Comparative genomics of Streptococcus agalactiae from adults with invasive infection

Abstract

Introduksjon: Streptococcus agalactiae (gruppe B streptokokker, GBS) er mest kjent for å være årsak til neonatal sepsis. I de senere år har det blitt rapportert en signifikant økning i antall voksne med GBS sykdom fra flere land. Denne økningen er også sett i Norge, men årsaken til denne økningen er ikke kjent. GBS har polysakkarid kapsel (CPS), som tradisjonelt er benyttet til typing (CPS Ia, Ib, and II-IX). GBS har mange virulensfaktorer, og mange av disse er overflateproteiner som er involvert i kolonisering og invasjon av verten. Målet for denne studien var å utforske heterogenitet av GBS stammer som er årsak til systemisk infeksjon hos voksne. Vi ønsket å utføre omfattende molekylær karakterisering av stammene med tanke på innhold av gener, spesielt virulensgener, og studere heterogenitet av utvalgte gener, samt gjøre komparative analyser av GBS genomene. Vi ønsket også å sammenligne genomene fra invasive mot bærerstammer. Til slutt ønsket vi å utforske og sammenligne bakteriell genotype med tilgjengelig klinisk informasjon om kjønn, alder og 7-dagers mortalitet. Materialer og metoder: Stammer som var mottatt hos Nasjonalt referanselaboratorium for GBS, fra pasienter som hadde vært innlagt med systemisk GBS infeksjon i perioden 1995-2017, ble inkluder i studien. Klinisk informasjon om alder, kjønn og 7-dagers mortalitet ble hentet fra laboratoriedatasystemet. Vi inkluderte en kontrollgruppe av genomsekvenser som var annotert som humane bærerstammer i GenBank. De invasive stammene ble genomsekvensert med MiSeq instrument, and komparative genomanalyser ble utført med forskjellige bioinformatiske verktøy. I tillegg ble suskeptibilitet mot tetrasyklin, erythromycin og klindamycin utført ved hjelp av disk- og gradient diffusjonstest hvor dette ikke hadde blitt utført i rutinediagnostikken. Resultater: Syttiåtte invasive stammer fra 71 pasienter og 63 bærerstammer ble inkludert i denne studien. 69,0% (49/71) av pasientene var >65 år, og 45,1% (32/71) var kvinner. Alt I alt var mortaliteten 9,9% (7/71), som var økende ved alder. Blant stammer fra pasienter med invasiv sykdom var CPS V mest vanlig, i motsetning til CPS III som dominerte blant bærerstammene. Invasive stammer tilhørte til 17 forskjellige sekvenstyper (STer), mens bærerstammer tilhørte STer. For de fleste Genene som tidligere er beskrevet til å være involvert I GBS virulens, var det ingen forskjell mellom de invasive og bærerstammene. Prevalensen av to gener var derimot signifikant forskjellig mellom de to gruppene av stammer: bsp var mer vanlig blant invasive stammer (p-verdi=0.001) og fbsA var mer vanlig hos bærerstammene (p-verdi=0.009). Phage gener ble detektert hos 34/78 (43,6%) av de invasive stammene, men dette kunne ikke utforskes hos bærerstammene. Gener som koder for tetrasyklin- og macrolideresistens ble funnet hos 83,7% (118/141) og 7,8% (11/141), respektivt, hos de invasive og bærerstammene. Det var bare små forskjeller i tilstedeværelse av antibiotika resistensgener mellom de to gruppene med stammer. To typer transposase kodende gener ble påvist hos GBS stammene. Antall Tn916-transposaser og IS-familie transposaser var signifikant høyere hos bærerstammene sammenlignet med de invasive stammene (p-verdi=0.03 og p-verdi=1.7e-14, respektivt). I fenotypisk egenskap analyse ved bruk av Scoary, ble prevalens av åtte gener funnet til å være signifikant forskjellig mellom invasive og bærerstammer. Fire av stammene var mer hyppig hos de invasive stammene, og fire var mer hyppig hos bærerstammene. Konklusjon: I denne studien ble systemisk GBS infeksjon funnet i alle aldersgruppene, med flest tilfellers >65 år. Mortaliteten økte med alder. Vi så at GBS CPS-type V dominerte blant de invasive stammene, som også andre har rapporter. Da vi sammenlignet invasive mot bærerstammer, identifiserte vi flere gener som avvek signifikant i prevalens mellom de to gruppene med stammer. Om dette funnet er sant eller kommer av valg av kontrollgruppe, eller forskjeller i sekvensering og assembly er usikkert. Resultatene trenger derfor å konfirmeres.

Introduction: Streptococcus agalactiae (group B Streptococcus, GBS) are best known as cause of neonatal sepsis. In later years there has been reported a significant increase of GBS-disease in adults in several countries. This increase, the cause in which is still unknown, has also been seen in Norway. GBS has a polysaccharide capsule (CPS), which is traditionally used for typing (CPS Ia, Ib, and II-IX). GBS has many virulence factors, where many of these are surface proteins involved in colonization and invasion of the host. The aim of this study was to explore the heterogeneity of GBS strains causing systemic infection in adults. We also wanted to do extensive molecular characterization of the strains with respect to gene content, especially virulence genes, and to study the heterogeneity of selected genes and do comparative analyses of the GBS genomes. We also wanted to compare the genomes of invasive strains to carriage strains. Finally, we wanted to explore and compare bacterial genotype with available clinical information such as sex, age and 7-days mortality. Material and methods: Strains received at the National GBS reference laboratory from patients, who had been admitted with systemic GBS infection during the period 1995-2017, were included in the study. Clinical information on age, sex and 7-days mortality were recorded from laboratory records. We included a control group of genome sequences annotated as human carriage strains in GenBank. The invasive strains were genome sequenced on a MiSeq instrument, and comparative genomic analyzes were performed using various bioinformatic tools. In addition, susceptibility testing to tetracycline, erythromycin and clindamycin using disk and gradient diffusion tests were done for strains where this had not been done in the routine laboratory. Results: Seventy-eight invasive strains from 71 patients and 63 carriage strains were included in this study. 69.0% (49/71) of the patients were >65 years old, and 45.1% (32/71) were female. The overall mortality was 9.9% (7/71), increasing with age. Among strains from patients with invasive infection, CPS type V was most common. In contrast, CPS III dominated among the carriage strains. Invasive strains belonged 17 different sequence types (STs), while the carriage strains belonged to 25 STs. For most genes previously reported as involved in the virulence of GBS, we found no difference between the invasive and carriage strains. However, the prevalence of two genes were significantly different between the two groups of strains: bsp was more common in invasive strains (p-value=0.001) and fbsA was more common in carriage strains (p-value=0.009). Phage genes were detected in 34/78 (43.6%) of the invasive strains but could not be investigated in carriage strains. Genes encoding tetracycline and macrolides resistance were detected in about 83.7% (118/141) and 7.8% (11/141), respectively, in the invasive and carriage strains. There were only minor differences in presence of antibiotic resistance genes between the two groups of strains. Two types of transposase encoding genes were detected in the GBS strains. The number of Tn916-transposases and IS-family transposases were significantly higher in the carriage strains compared to the invasive strains (p-value=0.03 and p-value=1.7e-14, respectively). In trait analysis using Scoary, the prevalence of eight genes were found to be significantly different between invasive and carriage strains. Four of the genes were more frequent in invasive strains and four were more frequent in the carriage strains. Conclusion: In this study systemic GBS infection was found in all adult age groups, with most cases >65 years old. Mortality increased with age. We found that GBS of CPS-type V dominated among invasive strains as others also have reported. When we compared invasive with carriage strains, we identified several genes that differed significantly in prevalence between the two groups of strains. Whether this finding is true or is due to choose of control group or differences in sequencing and assembly, is uncertain. The results therefore need to be confirmed.