sequence consisting of one chromosome and five plasmid sequences. ARGs and plasmid replicons in the genome were detected using ResFinder with the custom ARG database, including all known tigecycline resistance genes, and PlasmidFinder, respectively. A 152.2-kb IncC plasmid, pNUITM-VS2_2, co-carried two mobile tigecycline resistance genes, tet (X4) and tmexC3.2D3.2-toprJ1 . In addition, a 24.8-kb untypeable plasmid, pNUITM-VS2_4, carried the carbapenemase gene bla NDM-1 . pNUITM-VS2_2 was transferred to Escherichia coli by conjugation, which simultaneously conferred high-level resistance against many antimicrobials, including tigecycline. To the best of our knowledge, this is the first report of the detection of the mobile RND-type efflux pump gene cluster tmexCD-toprJ in Shewanella species. Our results provide genetic evidence of the complexity of the dynamics of clinically important ARGs among aquatic bacteria, which could be important reservoirs for ARGs in the natural environment.