Charakteristika des Staphylococcal Cassette Chromosome mec und der Lugdunin-Operon-Gene im vollständigen Genom von Staphylococcus lugdunensis
Staphylococcus lugdunensis (S. lugdunensis) ist ein koagulase-negatives Staphylokokken-Spezies, das zur normalen Hautmikrobiota gehört und vorwiegend den unteren Bauchbereich sowie die Extremitäten besiedelt. In den letzten Jahren hat S. lugdunensis aufgrund der Entdeckung von Lugdunin, einem von nicht-ribosomalen Peptidsynthetasen (NRPS) produzierten Sekundärmetaboliten mit potenter antimikrobieller Aktivität gegen grampositive Bakterien, einschließlich Methicillin-resistentem Staphylococcus aureus (MRSA), große Aufmerksamkeit erregt. Bisher wurden 28 vollständige und 11 teilassemblierte Genomsequenzen von S. lugdunensis in der GenBank-Datenbank veröffentlicht. Dennoch sind Daten zu Genomsequenzen aus China sowie der Einfluss geografischer Herkunft auf genetische Variationen dieser Spezies kaum erforscht.
In dieser Studie wurden sechs klinische S. lugdunensis-Stämme aus Peking, Wuhan und Fujian (China) analysiert. Die minimalen Hemmkonzentrationen (MHK) von Antibiotika wurden mittels VITEK2-Compact-System bestimmt. Die Methicillin-Resistenz wurde mittels Cefoxitin-Disc-Diffusion (DD), Oxacillin-Bouillon-Mikrodilution und Oxacillin-Salz-Agar-Screening validiert. Die vollständigen Genome der Stämme wurden durch Next-Generation- und Oxford-Nanopore-Sequenzierung ermittelt und mit GenBank-Daten verglichen. Resistome und Sekundärmetabolismus-Gencluster wurden bioinformatisch charakterisiert. Staphylococcal Cassette Chromosome mec (SCCmec)-Elemente methicillin-resistenter S. lugdunensis (MRSL) sowie Kollinearitätsanalysen wurden durchgeführt. Die Nucleotidsequenzen des lug-Operons wurden mittels Blastx/Blastp mit GenBank-Proteinen verglichen, um Zusammenhänge zwischen genetischer Variation, geografischer Herkunft und klonalen Komplexen (CC) zu untersuchen.
Die Genomgrößen der sechs Stämme betrugen 2,59–2,71 Mbp (GC-Gehalt: 33,7–33,9 %). Alle Stämme enthielten 2405–2523 proteinkodierende Sequenzen, 60–61 tRNAs, 16–19 rRNAs und 51–53 sRNAs. Fünf Stämme wiesen 2–3 Plasmide auf. Multilocus-Sequenztypisierung ergab die Sequenztypen (ST) 3 (RMLUG1, RMLUG3, RMLUG6), ST27 (RMLUG2), ST34 (RMLUG4) und ST6 (RMLUG5).
Drei Stämme waren resistent gegen Cefoxitin und Oxacillin, bestätigt durch Mikrodilution und Agar-Screening. Cefoxitin-DD-Tests zeigten, dass RMLUG1 und RMLUG6 an der Grenze zur Suszeptibilität lagen. Die MRSL-Stämme waren jedoch sensitiv gegenüber Linezolid, Vancomycin und Teicoplanin. Das Methicillin-Resistenzgen mecA wurde in drei MRSL- (RMLUG1, RMLUG3, RMLUG6) und einem methicillin-sensiblen Stamm (RMLUG2) identifiziert. Die SCCmec-Elemente waren V(5C2) (RMLUG1, RMLUG2, RMLUG6) und IVi (2B) (RMLUG3). Der MSSL-Stamm RMLUG4 enthielt nur ccr Klasse 9 (ccrC2 Allel 1) sowie Schwermetallresistenzgene und wurde als SCCRMLUG4 klassifiziert.
Strukturell entsprachen RMLUG1 und RMLUG6 dem SCCmec-Typ V (S. aureus WIS). RMLUG3 wies eine 1014-bp-Deletion im ISSep1-ähnlichen Transposase-Gen auf. ST27-Stamm RMLUG2 zeigte einen neuartigen SCCmec-Typ-V-Varianten mit invertierter IS431-Orientierung. Genomanalysen offenbarten, dass RMLUG2 trotz mecA keine Oxacillin-Resistenz aufwies. Eine C-zu-T-Substitution an Position –33 des mecA-Promotors sowie Mutationen in den FemXAB-Genen (FemX: R176K, D341E; FemB: D245N, D259Y) könnten die reduzierte MHK erklären.
Vergleiche der lug-Operon-Gene (lugJ–lugM) zeigten, dass alle Stämme außer RMLUG2 (nur lugM mit Stoppmutation g.308T > A) das vollständige Operon besaßen. Frameshift-Mutationen in NRPS-Genen (durch 1–2 Nukleotid-Deletionen) und eine 18-bp-Deletion in lugR traten in fünf Stämmen auf. Eine Insertion (g.67_68insATTTTATACAGGAAGAAG) in lugZ fand sich in RMLUG4 und RMLUG5. Von 39 GenBank-Genomen enthielten 34 alle 14 lug-Gene. CC-abhängige Missense-Mutationen betrafen lugJ (CC1), lugE (32/38 Stämme, außer ST1) und lugG (CC6). Kein Zusammenhang zwischen lug-Polymorphismen und geografischer Herkunft wurde festgestellt.
Die Diskrepanz zwischen Genotyp und Phänotyp könnte auf mecA-Heterogenität, Promotor-Mutationen oder FemXAB-Modifikationen zurückzuführen sein. Die hohe Variabilität des lug-Operons unterstreicht, dass dieses nicht konserviert ist. Einschränkungen umfassen die kleine Stichprobe und potenzielle Sequenzierungsfehler bei GenBank-Daten. Funktionsstudien sind notwendig, um die Aktivität von Resistenzgenen und lug-Operon zu validieren.
Zusammenfassend zeigen die Genome chinesischer S. lugdunensis-Stämme signifikante Variationen in SCCmec– und lug-Operon-Strukturen. Die Identifikation neuartiger SCCmec-Elemente und CC-abhängiger Mutationen im lug-Operon unterstreicht die Notwendigkeit weiterer Forschung zur Klärung genotypisch-phänotypischer Korrelationen.