Drug resistance dissemination by horizontal transfer of genes among mobile genetic elements on the example of plasmids originating from Staphylococcus aureus PH2

Powszechne stosowanie antybiotyków w medycynie i weterynarii przyczynia się do wzrastającej wśród bakterii lekooporności. Plastyczność genomu gronkowca złocistego (Staphylococcus aureus) umożliwia dostosowanie się do środowiska poprzez nabywanie nowych elementów. Rozprzestrzenianie determinant oporności na antybiotyki wśród bakterii odbywa się poprzez horyzontalny transfer genów. Transfer DNA pomiędzy komórkami może odbywać się na różnych drogach, między innymi poprzez koniugację, transdukcję lub transformację. Kluczową rolę w tych procesach odgrywają ruchome elementy genetyczne (MGEs, ang. mobile genetic elements), spośród których najpowszechniejszymi są plazmidy. Gdy determinanty oporności znajdują się w sąsiedztwie genów przyczyniających się do mobilizacji materiału genetycznego, np. genów transpozaz, umożliwia to ich przemieszczanie się w obrębie pojedynczego genomu, a w następstwie transferu do ruchomych elementów genetycznych, również w obrębie genomów odmiennych szczepów tego samego lub różnych gatunków bakterii.W pracy zostały scharakteryzowane plazmidy występujące w szczepie S. aureus PH2 wyizolowanym ze zmian chorobowych bażantów hodowlanych. Na podstawie wyników sekwencjonowania NGS (ang. next generation sequencing) plazmidowego DNA opracowano sekwencje dwóch plazmidów występujących w tym szczepie: większego pAvX-PH2 i mniejszego pPH2. Wykazano, że plazmid pAvX-PH2 zawiera fragmenty plazmidów pAvX występującego u drobiowych szczepów S. aureus, pBC16 z bakterii rodzaju Bacillus, fragment z plazmidu pPH2 oraz krótki fragment z pokrewnego plazmidu pAvX-PA3 ze szczepu S. aureus PA3. W plazmidzie pAvX-PH2 wyróżniono dwie sekwencje kodujące białka odpowiadające za oporność na erytromycynę i tetracyklinę, odpowiednio N-6-metylotransferazę adeninową rRNA w obrębie fragmentu pAvX oraz białko transportera tetracykliny obecnej we fragmencie pochodzącym z plazmidu pBC16. Plazmid pPH2 zawiera tylko gen warunkujący oporność na erytromycynę. Dowiedziono, że oba plazmidy występujące w szczepie S. aureus PH2 posiadają homologiczny fragment zawierający gen N-6-metylotransferazy adeninowej rRNA, co obrazuje zjawisko rozprzestrzeniania się determinant antybiotykooporności między różnymi ruchomymi elementami genetycznymi w obrębie pojedynczej komórki bakteryjnej. Z kolei obecność fragmentu plazmidu pBC16 z bakterii rodzaju Bacillus obrazuje horyzontalny transfer determinant antybiotykooporności pomiędzy różnymi gatunkami bakterii.

Widespread antibiotic use in the clinical and veterinary settings contributes to the growing drug resistance among bacteria. Genomic plasticity of Staphylococcus aureus facilitates acquisition of new genetic elements which increase their fitness. Horizontal gene transfer in bacteria is the predominant way of drug resistance dissemination. Such transfer may be completed by means of conjugation, transduction or transformation. The key role in this process is played by mobile genetic elements (MGEs), among which plasmids comprises the most common group. When any drug resistance determinant neighbours genes promoting DNA mobilisation, eg. transposase genes, it may spread within one genome. As a result of a transfer to an MGE, it may spread to genomes of various strains belonging to one or completely different species.The presented study is focused on plasmids derived from S. aureus PH2 strain, which was isolated from infected lesions of a farm pheasant. Based on NGS sequencing results (next generation sequencing) a complete sequence was determined for two plasmids present in PH2: a bigger one, which is pAvX-PH2, and a smaller one, which is pPH2. It was demonstrated that pAvX-PH2 consists of a few fragments, including the common for poultry strains pAvX plasmid, pBC16, originating from Bacilli and carrying a tetracycline resistance determinant, and a short fragment homologous to a fragment of pAvX-PA3 from S. aureus PA3. Most interestingly, the study revealed that pAvX-PH2 and pPH2 share a homologous fragment, which carries a gene of rRNA adenine-N6-methyltransferase providing erythromycin resistance. These findings exemplify on one hand a transfer of drug resistance determinants among different MGEs within one bacterial cell and on the other a transfer of MGEs among different bacterial species.