Genetic, phylogeography and evolutionary dynamic structure of multidrug resistant Salmonella enterica serotype Kentucky ST198 population

Malgré les efforts substantiels menés pour prévenir les infections alimentaires, de nouvelles salmonelles multi-résistantes aux antibiotiques émergent toutes les décennies et parfois se disséminent à l’échelle mondiale. Au cours de ce travail, nous avons pu identifier l’émergence d’un clone de S. Kentucky ST198 multi-résistant aux antibiotiques puis sa dissémination mondiale en quelques années. Cette souche a successivement accumulé une variété de gènes de résistance chromosomiques depuis la moitié des années 1990 du fait de l’intégration de Salmonella genomic island 1 (SGI1), un îlot génomique de 43 kilobases découvert chez Typhimurium DT104, rendant la souche résistante à plusieurs antibiotiques (amoxicilline, gentamicine, et les sulfonamides). Ensuite, elle a accumulé des mutations dans les gènes gyrA et parC conférant la résistance à l’acide nalidixique puis à la ciprofloxacine en 2002. Depuis, un nombre croissant de ces souches a été isolé lors de salmonelloses en lien avec des voyages en Egypte puis à dans toute l’Afrique, au Moyen Orient, au sous continent indien, en Asie du Sud-Est et en Europe. Une collaboration internationale a révélé que cette souche a été retrouvée dans des réservoirs variés, en filière aviaire (initialement poulets puis principalement dindes en Pologne, en Allemagne et en France), alimentaires et animales (épices aux US et en France, reptiles). Enfin, des souches résistantes à la ciprofloxacine d’importation (bassin méditerranéen) productrices de carbapénemases et/ou de cephamycinase et/ou de β-lactamases à spectre étendu ont été isolées depuis 2009. L’analyse phylogénomique de 150 souches représentatives de S. Kentucky ST198 confirme le caractère très homogène de cette population et sa dissémination mondiale. Cette souche est originaire d’Egypte dans les années 90, période d’acquisition du SGI1 et de son expansion clonale (du fait de la résistance aux antibiotiques de 1ère intention) puis a acquis localement une résistance aux quinolones par substitutions chromosomiques (en gyrA-83 et parC-80 puis gyrA-87) et a disséminé dans différentes régions à plusieurs reprises. Plusieurs acquisitions plasmidiques ont été ensuite possibles au décours de sa dissémination mondiale. SGI1 présente une structure génétique très dynamique du fait de l’acquisition de différentes séquences d’insertion (ISVch4, ISSen5, IS26) qui génèrent des réarrangements génétiques et expliquent ainsi la grande variabilité des profils de résistance aux antibiotiques et des profils en macrorestriction ADN au sein de clone. Tous ces résultats permettent une meilleure compréhension de l’émergence de cette souche de S. Kentucky où la résistance aux antibiotiques demeure certainement son principal moteur évolutif. En conclusion, l’expérience de S. enterica serotype Typhimurium DT104 a démontré la capacité de l’émergence rapide d’un clone épidémique multi-résistant aux antibiotiques à l’échelle internationale. L’identification récente et rapide de ce clone S. Kentucky ST198 multi-résistant aux antibiotiques nécessite de prendre des mesures de contrôle transversales (humains et agroalimentaires) à l’échelle nationale et internationale afin de limiter sa dissémination.Despite substantial progress has been made in preventing foodborne diseases, new multidrug resistant (MDR) Salmonella have emerged, and some have spread worldwide decade after decade. In the present work, we describe an emerging Salmonella Kentucky ST198-X1 population that has disseminated worldwide. It has accumulated various chromosomal resistance determinants since the mid 1990s with the integration of the Salmonella genomic island 1 (SGI1), a 43-kilobase genomic island initially described in DT104, encoding resistance to multiple antimicrobials including amoxicillin, gentamicin, and sulfonamides, followed by cumulative mutations in the gyrA and parC genes leading to resistance to nalidixic acid then to ciprofloxacin in 2002. This population was mostly detected in Egypt before 2005, but has now rapidly spread throughout Africa, the Middle East, Europe, North America, Indian subcontinent and Southeast Asia. Another matter of concern is the widening livestock reservoir of this Salmonella Kentucky ST198 CIPR strain: initially identified in autochthonous poultry but then found in various animals and food (contaminated spices in France and the US, turkey flocks in Germany and Poland, wild animals….). Of great concern, these isolates are now producers of various carbapenemases and/or cephamycinase and/or extended spectrum β-lactamases. A phylogenomic analysis of one hundred and fifty representative Kentucky ST198 strains confirms the clonal dissemination of this multidrug resistant strain. This clone gained advantages early on in the 1990’s which allowed it to spread. Acquisition of SGI1 in Egypt drove some local expansion (presumably due to resistance to 1st line drugs) prompted a switch to fluoroquinolones which was met with gyrA-83 and then parC-80 substitutions, which drove further expansion locally, accompanied by further gyrA-87 mutations with eventual spill-over (on multiple occasions) into other regions. On its travels it’s picked up other resistances via plasmids. SGI1 is very dynamic due to the presence of several insertion sequences (IS) copies (ISVch4, ISSen5, IS26) that mediate genetic rearrangements and explain the high-diversity of antibiotic resistance and DNA macrorestriction patterns. All these results help us to better understand the emergence of this strain as they could constitute factors conferring a selective advantage to S. Kentucky ST198. Antibiotic resistance remains its major evolutionary driver. In conclusion, recent experience with multidrug-resistant S. enterica serotype Typhimurium DT 104 demonstrates the potential for global spread of resistant Salmonella infection. In our study, multinational surveillance allowed prompt identification of the epidemic ST198-X1 CIP-R Kentucky clone at an international level. Heightened awareness by national and international health, food, and agricultural authorities is necessary to implement measures to monitor and limit spread of this strain