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.”

Key words： antibiotic resistance; resistome; microbiome; gene flow

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.

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