Livestock-associated methicillin-resistant Staphylococcus aureus (LA-MRSA) are opportunistic zoonotic pathogens that have been globally recognized as a health threat in human and veterinary medicine. They are known for their common multiresistance to antimicrobial agents and may cause severe diseases although normally lacking major virulence factors. Colonized pigs and their related surroundings represent a considerable LA-MRSA reservoir. Due to their low host specificity, LA-MRSA isolates can easily cross species barriers. Therefore, persons with frequent (occupational) exposure to pigs have an increased risk of LA-MRSA colonization and/or infection and they may further transmit these isolates to contact persons and animals. The LA-MRSA prevalence differs geographically: Clonal Complex (CC) 398 dominates among pigs in Europe, Australia and the Americas, whereas CC9 is the most common lineage among pigs in Asia. This thesis revealed that differences in metabolic properties did most likely not play a key role in the development of the aforementioned two different epidemic porcine LA-MRSA clones in Germany and China, respectively. However, it was hypothesized that LA-MRSA CC398 might gradually replace the currently dominating CC9 lineage in China in the future because of many beneficial features that may enable preferential survival of the CC398 lineage under hostile environmental conditions or in the host. Possibly unfavorable metabolic variations and a lower growth rate of the Chinese LA-MRSA CC9 clone may be disadvantageous in niche adaptation and, thus, may support the replacement process. Consequently, the public health risk originating from porcine LA-MRSA might rise because of the increased pathogenicity of the CC398 lineage. Moreover, this thesis provided insight into population dynamics and molecular diversity of the epidemic porcine LA-MRSA CC398 lineage in Germany over 13 years in comparison with the porcine LA-MRSA CC9 lineage dominating in China. In general, both clones exhibited typical individual characteristics, but also some novel features. During comparison, similarities as well as distinct differences were recognized between the two lineages. The German CC398 isolates were widespread within Germany and largely reflected the pig density of the different regions. They displayed a wide molecular diversity and rather close phylogenetic relationships. An ongoing diversification was recognized over time. The CC398 and CC9 lineage both displayed a clear virulence potential, although genes coding for the major virulence factors Panton-Valentine leucocidin and toxic shock syndrome toxin-1 were not detected. Moreover, both lineages exhibited a great variety of AMR properties that mirrored the respective sales figures of veterinary antimicrobial agents in the two countries. The AMR profiles of the Chinese isolates were more extensive. In both lineages, AMR was largely associated with mobile genetic elements (MGEs), which can be transferred easily across strain, species or even genus boundaries via horizontal gene transfer (HGT). However, the German CC398 isolates displayed a greater variety of different MGEs, which points towards the easier integration of foreign genetic material. In addition, clonal and geographical correlations of molecular characteristics, virulence and resistance properties were more frequently observed among the LA-MRSA CC398 from Germany than temporal correlations. Furthermore, multiple novel MGEs were characterized in this thesis. A novel type V variant of the methicillin-resistance mediating SCCmec cassette was identified in a porcine LA-MRSA CC398 isolate from China. Homologies with other type V and XII elements indicate an ongoing evolution of SCCmec elements in LA-MRSA CC398 from pigs. Tn553 and Tn560 represent two new members of the Tn554 transposon family detected in Chinese LA-MRSA CC9 and CC398 isolates, respectively. Tn553 harbored a complete beta-lactam resistance mediating blaZ-blaR1-blaI beta-lactamase operon and preferred a different integration site than former Tn554-related transposons. Tn560 carried a multiresistance gene cluster comprising the spectinomycin resistance gene spcV, a novel spc variant that is most likely the product of a recombination between the related spc and spw genes, the pleuromutilin-lincosamide-streptogramin A resistance gene lsa(E) and the lincosamide resistance gene lnu(B). Plasmid pHKS3860 from a German porcine LA-MRSA CC398 isolate harbored the novel macrolide-lincosamide-streptogramin B resistance gene erm(54), cadmium, mercury and copper resistance genes, as well as an ica gene cluster for biofilm formation. As a consequence of such co-localizations on the same MGE, multiple resistance and/or virulence properties can be transferred in a single event. Even in the absence of a direct selection pressure, the risk for co-selection processes is increased. Finally, this thesis expanded the knowledge on the epidemic porcine LA-MRSA lineages in Germany and China. They represent a considerable AMR repository adding to the global health threat posed by AMR with HGT as major driver of rapid dissemination. Moreover, the understanding of genetic rearrangements in LA-MRSA and how these bacteria exchange genetic material has been improved. The diversity of LA-MRSA further increases and new emerging and possibly more virulent and/or resistant variants should be closely monitored. Due to the zoonotic potential and the risk of further spread among pig husbandries and into the human community, a full-scale LA-MRSA surveillance is vitally important.
Nutztierassoziierte Methicillin-resistente Staphylococcus aureus (LA-MRSA) Isolate zählen zu den opportunistischen Zoonoseerregern, die weltweit in der Human- und Veterinärmedizin als Gesundheitsgefahr erkannt wurden. Diese Isolate sind für ihre häufige Multiresistenz gegenüber antimikrobiellen Wirkstoffen bekannt und können schwere Erkrankungen verursachen, obwohl ihnen normalerweise wesentliche Virulenzfaktoren fehlen. Kolonisierte Schweine und deren Umgebung stellen ein bedeutsames LA-MRSA-Reservoir dar. Aufgrund ihrer geringen Wirtsspezifität können LA-MRSA-Isolate leicht Speziesbarrieren überwinden. Daher haben Personen mit häufigem (beruflichen) Kontakt zu Schweinen ein erhöhtes Risiko für eine LA-MRSA-Besiedlung und/oder -Infektion und sie können diese Isolate weiter an Kontaktpersonen und -tiere übertragen. Die LA-MRSA-Prävalenz unterscheidet sich geografisch: Bei Schweinen in Europa, Australien und Nord- und Südamerika dominiert der klonale Komplex (CC) 398, während bei Schweinen in Asien CC9 die häufigste klonale Linie darstellt. In dieser These wurde gezeigt, dass unterschiedliche Stoffwechseleigenschaften höchstwahrscheinlich keine entscheidende Rolle bei der Entwicklung der beiden unterschiedlichen epidemischen LA-MRSA-Klone bei Schweinen in Deutschland beziehungsweise China spielten. Es wurde jedoch die Hypothese aufgestellt, dass LA-MRSA CC398 die derzeit in China dominierende CC9 Linie in Zukunft schrittweise ersetzen könnte, da viele vorteilhafte Eigenschaften der CC398 Linie ein bevorzugtes Überleben unter feindlichen Umweltbedingungen oder im Wirt ermöglichen könnten. Möglicherweise nachteilige Stoffwechselunterschiede und eine geringere Wachstumsrate des chinesischen LA-MRSA CC9 Klons könnten bei der Anpassung an ökologische Nischen von Nachteil sein und somit den Verdrängungsprozess unterstützen. Infolgedessen könnte das von porzinen LA-MRSA-Isolaten ausgehende Risiko für die öffentliche Gesundheit aufgrund der erhöhten Pathogenität der CC398 Linie ansteigen. Darüber hinaus lieferte diese These einen Einblick in die Populationsdynamik und die molekulare Diversität der epidemischen porzinen LA-MRSA CC398 Linie in Deutschland über einen Zeitraum von 13 Jahren im Vergleich zur porzinen LA-MRSA CC9 Linie, die in China dominiert. Im Allgemeinen wiesen beide Klone typische individuelle Merkmale, aber auch einige neuartige Eigenschaften auf. Beim Vergleich wurden sowohl Gemeinsamkeiten als auch deutliche Unterschiede zwischen den beiden Linien festgestellt. Die deutschen CC398 Isolate waren innerhalb Deutschlands weit verbreitet und spiegelten zu einem großen Teil die Schweinedichte der verschiedenen Regionen wider. Sie zeigten eine große molekulare Vielfalt und eher enge verwandtschaftliche Beziehungen. Über die Zeit wurde eine fortschreitende Diversifizierung festgestellt. Sowohl die CC398 als auch die CC9 Linie zeigten eindeutiges Virulenzpotenzial, obwohl Gene, die die wesentlichen Virulenzfaktoren Panton-Valentine-Leukozidin und Toxic-Shock-Syndrome-Toxin-1 kodieren, nicht nachgewiesen wurden. Außerdem besaßen beide Linien eine große Vielfalt an antimikrobiellenResistenzeigenschaften, die die jeweiligen Verkaufszahlen von tiermedizinisch genutzten antimikrobiellen Wirkstoffen in den beiden Ländern widerspiegelten. Die antimikrobiellen Resistenzprofile der chinesischen Isolate waren ausgeprägter. Bei beiden Linien war die antimikrobielle Resistenz größtenteils mit mobilen genetischen Elementen assoziiert, die durch horizontalen Gentransfer leicht über Stamm-, Spezies- oder sogar Gattungsgrenzen hinweg übertragen werden können. Allerdings wiesen die deutschen CC398 Isolate eine größere Vielfalt an unterschiedlichen mobilen genetischen Elementen auf, was auf eine erleichterte Aufnahme fremden genetischen Materials hindeutet. Weiterhin wurden klonale und geografische Korrelationen von molekularen Merkmalen, Virulenz- und Resistenzeigenschaften bei den LA-MRSA CC398 Isolaten aus Deutschland häufiger beobachtet als zeitliche Zusammenhänge. Außerdem wurden im Rahmen dieser These mehrere neue mobile genetische Elemente charakterisiert. Eine neue Typ-V-Variante der Methicillin-Resistenz vermittelnden SCCmec-Kassette wurde in einem porzinen LA-MRSA CC398 Isolat aus China identifiziert. Homologien mit anderen Typ-V- und -XII-Elementen deuten auf eine fortlaufende Evolution von SCCmec-Elementen in LA-MRSA CC398 Isolaten von Schweinen hin. Tn553 und Tn560 sind zwei neue Mitglieder der Tn554-Transposonfamilie, die in chinesischen LA-MRSA CC9 beziehungsweise CC398 Isolaten nachgewiesen wurden. Tn553 trug ein vollständiges Beta-Laktam-Resistenz vermittelndes blaZ-blaR1-blaI Beta-Laktamase-Operon und bevorzugte eine andere Integrationsstelle als vorherige Tn554-verwandte Transposons. Tn560 enthielt ein Multiresistenz-Gencluster bestehend aus dem Spectinomycin-Resistenzgen spcV, einer neuen spc-Variante, die wahrscheinlich das Produkt einer Rekombination zwischen den verwandten Genen spc und spw ist, dem Pleuromutilin-Lincosamid-Streptogramin-A-Resistenzgen lsa(E) und dem Lincosamid-Resistenzgen lnu(B). Das Plasmid pHKS3860 von einem deutschen porzinen LA-MRSA CC398 Isolat trug das neue Makrolid-Lincosamid-Streptogramin-B-Resistenzgen erm(54), Cadmium-, Quecksilber- und Kupferresistenzgene sowie ein ica-Gencluster für Biofilmbildung. Als Folge solcher Co-Lokalisationen auf demselben mobilen genetischen Element können mehrere Resistenz- und/oder Virulenzeigenschaften in einem einzigen Vorgang übertragen werden. Selbst wenn kein direkter Selektionsdruck besteht, ist das Risiko für Co-Selektionsprozesse erhöht. Abschließend hat diese These das Wissen über die epidemischen LA-MRSA-Linien bei Schweinen in Deutschland und China erweitert. Beide Linien stellen ein bedeutsames Repositorium antimikrobieller Resistenzgene dar, das zur globalen Gesundheitsbedrohung durch diese beiträgt, wobei der horizontale Gentransfer der wesentliche Faktor für eine schnelle Verbreitung ist. Darüber hinaus wurde das Verständnis der genetischen Umgestaltungen bei LA-MRSA-Isolaten und darüber wie diese Bakterien genetisches Material austauschen verbessert. Die Diversität von LA-MRSA-Isolaten nimmt weiter zu und neu auftretende, möglicherweise virulentere und/oder resistentere Varianten sollten genau beobachtet werden. Aufgrund des zoonotischen Potenzials und des Risikos einer weiteren Verbreitung innerhalb der Schweinehaltung und in die menschliche Gemeinschaft ist eine umfassende LA-MRSA-Überwachung von entscheidender Bedeutung.
