Staphylococcus (S.) aureus is a ubiquitous Gram-positive, spherical bacterium commonly isolated from humans, domestic-, livestock-, wildlife-, and even aquatic animals. The bacteria also survive and continue their growth on abiotic material in natural and artificial environments. Transmission of the immobile bacterium often occurs through direct contact with infected living beings or contaminated objects, whereby S. aureus is continuously forced to adapt to altered environmental conditions, including various host species. To overcome these challenges, members of the Genus Staphylococcus possess numerous strategies that include genomic alterations as well as the uptake or loss of mobile genetic elements (MGEs). The enormous adaptive capabilities and tendencies to accumulate genes encoding resistance traits define S. aureus as a pathogen of great clinical importance in human and veterinary medicine. Further insights into the adaptive strategies of this notorious pathogen are crucial, especially regarding the development of novel treatment options in case of infection. Against this background, changes in the essential regulatory quorum sensing (QS) system that promote bacterial niche adaptation were identified and characterised in this cumulative work. In addition, the genetic structure and putative role of the MGE mediating broad-spectrum β-lactam resistance in methicillin resistant S.aureus (MRSA) was investigated in detail using livestock-associated (LA)-MRSA as a prime example for adaptation to challenging environments. The data presented in Publication I revealed core genome alterations within the accessory gene regulator (agr) system, especially in the agrA and agrC genes, that led to variation or even silencing of the bacterial QS capabilities. Moreover, these changes occurred independently in strains with completely different genomic backgrounds of various animal origins across Europe as well as in closely related human isolates, clearly indicating the importance of QS regarding adaptive changes and not at least bacterial evolution. These adaptive modulatory changes enable the bacteria, beyond others, to survive among competing staphylococci belonging to the resident microbiota, simultaneously reducing their perceptibility by the host’s immune system while enhancing their biofilm formation capabilities. Consequently, S. aureus, lacking a functional agr system, saves the energy otherwise spend on QS and can conquer challenging environments since this deficit obviously promotes inter-species spread between different animal species, and, not at least, humans. The second part of this cumulative thesis focuses on a specific kind of MGEs, the Staphylococcal Cassette Chromosome (SCC) mec elements. A mechanism leading to the loss of a complete SCCmec element from its genomic integration site was reconstructed in detail for an MRSA sequence type (ST) 398 strain and described in Publication II. The investigated excision of the complete SCCmecVc element is suggested to be the result of homologous recombination within a repetitive sequence between the end of intergenic spacer region 1 and the first 48 bp of the large serine recombinases (ccr). Furthermore, the presence of an operon that encodes the machinery for autonomous replication of the deleted SCCmecVc element was revealed. Livestock-associated environmental conditions that are in particular associated with industrial pig farming were previously discussed as a potential trigger for the loss of SCCmec elements. To mimic conditions commonly associated with pig farming, LA-MRSA were exposed to porcine serum, an increased ammonia concentration and a combination of both for 10 min or 60 min. Since ccr genes are known for their capability to induce the elements’ uptake and loss, the growth conditions evaluated here did not significantly induce ccr transcription compared to the unchallenged controls. A detailed study of the deletion leading to the loss of a complete and functional SCCmec at defined genomic sites, on the other hand, strongly suggests a complex biological role of this particular event. While the induction of the ccr genes seems to depend on a massive cell- or DNA damage that leads to a strong activation of the SOS response, a far more efficient pathway for the horizontal spread of SCCmec is the occasional loss of complete elements at certain redundant “breaking points”, as described in Publication II. Since SCCmec elements possess the machinery for autonomous replication, this pathway might be of utmost epidemiological importance for the emergence, maintenance and spread of methicillin resistance. Both adaptation strategies investigated in this cumulative work highlight that the evolution of S. aureus will continue unabated. However, the unwearyingly evolution of these bacteria will lead to further problems in combating infections caused by S. aureus. The development of completely new treatment options, which consider the current knowledge on adaptation strategies of S. aureus, is therefore of clinical importance. Additionally, a holistic one-health approach that engages scientists from human and veterinary medicine as well as agricultural and environmental sciences is necessary to prevent further trans-sectoral transmission and spread by reducing the anthropogenic selective pressure that leads to resistance accumulation in bacteria.
Staphylococcus (S.) aureus ist ein ubiquitär vorkommendes Gram-positives, kugelförmiges Bakterium, welches vielfach aus Proben von Menschen, Haus-, Nutz- und Wildtieren sowie von Meeressäugern isoliert wird. Das Bakterium kann auch auf abiotischem Material in natürlicher und künstlicher Umgebung überleben und dort sein Wachstum fortsetzen. Die Übertragung des unbeweglichen Bakteriums erfolgt häufig durch den direkten Kontakt mit infizierten Lebewesen oder kontaminierten Gegenständen, wodurch S.aureus ständig gezwungen ist, sich an veränderte Umweltbedingungen, einschließlich verschiedener Wirtsarten, anzupassen. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, verfügen die Mitglieder des Genus Staphylococcus über zahlreiche Strategien, zu denen genomische Veränderungen sowie die Aufnahme oder der Verlust von mobilen genetischen Elementen (MGE) gehören. Die enormen Anpassungsfähigkeiten und die Tendenz zur Akkumulation von Genen, die für Resistenzeigenschaften kodieren, machen S. aureus zu einem Erreger von großer klinischer Bedeutung in der Human- und Veterinärmedizin. Weitere Erkenntnisse über die Anpassungsstrategien dieser Bakterien sind im Hinblick auf die Entwicklung neuer Behandlungsmöglichkeiten im Falle einer Infektion von entscheidender Bedeutung. Vor diesem Hintergrund wurden in dieser kumulativen Arbeit Veränderungen im regulatorisch wichtigen „Quorum-Sensing“ (QS)-System identifiziert und charakterisiert, welche die bakterielle Nischenanpassung unterstützen. Ergänzend dazu wurde die genetische Struktur und die mutmaßliche Rolle des MGE, welches die Breitspektrum-β-Lactam-Resistenz bei Methicillin-resistentem S. aureus (MRSA) vermittelt, eingehend untersucht, wobei hier der mit Nutztieren assoziierte (engl. livestock-associated (LA)) MRSA als Paradebeispiel für die Anpassung an schwierige Umgebungen dient. Die in der Publikation I vorgestellten Daten zeigen genomische Varianten innerhalb des akzessorischen Genregulatorsystems (agr), insbesondere in den agrA- und agrC-Genen, die zu einer Veränderung oder sogar Unterdrückung der bakteriellen QS-Fähigkeiten führten. Darüber hinaus traten diese Veränderungen unabhängig voneinander in Stämmen mit völlig unterschiedlichen phylogenetischem und geografischem Hintergrund, bei unterschiedlichen Tierarten sowie in eng verwandten menschlichen Isolaten auf, was eindeutig auf die Bedeutung von QS für adaptive Veränderungen und nicht zuletzt für die bakterielle Evolution hinweist. Diese adaptiven modulatorischen Veränderungen ermöglichen es den Bakterien, unter anderem unter konkurrierenden Staphylokokken der residenten Mikrobiota des Wirtes zu überleben und gleichzeitig ihre Perzeption durch das Immunsystem zu verringern, während die Fähigkeiten zur Biofilmbildung verstärkt werden. Infolgedessen verfügen S. aureus, denen ein funktionsfähiges agr-System fehlt, über einen energetischen Vorteil und können schwierige Umgebungen erobern, da dieses Defizit offensichtlich die Ausbreitung zwischen verschiedenen Tierarten und nicht zuletzt dem Menschen fördert. Der zweite Teil dieser kumulativen Arbeit konzentriert sich auf eine spezielle Art von MGEs, die „Staphylococcal Cassette Chromosome“ (SCC) mec-Elemente. Ein Mechanismus, der zum Verlust eines kompletten SCCmec-Elements von seiner genomischen Integrationsstelle führt, wurde für einen MRSA Sequenztyp (ST) 398-Stamm im Detail rekonstruiert und in Publikation II beschrieben. Die untersuchte Exzision des vollständigen SCCmecVc-Elements ist wahrscheinlich das Ergebnis homologer Rekombination innerhalb einer repetitiven Sequenz zwischen dem Ende der „intergenen Spacer“-Region 1 und den ersten 48 bp der großen Serin-Rekombinasen (ccr). Außerdem wurde das Vorhandensein eines Operons nachgewiesen, welches die Maschinerie für eine autonome Replikation des deletierten SCCmecVc-Elements kodiert. Mit der Tierhaltung einhergehende Umweltbedingungen, die insbesondere mit der industriellen Schweinehaltung assoziiert sind, wurden zuvor als möglicher Auslöser für den Verlust von SCCmec-Elementen diskutiert. Um Bedingungen nachzuahmen, die üblicherweise mit der Schweinehaltung in Verbindung gebracht werden, wurden LA-MRSA jeweils 10 Minuten oder 60 Minuten mit Schweineserum und einer erhöhten Ammoniakkonzentration sowie einer Kombination aus beidem behandelt. Die ccr-Gene sind dafür bekannt, dass sie die Aufnahme und den Verlust von Elementen induzieren können, jedoch führten die hier untersuchten Wachstumsbedingungen im Vergleich zu den unbelasteten Kontrollen zu keiner signifikanten Induktion der ccr-Transkription. Eine detaillierte Untersuchung des Vorgangs, welcher zum Verlust eines vollständigen und funktionsfähigen SCCmec an bestimmten Stellen im Genom führen kann, deutet dagegen auf eine komplexe biologische Rolle dieses Ereignisses hin. Während die Induktion der ccr-Gene von einer starken Aktivierung der SOS-Antwort in Folge einer massiven Zell- oder DNA-Schädigung abzuhängen scheint, ist ein weitaus effizienterer Weg für die horizontale Verbreitung von SCCmec der gelegentliche Verlust kompletter Elemente an bestimmten redundanten „Sollbruchstellen“, wie in Publikation II beschrieben. Da SCCmec-Elemente die Maschinerie zur autonomen Replikation besitzen, könnte dieser Weg von größter epidemiologischer Bedeutung für die Entstehung, Aufrechterhaltung und Verbreitung der Methicillin-Resistenz sein. Beide Anpassungsstrategien, die in dieser kumulativen Arbeit untersucht wurden, machen deutlich, dass die Evolution von S. aureus ungebremst weitergehen wird. Die unermüdliche Evolution dieser Bakterien wird jedoch zu weiteren Problemen bei der Bekämpfung von S. aureus verursachten Infektionen führen. Die Entwicklung völlig neuer Behandlungsmöglichkeiten, die das aktuelle Wissen über die Anpassungsstrategien von S. aureus berücksichtigen, ist daher von klinischer Bedeutung. Darüber hinaus sollte für die Zukunft ein ganzheitlicher „One-Health“-Ansatz in Betracht gezogen werden, der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus der Human- und Veterinärmedizin sowie den Agrar- und Umweltwissenschaften einbezieht, um eine weitere sektorübergreifende Übertragung und Ausbreitung resistenter Bakterien zu vermindern, indem der anthropogene Selektionsdruck, welcher zu einer Resistenzakkumulation führt, verringert wird.
