Genome-wide epidemiology and molecular characteristics of multidrug-resistant pathogens in food producing chain under a One Health framework = One Health framework 기반 식품 생산 체계 내 다제내성 병원체의 전장 유전체 기반 역학 분석 및 분자 특성 규명

국문 초록 (Abstract)

항생제 내성은 공중 보건에 대한 주요 위협 중 하나이자, 인간, 동물, 식품 및 환경 부문이 서로 얽혀 발생하는 범세계적 난제이다. 이러한 상호 연결성은 효과적인 항생제 내성의 완화를 위해 ‘One Health’ framework를 통한 통합적인 이해와 관리가 필수적임을 강조한다. 최근 whole-genome sequencing (WGS) 기술의 발전은 고해상도의 역학 감시를 가능하게 하여, 항생제 내성균의 확산에 대한 정밀한 특성 규명ㆍ추적할 수 있게 되었다. 이러한 기술적 진보에도 불구하고, 국내 식품 생산 사슬 내 주요 병원체에 대한 포괄적인 유전체 감시는 여전히 제한적이다. 이러한 격차를 해소하기 위해, 본 연구에서는 WGS 분석을 기반으로 하여 다음을 목표로 하였다: (i) 돼지고기 및 닭고기 생산 사슬에서 diarrheagenic Escherichia coli (DEC) 의 분포, 항생제 내성 profile 및 분자적 특성 규명; (ii) 양돈 농가에서 livestock-associated methicillin-resistant Staphylococcus aureus (LA-MRSA)의 유병률, 항생제 내성 평가 및 유전적 다양성 분석; (iii) LA-MRSA 분리주에서 새로운 staphylococcal cassette chromosome mec (SCCmec) 요소의 유전체 전체 조사 및 구조적 비교 수행.
제 1장에서는 One Health 접근법을 바탕으로 돼지고기 및 닭고기 생산 사슬 전반에 걸친 DEC의 특성을 규명하였다. 본 연구는 최종 생산물의 오염이 돼지고기보다 닭고기에서 더 높게 나타났으며, 이는 도축 단계에서 비롯되는 clonal carryover의 양상과 일치하였다. 또한, 닭고기 유래 분리주는 돼지고기 유래 분리주에 비해 높은 수준의 항생제 내성을 나타내었다. 유전체 분석을 통해 숙주에 따라 분화된 계통과 다양한 sequence types (STs) 및 serotype의 repertoire를 확인하였고, 특히 돼지 유래 분리주 중 인간 감염과 관련된 계통이 포함되었다. 항생제 내성 및 독성 유전자를 보유한 plasmid가 다량으로 검출된 점은 이들의 확산 위험이 높음을 시사한다. 이러한 결과들은 공중 보건 위험을 완화하기 위해 식품 생산 사슬 내에서 표적화된 중재 전략의 필요성을 강조한다. 제2장에서는 국내 양돈 농가에서 LA-MRSA의 유병률과 유전체 특성을 규명하였다. 모든 분리주는 다제내성을 보였고, molecular characteristic 분석 결과 우세 계통은 clonal complex(CC) 398이었다. 또한, 국내에서 이전에 보고되지 않은 SCCmec type III+V 조합이 확인되었으며, 전장 유전체 분석 결과, cgMLST와 core-SNP 기반 계통 분석에서 확인된 낮은 유전적 거리와 genomic cluster 형성은, 동일 육종 네트워크와 연관된 농장 간 전파가 있었을 가능성을 시사한다. 특히 동일한 육종회사로부터 돼지를 공급받는 서로 다른 농가의 분리주들 사이에서 뚜렷한 genomic cluster가 관찰되었다. 이러한 역학적 연결성을 바탕으로 대표 분리주에 대한 완전 유전체 분석을 수행한 결과, 새로운 SCCmec 변이가 규명되었다. 그중 uncharacterized SCCmec element를 보유한 새로운 MRSA 계통 ST4174 (CC5)를 확인하였으며, 이는 해당 ST에서 보고된 최초의 MRSA로서 국내 양돈 농가에서 non-CC398 계통의 출현을 보여준다. 종합하면, CC398의 지속적인 clonal expansion이 진행되는 가운데 새로운 SCCmec 변이와 비-CC398 MRSA의 등장으로 LA-MRSA의 유전적 다양화가 가속화되고 있음을 시사한다. 이에 따라 국내 양돈 농가에서는 새로운 내성 요소와 신종 계통의 출현을 조기 포착하기 위한 강화된, 심층적 WGS 기반 감시의 필요성을 강조한다. 종합적으로, 본 연구의 결과들은 항생제 내성을 완화하기 위해 식품 생산 사슬 내에서 표적화된 중재 전략의 중대한 필요성을 강조한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Antimicrobial resistance (AMR) is one of the major threats to public health and a multifaceted global challenge, arising from interconnected human, animal, food, and environmental sectors. This interconnectedness highlights the critical need for a One Health framework to guide the understanding and management of AMR for its effective mitigation. Recently, advances in whole-genome sequencing (WGS) technologies have enabled high resolution epidemiological surveillance, allowing for precise characterization and tracking of the dissemination of antimicrobial-resistant bacteria. Despite this technological progress, comprehensive genomic surveillance of critical pathogens within food production chains in Korea remains limited. To address this gap, this thesis employs WGS-based analyses to: (i) delineate the distribution, antimicrobial resistance profiles, and molecular characteristics of diarrheagenic Escherichia coli (DEC) in pork and chicken production chains; (ii) estimate the prevalence, evaluate antimicrobial resistance, and assess genetic diversity of livestock-associated methicillin-resistant Staphylococcus aureus (LA-MRSA) in pig farms; and (iii) conduct a genome-wide investigation and structural comparison of novel staphylococcal cassette chromosome mec (SCCmec) elements in LA-MRSA isolates, with analyses based on WGS. In chapter 1, a One Health approach was employed to characterize DEC across pork and chicken production chains. This investigation revealed that contamination of the final products was more prevalent in chicken than in pork, a finding consistent with clonal carryover originating at slaughterhouse stages. Isolates from chicken demonstrated higher levels of antimicrobial resistance. Furthermore, genome-wide analyses identified host-partitioned lineages and a diverse repertoire of sequence types (STs) and serotypes, with pig-associated isolates including lineages linked to human infection. The recurrent presence of plasmids carrying antimicrobial resistance and virulence genes suggests a significant risk of dissemination. These findings highlight the need for targeted intervention strategies within food production chains to mitigate public health risks. In chapter 2, the prevalence and genomic characteristics of LA-MRSA were investigated in Korean pig farms. This study revealed that all LA-MRSA isolates exhibited multidrug resistance, with clonal compelx (CC) 398 being the dominant lineage. Notably, the results of molecular characteristics revealed a previously unreported SCCmec type III+V combination. WGS based genomic analysis also suggested potential inter-farm transmission linked to pig breeding networks, indicating an ongoing clonal expansion of CC398. Within these epidemiologically linked farms, a distinct genetic cluster was identified among isolates from separate sites supplied by the same breeding company. Complete-genome analysis of representative isolates from this cluster uncovered a novel SCCmec variant shared within the group. Moreover, a new MRSA lineage, ST4174 (CC5), carrying a previously uncharacterized SCCmec element, was identified—representing the first report of MRSA for this sequence type and highlighting the emergence of a non-CC398 lineage in Korean pig farms. These findings underscore the emergence of novel resistance elements and the importance of enhanced surveillance to control LA-MRSA dissemination. Collectively, the findings of this thesis underscore the critical need for targeted intervention strategies within food production chains to mitigate AMR.

목차 (Table of Contents)

• List of figures ⅰ
• List of tables ⅲ
• List of Abbreviation ⅳ
• 국문 초록 ⅴ
• Abstract ⅷ
• General introduction 1
• General introduction 1
• CHAPTER I 4
• Whole-genome seqeuence-based comparison of antimicrobial resistant diarrheagenic Escherichia coli in pork and chicken production chains in Korea 4
• Abstract 5
• Ⅰ. Introduction 7
• Ⅱ. Purpose 10
• Ⅲ. Materia and Methods 11
• 1. Sample collection 11
• 2. Bacterial isolation and identification 12
• 3. Antimicrobial susceptibility test 12
• 4. Whole-genome sequencing analysis 13
• 5. Statistical analysis 15
• 6. Data availability 15
• Ⅳ. Results 16
• 1. Prevalence of diarrheagenic E. coli 16
• 2. Antimicrobial profile of diarrheagenic E. coli 17
• 3. MLST, serotyping, and phylogenetic analysis 18
• 4. Distribution of antimicrobial resistance genes 19
• 5. Virulence genes profile 20
• 6. Identification of plasmid replicons 21
• Ⅴ. Discussion 23
• Ⅵ. Conclusion 32
• CHAPTER II. 47
• Clonal distribution of livestock-associated methicillin-resistant Staphylococcus aureus in pig farms of Korea: Emergence of novel lineage and variant staphylococcal chromosome cassette mec 47
• Abstract 48
• Ⅰ. Introduction 50
• Ⅱ. Purpose 52
• Ⅲ. Materia and Methods 53
• 1. Ethics approval, sample collection and bacterial isolation 53
• 2. Antimicrobial susceptibility test 54
• 3. Molecular characterization of MRSA 55
• 4. Draft sequencing and analysis 55
• 5. Complete genome sequencing and analysis of SCCmec element 57
• 6. Statistical Analysis 58
• 7. Data availability 59
• Ⅳ. Results 60
• 1. Prevalence of MRSA in pig farms 60
• 2. Phenotypic antimicrobial resistance of MRSA 60
• 3. Molecular characteristics of MRSA 60
• 4. Clonal distribution of MRSA 61
• 5. Genotypic characteristics of MRSA 62
• 6. Genomic structure of novel SCCmec elements in JB2E56 and GG23N2 isolates 64
• Ⅴ. Discussion 68
• Ⅵ. Conclusion 77
• Ⅵ. Reference 91