Análise genômica de Staphylococcus aureus isolados de colonização e de infecções invasivas

Abstract

Staphylococcus aureus é uma bactéria de grande importância clínica mundial, devido, principalmente, à sua potencial patogenicidade e multirresistência a diversos antimicrobianos na forma de Staphylococcus aureus resistentes à meticilina (MRSA). Cerca de 30% da população humana mundial é colonizada por esta bactéria nas fossas nasais, de forma persistente e assintomática. Em cerca de 80% dos casos a mesma cepa que causa o processo infeccioso já colonizava previamente o indivíduo. Porém, os mecanismos dessa transição colonização-infecção não estão completamente elucidados. Sabe-se que se trata de um processo multifatorial, envolvendo fatores da bactéria, do ambiente/microbiota e do hospedeiro. De forma a compreender melhor os fatores bacterianos associados a estes mecanismos, a hipótese do presente estudo foi de que há um ou mais fatores genéticos bacterianos que podem ser determinantes nesta transição, visto que as bactérias podem adquirir ou perder genes de resistência e/ou virulência principalmente via elementos genéticos móveis. Assim, o presente estudo investigou se existem um ou mais potenciais marcadores genéticos de infecção através da análise genômica de 415 genomas completamente sequenciados de S. aureus. Os genomas foram agrupados em dois grandes grupos: (1) genomas de cepas isoladas de colonização e (2) genomas de cepas isoladas de infecções invasivas, entre outros subgrupos. Através de análises in silico, os dois grandes grupos foram comparados com relação à (i) análise pangenômica, (ii) alinhamento genômico completo, (iii) polimorfismos de único nucleotídeo e (iv) distribuição dos genes de virulência, resistência aos antimicrobianos e elementos genéticos móveis. As análises iniciais (i, ii e iii) indicaram que os genomas apresentam suas particularidades como genomas únicos, sem diferenças que predominam em um dos dois grandes grupos. A partir de análise estatística, a distribuição dos genes de virulência indicou maior prevalência dos genes sea, tst e genes do cluster egc (seg, seu, sem, sen, sei e seo) nos genomas de infecção invasiva. Porém, não foram identificados genes de resistência aos antimicrobianos mais prevalentes em um dos dois grupos. Apenas o plasmídeo rep7C foi encontrado com maior frequência nos genomas de colonização, enquanto a sequência de inserção (IS) ISLgar5 foi encontrado mais comumente nos genomas de infecção. Apesar de alguns dos genes encontrados nos genomas analisados já terem sido correlacionados com amostras de S. aureus de infecção, este estudo apresenta limitações e vieses importantes que não permitem estabelecer um marcador genômico de infecção apenas com os dados analisados. Mais estudos precisam ser realizados para confirmar a relevância destes genes em amostras isoladas de infecções estafilocócicas. Adicionalmente, a literatura científica vem evidenciando que modificações genômicas em S. aureus parecem não ser cruciais nos mecanismos de transição colonização-infecção, uma vez que, em geral, não se observada diferenças significativas entre os dois grupos. Outras abordagens metodológicas como transcriptoma e proteoma podem ser sugeridos de para entender melhor os mecanismos da transição.

Abstract: Staphylococcus aureus is a bacterium of great clinical importance worldwide, mainly due to its potential pathogenicity and multi-resistance to several antimicrobials in the form of methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA). About 30% of the world's human population is persistently and asymptomatically colonized by this bacterium in the nasal cavity. In around 80% of cases, the same strain that causes the infectious process has previously colonized the individual. However, the mechanisms of this colonization-infection transition are not completely elucidated. It is known that it is a multifactorial process, the factors of the bacteria, the environment/microbiota and the host. In order to better understand the bacterial factors associated with these mechanisms, the hypothesis of the present study was that there are one or more bacterial genetic factors that can be decisive in this transition, since bacteria can acquire or lose resistance and/or virulence genes, mainly via mobile genetic elements. Thus, the present study investigated whether there are one or more potential genetic markers of infection through the genomic analysis of 415 completely sequenced S. aureus genomes. The genomes were grouped into two large groups: (1) genomes of strains isolated from colonization and (2) genomes of strains isolated from invasive infections, among other subgroups. Through in silico analyses, the two large groups were compared with respect to (i) pangenomic analysis, (ii) complete genomic alignment, (iii) single nucleotide polymorphisms (SNPs) and (iv) distribution of virulence genes, antimicrobial resistance and mobile genetics. The initial analyzes (i, ii and iii) indicated that the genomes present their particularities as unique genomes, without differences that predominate in one of the two large groups. Based on statistical analysis, the distribution of virulence genes indicated a higher prevalence of sea, tst and egc cluster genes (sec, seu, sem, sen, sei and seo) in the genomes of invasive infection. However, antimicrobial resistance genes with higher prevalence were not identified in one of the two main groups. Only the rep7C plasmid was found more frequently in colonization genomes, while the insertion sequence (IS) ISLgar5 was found more commonly in infection genomes. Although some of the genes found in the analyzed genomes have already been correlated with S. aureus isolated from infection, this study has important limitations and biases that do not allow establishing a genomic marker of infection with the analyzed data alone. More studies need to be carried out to confirm the relevance of these genes in samples isolated from staphylococcal infections. Additionally, the scientific literature has shown that genomic changes in S. aureus do not seem to be crucial in the colonizationinfection transition mechanisms, since, in general, no significant differences are observed between the two main groups. Other methodological approaches such as transcriptome and proteome can be suggested to better understand the transition mechanisms.