Mikroevolution von Methicillin-resistenten S. aureus (MRSA) des Sequenztyps ST398 bei Menschen und Nutztieren

Abstract

In den vergangenen Jahren wurde vermehrt von Methicillin-resistenten S. aureus in der Human- und Veterinärmedizin berichtet. Seit 2005 wird insbesondere der klonale Komplex 398 (CC 398) bei Nutztieren und auch bei Menschen mit Kontakt zu diesen beschrieben. Das Auftreten dieses Pathogens führte zur Frage, wie es zur Wirtsanpassung kommt und welche Pathopotenz von S. aureus-CC398 ausgeht. Vor allem der evolutionäre Hintergrund ist daher von großem Interesse. In der vorliegenden Arbeit wurde die Populationsstruktur mittels Einzelnukleotidpolymorphismen (SNP)-Analyse dargestellt. In einer multinationalen Auswahl an Isolaten aus Deutschland, Belgien, Österreich, dem Vereinigtem Königreich, den USA, den Niederlanden und Italien konnten 100 Genloci (vorwiegend Haushaltsgene) in 112 Isolaten von S. aureus des CC398 untersucht werden. Es wurden Isolate von Menschen, Schweinen, Pferden, Rindern, Geflügel, Hunden, der Umgebung der Tiere, einer Ziege und einer Katze ausgewählt. Zur Detektion von SNPs wurde die denaturating high performance liquid chromatography (dHPLC) genutzt. Polymorphe PCR-Produkte wurden anschließend an die dHPLC-Detektion sequenziert. Die Datenanalyse und das Erstellen eines Minimum-Spanning-Trees wurden mithilfe der Software Bionumerics 5.0 ausgeführt. Auf Basis der gefundenen SNPs konnten Details über die Entstehung und mögliche geographische Verbreitung von MRSA in kommerziell gehaltenen Schweinen und anderen Tieren sowie exponierten Menschen deutlich gemacht werden. Insgesamt wurden 60 SNPs in 41,199 untersuchten Basenpaaren des Genoms (1,5%) detektiert. Basierend auf den 60 SNPs wurden die Isolate in 36 Haplotypen gegliedert. Es konnte gezeigt werden, dass zu unterschiedlichen Zeitpunkten einzelne Haplotypen in verschiedenen Ländern vorkamen. Einige Isolate clustern entsprechend ihrem geographischen Hintergrund zusammen. Wirtsspezifität konnte nicht belegt werden. Eine Transmissionsstudie in 2 landwirtschaftlichen Betrieben sollte Aufschlüsse über die Übertragung zwischen Mensch und Schwein und umgekehrt geben. Anhand von Haplotypenstudien und den Nachweis gleicher Haplotypen konnte tatsächlich belegt werden, dass Transmission zwischen Schweinen und exponierten Personen (hier Landwirt und Personal) stattfindet. Die Ergebnisse weisen ferner daraufhin, dass die untersuchten Landwirte zu verschiedenen Zeitpunkten mit unterschiedlichen Haplotypen des CC398 besiedelt bzw. infiziert waren. Es konnte gezeigt werden, dass die Analyse mittels SNPs genauere Ergebnisse für Transmissionsstudien liefern kann als z.B. die spa-Analyse allein. In der Zukunft wird die Erforschung von Evolutionsprozessen mittels Sequenzierung von Genloci und vollständigen Genomen eine wichtige Rolle in der mikrobiellen Diagnostik spielen.

Over the last years, more and more infections with methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) have been detected in human and veterinary medicine. Since 2005, the clonal complex 398 (CC398) is described in livestock and also in humans with exposure to colonized animals.The emergence of this pathogen leads to the question of host adaptation and pathopotency. The evolutionary origin of CC398 in particular is of greater interest. This study deals with the population structure of CC398 by using SNP-analysis.We investigated the population structure of CC398 detecting mutations among 100 housekeeping genes of 112 isolates. This convenience collection included strains from Germany, Belgium, Austria, the United Kingdom, the USA, the Netherlands and Italy. Isolates of humans, pigs, horses, cattle, poultry, dogs, environment, a goat and a cat were chosen. The dHPLC method was employed and resulting polymorphic PCR products were sequenced subsequently. Data analysis and the construction of a minimum spanning tree were performed by use of Bionumerics 6.0. On the basis of occurring polymorphisms, details about the emergence and geographic spread of MRSA in pigs and other animals and their relationship to MRSA causing infections in humans were displayed. In total, 60 SNPs, representing approximately 1, 5% (41.199bp) of the whole S. aureus- genome, were analysed and 36 haplotypes were differentiated among the 102 strains. The data showed that different haplotypes appeared at different times in various countries. In addition, some isolates clustered according to their geographic origin. Isolates from middle Europe seem to be more diverse. Here, an exclusive host specifity for certain haplotypes was not detected. A transmission study on two farms was performed in order to get insights into the dynamics of CC398-transmission from human to pigs and vice versa. Transmission of certain haplotypes between pigs and humans seems to be evident according to the resulting data. However, farmers were found to be colonized with different haplotypes during the study period. This study supports that SNP-analysis is a more exact tool for transmission studies than spa-analysis alone. In the future, research on evolutionary processes using sequencing methods of selected genloci or whole genomes will play an important role.