The antibiotic resistome: gene flow in environments, animals and human beings

Abstract

The antibiotic resistance is natural in bacteria and predates the human use of antibiotics. Numerous antibiotic resistance genes (ARGs) have been discovered to confer resistance to a wide range of antibiotics. The ARGs in natural environments are highly integrated and tightly regulated in specific bacterial metabolic networks. However, the antibiotic selection pressure conferred by the use of antibiotics in both human medicine and agriculture practice leads to a significant increase of antibiotic resistance and a steady accumulation of ARGs in bacteria. In this review, we summarized, with an emphasis on an ecological point of view, the important research progress regarding the collective ARGs (antibiotic resistome) in bacterial communities of natural environments, human and animals, i.e., in the one health settings. We propose that the resistance gene flow in nature is “from the natural environments” and “to the natural environments”; human and animals, as intermediate recipients and disseminators, contribute greatly to such a resistance gene “circulation.”

Keywords

antibiotic resistance / resistome / microbiome / gene flow

References

[1] Rossolini GM, Arena  F, Pecile P ,  Pollini S . Update on the antibiotic resistance crisis. Curr Opin Pharmacol 2014; 18: 56–60

[2] O’Neill J. Antimicrobial resistance: tackling a crisis for the health and wealth of nations. Rev Antimicrob Resist 2014; doi:10.1038/510015a 

[3] Laxminarayan R, Amabile-Cuevas  CF, Cars O ,  Evans T ,  Heymann DL ,  Hoffman S ,  Holmes A ,  Mendelson M ,  Sridhar D ,  Woolhouse M ,  Røttingen JA . UN High-Level Meeting on antimicrobials—what do we need? Lancet 2016; 388(10041): 218–220

[4] Abraham EP, Chain  E. An enzyme from bacteria able to destroy penicillin. Nature 1940; 146(3713): 837

[5] Alanis AJ. Resistance to antibiotics: are we in the post-antibiotic era? Arch Med Res 2005; 36(6): 697–705

[6] D’Costa VM, King  CE, Kalan L ,  Morar M ,  Sung WWL ,  Schwarz C ,  Froese D ,  Zazula G ,  Calmels F ,  Debruyne R ,  Golding GB ,  Poinar HN ,  Wright GD . Antibiotic resistance is ancient. Nature 2011; 477(7365): 457–461

[7] Riesenfeld CS, Goodman  RM, Handelsman J . Uncultured soil bacteria are a reservoir of new antibiotic resistance genes. Environ Microbiol 2004; 6(9): 981–989

[8] Sommer MOA, Dantas  G, Church GM . Functional characterization of the antibiotic resistance reservoir in the human microflora. Science 2009; 325(5944): 1128–1131

[9] D’Costa VM, McGrann  KM, Hughes DW ,  Wright GD . Sampling the antibiotic resistome. Science 2006; 311(5759): 374–377

[10] Wright GD. The antibiotic resistome: the nexus of chemical and genetic diversity. Nat Rev Microbiol 2007; 5(3): 175–186

[11] Davies J, Davies  D. Origins and evolution of antibiotic resistance. Microbiol Mol Biol Rev 2010; 74(3): 417–433

[12] Martinez JL. Antibiotics and antibiotic resistance genes in natural environments. Science 2008; 321(5887): 365–367

[13] Allen HK, Donato  J, Wang HH ,  Cloud-Hansen KA ,  Davies J ,  Handelsman J . Call of the wild: antibiotic resistance genes in natural environments. Nat Rev Microbiol 2010; 8(4): 251–259

[14] Dantas G, Sommer  MO, Oluwasegun RD ,  Church GM . Bacteria subsisting on antibiotics. Science 2008; 320(5872): 100–103

[15] Forsberg KJ, Reyes  A, Wang B ,  Selleck EM ,  Sommer MO ,  Dantas G . The shared antibiotic resistome of soil bacteria and human pathogens. Science 2012; 337(6098): 1107–1111

[16] Baquero F, Martinez  JL, Canton R . Antibiotics and antibiotic resistance in water environments. Curr Opin Biotechnol 2008; 19(3): 260–265

[17] Cabello FC. Heavy use of prophylactic antibiotics in aquaculture: a growing problem for human and animal health and for the environment. Environ Microbiol 2006; 8(7): 1137–1144

[18] Zhang XX, Zhang  T, Fang HH . Antibiotic resistance genes in water environment. Appl Microbiol Biotechnol 2009; 82(3): 397–414

[19] Hatosy SM, Martiny  AC. The ocean as a global reservoir of antibiotic resistance genes. Appl Environ Microbiol 2015; 81(21): 7593–7599

[20] Yap MN. The double life of antibiotics. Mo Med 2013; 110(4): 320–324

[21] Zhu YG, Johnson  TA, Su JQ ,  Qiao M, Guo  GX, Stedtfeld RD ,  Hashsham SA ,  Tiedje JM . Diverse and abundant antibiotic resistance genes in Chinese swine farms. Proc Natl Acad Sci USA 2013; 110(9): 3435–3440

[22] Schmidt AS, Bruun  MS, Dalsgaard I ,  Larsen JL . Incidence, distribution, and spread of tetracycline resistance determinants and integron-associated antibiotic resistance genes among motile aeromonads from a fish farming environment. Appl Environ Microbiol 2001; 67(12): 5675–5682

[23] Aarestrup FM. Occurrence of glycopeptide resistance among Enterococcus faecium isolates from conventional and ecological poultry farms. Microb Drug Resist 1995; 1(3): 255–257

[24] Cheng W, Chen  H, Su C ,  Yan S. Abundance and persistence of antibiotic resistance genes in livestock farms: a comprehensive investigation in eastern China. Environ Int 2013; 61: 1–7

[25] Ibrahim DR, Dodd  CE, Stekel DJ ,  Ramsden SJ ,  Hobman JL . Multidrug resistant, extended spectrum β-lactamase (ESBL)-producing Escherichia coli isolated from a dairy farm. FEMS Microbiol Ecol 2016; 92(4): fiw013

[26] Kazimierczak KA, Scott  KP, Kelly D ,  Aminov RI . Tetracycline resistome of the organic pig gut. Appl Environ Microbiol 2009; 75(6): 1717–1722

[27] Xiao L, Estelle  J, Kiilerich P ,  Ramayo-Caldas Y ,  Xia Z, Feng  Q, Liang S ,  Pedersen AØ ,  Kjeldsen NJ ,  Liu C, Maguin  E, Doré J ,  Pons N, Le Chatelier  E, Prifti E ,  Li J, Jia  H, Liu X ,  Xu X, Ehrlich  SD, Madsen L ,  Kristiansen K ,  Rogel-Gaillard C ,  Wang J. A reference gene catalogue of the pig gut microbiome. Nat Microbiol 2016; 1: 16161

[28] Anderson ES. The ecology of transferable drug resistance in the enterobacteria. Annu Rev Microbiol 1968; 22(1): 131–180

[29] Weinstein L, Goldfield  M, Chang TW . Infections occurring during chemotherapy; a study of their frequency, type and predisposing factors. N Engl J Med 1954; 251(7): 247–255

[30] Salyers AA, Gupta  A, Wang Y . Human intestinal bacteria as reservoirs for antibiotic resistance genes. Trends Microbiol 2004; 12(9): 412–416

[31] Hu Y, Yang  X, Qin J ,  Lu N, Cheng  G, Wu N ,  Pan Y, Li  J, Zhu L ,  Wang X, Meng  Z, Zhao F ,  Liu D, Ma  J, Qin N ,  Xiang C ,  Xiao Y, Li  L, Yang H ,  Wang J, Yang  R, Gao GF ,  Wang J, Zhu  B. Metagenome-wide analysis of antibiotic resistance genes in a large cohort of human gut microbiota. Nat Commun 2013; 4: 2151

[32] Hu Y, Yang  X, Lu N ,  Zhu B. The abundance of antibiotic resistance genes in human guts has correlation to the consumption of antibiotics in animal. Gut Microbes 2014; 5(2): 245–249

[33] Hu Y, Zhu  B. The human gut antibiotic resistome in the metagenomic era: progress and perspectives. Infect Dis Transl Med 2016; 2(1): 41–47

[34] Martinez JL, Coque  TM, Baquero F . What is a resistance gene? Ranking risk in resistomes. Nat Rev Microbiol 2015; 13(2): 116–123

[35] Liu YY, Wang  Y, Walsh TR ,  Yi LX, Zhang  R, Spencer J ,  Doi Y, Tian  G, Dong B ,  Huang X ,  Yu LF, Gu  D, Ren H ,  Chen X, Lv  L, He D ,  Zhou H, Liang  Z, Liu JH ,  Shen J. Emergence of plasmid-mediated colistin resistance mechanism MCR-1 in animals and human beings in China: a microbiological and molecular biological study. Lancet Infect Dis 2016; 16(2): 161–168

[36] Cox G, Wright  GD. Intrinsic antibiotic resistance: mechanisms, origins, challenges and solutions. Int J Med Microbiol 2013; 303(6–7): 287–292

[37] Martinez JL, Baquero  F, Andersson DI . Predicting antibiotic resistance. Nat Rev Microbiol 2007; 5(12): 958–965

[38] Gogarten JP, Townsend  JP. Horizontal gene transfer, genome innovation and evolution. Nat Rev Microbiol 2005; 3(9): 679–687

[39] Bennett PM. Plasmid encoded antibiotic resistance: acquisition and transfer of antibiotic resistance genes in bacteria. Br J Pharmacol 2008; 153(S1): S347–S357

[40] Rice LB. Tn916 family conjugative transposons and dissemination of antimicrobial resistance determinants. Antimicrob Agents Chemother 1998; 42(8): 1871–1877

[41] Rowe-Magnus DA, Mazel  D. The role of integrons in antibiotic resistance gene capture. Int J Med Microbiol 2002; 292(2): 115–125

[42] Hu Y, Zhu  Y, Ma Y ,  Liu F, Lu  N, Yang X ,  Luan C, Yi  Y, Zhu B . Genomic insights into intrinsic and acquired drug resistance mechanisms in Achromobacter xylosoxidans. Antimicrob Agents Chemother 2015; 59(2): 1152–1161

[43] Dobrindt U, Hochhut  B, Hentschel U ,  Hacker J . Genomic islands in pathogenic and environmental microorganisms. Nat Rev Microbiol 2004; 2(5): 414–424

[44] Fournier PE, Vallenet  D, Barbe V ,  Audic S ,  Ogata H ,  Poirel L ,  Richet H ,  Robert C ,  Mangenot S ,  Abergel C ,  Nordmann P ,  Weissenbach J ,  Raoult D ,  Claverie JM . Comparative genomics of multidrug resistance in Acinetobacter baumannii. PLoS Genet 2006; 2(1): 62–72

[45] Hu Y, Yang  X, Li J ,  Lv N, Liu  F, Wu J ,  Lin IYC ,  Wu N, Weimer  BC, Gao GF ,  Liu Y, Zhu  B. The bacterial mobile resistome transfer network connecting the animal and human microbiomes. Appl Environ Microbiol 2016; 82(22): 6672–6681

[46] Thomas CM, Nielsen  KM. Mechanisms of, and barriers to, horizontal gene transfer between bacteria. Nat Rev Microbiol 2005; 3(9): 711–721

[47] Popa O, Dagan  T. Trends and barriers to lateral gene transfer in prokaryotes. Curr Opin Microbiol 2011; 14(5): 615–623

[48] Forsberg KJ, Patel  S, Gibson MK ,  Lauber CL ,  Knight R ,  Fierer N ,  Dantas G . Bacterial phylogeny structures soil resistomes across habitats. Nature 2014; 509(7502): 612–616

[49] Smillie CS, Smith  MB, Friedman J ,  Cordero OX ,  David LA ,  Alm EJ. Ecology drives a global network of gene exchange connecting the human microbiome. Nature 2011; 480(7376): 241–244

[50] Gibson MK, Forsberg  KJ, Dantas G . Improved annotation of antibiotic resistance determinants reveals microbial resistomes cluster by ecology. ISME J 2015; 9(1): 207–216

[51] Smith HW. Transfer of antibiotic resistance from animal and human strains of Escherichia coli to resident E. coli in the alimentary tract of man. Vet Rec 1969; 85(2): 31–33

[52] Rodriguez-Mozaz S, Chamorro  S, Marti E ,  Huerta B ,  Gros M, Sànchez-Melsió  A, Borrego CM ,  Barceló D ,  Balcázar JL . Occurrence of antibiotics and antibiotic resistance genes in hospital and urban wastewaters and their impact on the receiving river. Water Res 2015; 69: 234–242

[53] Korzeniewska E, Korzeniewska  A, Harnisz M . Antibiotic resistant Escherichia coli in hospital and municipal sewage and their emission to the environment. Ecotoxicol Environ Saf 2013; 91: 96–102

[54] Gotz A, Smalla  K. Manure enhances plasmid mobilization and survival of Pseudomonas putida introduced into field soil. Appl Environ Microbiol 1997; 63(5): 1980–1986

[55] Winokur PL, Vonstein  DL, Hoffman LJ ,  Uhlenhopp EK ,  Doern GV . Evidence for transfer of CMY-2 AmpC β-lactamase plasmids between Escherichia coli and Salmonella isolates from food animals and humans. Antimicrob Agents Chemother 2001; 45(10): 2716–2722

[56] Moubareck C, Bourgeois  N, Courvalin P ,  Doucet-Populaire F . Multiple antibiotic resistance gene transfer from animal to human enterococci in the digestive tract of gnotobiotic mice. Antimicrob Agents Chemother 2003; 47(9): 2993–2996

[57] No author listed. Antimicrobial resistance: implications for the food system. An expert report, funded by the IFT Foundation. Compr Rev Food Sci F 2006; 5(3): 71–137

[58] Hu Y, Liu  F, Lin IY ,  Gao GF, Zhu  B. Dissemination of the mcr-1 colistin resistance gene. Lancet Infect Dis 2016; 16(2): 146–147

[59] Graham DW, Collignon  P, Davies J ,  Larsson DG ,  Snape J . Underappreciated role of regionally poor water quality on globally increasing antibiotic resistance. Environ Sci Technol 2014; 48(20): 11746–11747

[60] Arnold KE, Williams  NJ, Bennett M . ‘Disperse abroad in the land’: the role of wildlife in the dissemination of antimicrobial resistance. Biol Lett 2016; 12(8): 20160137

[61] Vittecoq M, Godreuil  S, Prugnolle F ,  Durand P ,  Brazier L ,  Renaud N ,  Arnal A ,  Aberkane S ,  Jean-Pierre H ,  Gauthier-Clerc M ,  Thomas F ,  Renaud F . Antimicrobial resistance in wildlife. J Appl Ecol 2016; 53(2): 519–529

[62] Martinez JL. Environmental pollution by antibiotics and by antibiotic resistance determinants. Environ Pollut 2009; 157(11): 2893–2902

[63] Pruden A, Pei  RT, Storteboom H ,  Carlson KH . Antibiotic resistance genes as emerging contaminants: studies in northern Colorado. Environ Sci Technol 2006; 40(23): 7445–7450

[64] Laxminarayan R, Duse  A, Wattal C ,  Zaidi AK ,  Wertheim HF ,  Sumpradit N ,  Vlieghe E ,  Hara GL ,  Gould IM ,  Goossens H ,  Greko C ,  So AD, Bigdeli  M, Tomson G ,  Woodhouse W ,  Ombaka E ,  Peralta AQ ,  Qamar FN ,  Mir F, Kariuki  S, Bhutta ZA ,  Coates A ,  Bergstrom R ,  Wright GD ,  Brown ED ,  Cars O. Antibiotic resistance—the need for global solutions. Lancet Infect Dis 2013; 13(12): 1057–1098

[65] Nathan C, Cars  O. Antibiotic resistance-problems, progress, and prospects. N Engl J Med 2014; 371(19): 1761–1763

[66] McCullough AR, Parekh  S, Rathbone J ,  Del Mar CB ,  Hoffmann TC . A systematic review of the public’s knowledge and beliefs about antibiotic resistance. J Antimicrob Chemother 2016; 71(1): 27–33

Acknowledgements

This work was supported in part by the National Basic Research Program of China (973 Program, No. 2015CB554200), the National Natural Science Foundation of China (Nos. 81401701 and 31471203), the Beijing Municipal Natural Science Foundation (No. 5152019) and the Youth Innovation Promotion Association of Chinese Academy of Sciences (No. 2015069). G.F.G. is a leading principal investigator of the National Natural Science Foundation of China Innovative Research Group (No. 81321063).

Compliance with ethics guidelines

Yongfei Hu, George F. Gao, and Baoli Zhu declare that they have no conflict of interest. This manuscript is a review article and does not involve a research protocol requiring approval by the relevant institutional review board or ethics committee.

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg