Two groups of cocirculating, epidemic clostridiodes difficile strains microdiversify through different mechanisms

Abstract

Clostridiodes difficile strains from the NAPCR1/ST54 and NAP1/ST01 types have caused outbreaks despite of their notable differences in genome diversity. By comparing whole genome sequences of 32 NAPCR1/ST54 isolates and 17 NAP1/ST01 recovered from patients infected with C. difficile we assessed whether mutation, homologous recombination (r) or nonhomologous recombination (NHR) through lateral gene transfer (LGT) have differentially shaped the microdiversification of these strains. The average number of single nucleotide polymorphisms (SNPs) in coding sequences (NAPCR1/ST54 ¼ 24; NAP1/ST01 ¼ 19) and SNP densities (NAPCR1/ST54 ¼ 0.54/kb; NAP1/ST01 ¼ 0.46/kb) in the NAPCR1/ST54 and NAP1/ST01 isolates was comparable. However, the NAP1/ST01 isolates showed 3 higher average dN/dS rates (8.35) that the NAPCR1/ST54 isolates (2.62). Regarding r, whereas 31 of the NAPCR1/ST54 isolates showed 1 recombination block (3,301–8,226 bp), the NAP1/ ST01 isolates showed no bases in recombination. As to NHR, the pangenome of the NAPCR1/ST54 isolates was larger (4,802 gene clusters, 26% noncore genes) and more heterogeneous (644 6 33 gene content changes) than that of the NAP1/ST01 isolates (3,829 gene clusters, ca. 6% noncore genes, 129 6 37 gene content changes). Nearly 55% of the gene content changes seen among the NAPCR1/ST54 isolates (355 6 31) were traced back to MGEs with putative genes for antimicrobial resistance and virulence factors that were only detected in single isolates or isolate clusters. Congruently, the LGT/SNP rate calculated for the NAPCR1/ST54 isolates (26.8 6 2.8) was 4 higher than the one obtained for the NAP1/ST1 isolates (6.8 6 2.0). We conclude that NHR-LGT has had a greater role in the microdiversification of the NAPCR1/ST54 strains, opposite to the NAP1/ST01 strains, where mutation is known to play a more prominent role.

Las cepas de Clostridiodes difficiles de los tipos NAPCR1/ST54 y NAP1/ST01 han causado brotes a pesar de sus notables diferencias en la diversidad del genoma. Comparando las secuencias del genoma completo de 32 aislamientos de NAPCR1/ST54 y 17 NAP1/ST01 recuperados de En el caso de los pacientes infectados con C. difficile, evaluamos si la mutación, la recombinación homóloga (r) o la recombinación no homóloga (NHR) mediante transferencia lateral de genes (LGT) han configurado de forma diferente la microdiversificación de estas cepas. El número medio de polimorfismos de un solo nucleótido (SNP) en las secuencias de codificación (NAPCR1/ST54 ¼ 24; NAP1/ST01 ¼ 19) y las densidades de los SNP (NAPCR1/ST54 ¼ 0,54/kb; NAP1/ST01 ¼ 0,46/kb) en los aislamientos de NAPCR1/ST54 y NAP1/ST01 fue comparable. Sin embargo, los aislamientos NAP1/ST01 mostraron 3 tasas promedio de dN/dS más altas (8,35) que los aislamientos NAPCR1/ST54 (2,62). En cuanto a r, mientras que 31 de los aislados NAPCR1/ST54 mostraron 1 bloque de recombinación (3.301-8.226 pb), los aislados NAP1/ ST01 no mostraron bases en la recombinación. En cuanto a NHR, el pangenoma de los aislamientos NAPCR1/ST54 fue mayor (4.802 (26% de genes no centrales) y más heterogéneo (644 6 33 cambios en el contenido de los genes) que el de los aislados del NAP1/ST01 (3.829 grupos de genes, alrededor del 6% de genes no centrales, 129 6 37 cambios en el contenido de los genes). Casi el 55% de los cambios en el contenido genético observados en los aislados del NAPCR1/ST54 (355 6 31) se remontaban a los GEM con genes putativos de resistencia a los antimicrobianos y factores de virulencia que sólo se detectaron en aislados individuales o en grupos de aislados. Congruentemente, la tasa de LGT/SNP calculado para los aislamientos NAPCR1/ST54 (26,8 6 2,8) fue 4 más alto que el obtenido para los aislamientos NAP1/ST1 (6.8 6 2.0). Concluimos que el NHR-LGT ha tenido un mayor papel en la microdiversificación de las cepas NAPCR1/ST54, frente a las cepas NAP1/ST01, donde se sabe que la mutación juega un papel más prominente.