Molecular characterization and whole genome epidemiology of Staphylococcus aureus strains

Abstract

Staphylococcus aureus er både en kommensal bakterie som finnes på huden og i nesehulen, og en patogen bakterie kan forårsake en rekke alvorlige infeksjoner. Det er den nest vanligste årsaken til blodstrømsinfeksjon (BSI), som kan føre til sepsis, et fryktet syndrom på grunn av den høye dødeligheten. Formålet med studien er å utføre komparative genomanalyser av S. aureus stammer isolert fra blodstrømsinfeksjoner, bærerstammer av S. aureus og methicillin-resistante S. aureus bærerstammer. Hundre og sekstito S. aureus stammer fra Tromsøundersøkelsen (TSSS), 62 fra Nasjonalt referanselaboratorium MRSA og 63 fra sepsisregisteret i Helse Nord-Trøndelag samlet inn i perioden 2007-2008 er inkludert i studien. Sekvensene med 300 basepar produsert med Illumina MiSeq teknologi i MRSA kohorten prodeserte bedre rekonstrurte genomer (assembly) og færre kontigs enn sekvensene med 150 basepar produsert med Illumina HiSeq teknologi i bærerstamme- og BSI kohortene. Sekvensspesifikk analyse av sdrC genet indikerer et ufullstendig rekonstruert genom (assembly) på grunn av repetisjonsrike regioner i genet. Dette er en viktig faktor å vurdere ved valg av sekvensmetode og i studier om utbredelsen av gener. Kohortene hadde stort sett de samme klonalkompleksene (CC). MRSA kohorten hadde færrest klonalkomplekser, mens kohorten med bærerstammene hadde flest. De største klonalkompleksene (CC) observert var i bærerstamme kohorten CC30, CC45 og CC15, i BSI kohorten CC45, CC1 og CC15 og i MRSA kohorten CC30, CC45, CC8, CC5 og CC22. Tilstedeværelsen av virulensgener og resistensgener i kohortene ble identifisert. Alle MRSA positive stammer bar mecA genet som er relatert til meticillinresistens. Ingen av de andre kohortene hadde meticillinresistens. Frekvensen av de analyserte virulensgenene var likere mellom stammer i samme klonalkompleks eller med samme sekvenstype enn mellom stammer fra samme kohort. De samme virulensgenene funnet i BSI og MRSA stammene ble også funnet i bærerstammene. Genene assosiert med unnvikelse av immunsystemet var til stede i de fleste av stammene i alle kohortene. Tilstedeværelsen av gener involvert i koagulering og aggregering var generelt lavere i bærerstammene. En mikrobiell genomvid assosiasjonsstudie viste at clfB i CC45 var assosiert med stammer som har forårsaket BSI. Det ble ikke funnet noen significante forskjeller mellom stammer som har forårsaket BSI, bærerstammene og MRSA stammene som kan indikere hvorfor noen stammer forårsaker BSI mens andre forblir bærerstammer. Studien identifiserte at stammer fra ulike kohorter inneholder de samme virulensgenene, og andre faktorer som ikke-annoterte virulensgener, andre ikke-essensielle gener og interaksjoner mellom vert og patogen kan være mulige forklaringer på BSI-stammer sin patogenitet.

Staphylococcus aureus is both a commensal and a pathogen that can reside on skin or nasal cavity as a commensal or can cause multiple serious infections. It is the second most common cause for bloodstream infections (BSIs). BSI can lead to sepsis, a feared syndrome due to its high mortality rate. The aim of study for this master thesis is comparative genomics of S. aureus strains isolated from bloodstream infections, carriage S. aureus strains and methicillin-resistant S. aureus strains. One hundred and sixty two S. aureus strains from The Tromsø Staph and Skin Study (TSSS), 62 from the National reference laboratory for MRSA and 63 from the Nord-Trøndelag Hospital Trust (HNT) Sepsis registry collected in the period 2007-2008 was included in the study. The sequencing reads with 300 base pairs obtained with Illumina MiSeq technology for the MRSA cohort produced much better assemblies and lesser contigs compared to assemblies from 150 base pairs reads obtained with Illumina HiSeq technology in the carriage and BSI cohorts. Sequence-specific analysis of the sdrC gene in the carriage strains indicated incomplete assemblies due to repeat-rich regions. This is an important factor to consider when choosing sequencing techniques and studying the prevalence of genes. Most clonal complexes were shared between the cohorts. While the MRSA cohort had the lowest diversity of clonal complexes, carriage strains cohort had the highest. The major CCs detected in carriage S. aureus were CC30, CC45 and CC15, in the BSI strains, CC45, CC1 and CC15 and in the MRSA strains CC30, CC45, CC8, CC5 and CC22. Virulence genes and resistance genes present in the strains were also identified. All the MRSA positive strains carried the mecA gene in relation to methicillin resistance. None of the other cohorts contained methicillin resistance. The prevalence of the analysed virulence genes was more similar between strains in the same CCs and STs rather than from the same cohort. The same virulence genes found in BSI-causing strains and MRSA was also found in the carriage strains. The genes associated with immune system evasion were present in most of the strains from all three cohorts. The prevalence of the genes involved in coagulation and aggregation was generally lower for the carriage strains. Microbial Genome-Wide Association Study (GWAS) showed clumping factor B (clfB) in CC45 was associated with BSI-causing strains. It was not found any significant differences between the BSI-causing strains and the carriage and MRSA strains that could indicate why some strains cause BSI while others remain carriage strains. Overall, the thesis identified that strains from different cohorts share similar virulence genes and other factors such as unannotated virulence genes, other accessory genes and host-pathogen interactions could be possible explanations for the BSI strains pathogenicity.