Genome and Transcriptome Analyses of Staphylococcus aureus FORC_062 Isolated from Human Blood

Abstract

Staphylococcus aureus is a Gram-positive, facultative anaerobe and causes a range of diseases from skin ailments to life threating diseases such as sepsis. It is becoming tougher to treat infection of S. aureus, as this species has developed resistance to various types of antibiotics rapidly. Especially, methicillin resistance of S. aureus in South Korea is more than 67%, which is higher than other developed countries. In this study, to characterize S. aureus FORC_062 isolated from blood of domestic patient, the genome and transcriptome of this strain were analyzed. The genome of S. aureus FORC_062 was sequenced by PacBio. The genome consists of a circular chromosome of 2,905,353 bp with a GC content of 32.92%. The chromosome contains 2,727 open reading frames, 60 rRNAs, and 16 tRNA genes. Genes encoding many virulence factors were found by BLAST such as α-, β-, γ- hemolysin, leukotoxin, toxic shock syndrome toxin. To evaluate the cytotoxicity of this strain, lactate dehydrogenase (LDH) release assay were conducted. The result showed that FORC_062 has higher cytotoxicity than other clinical isolates. Average nucleotide identity (ANI) analysis of the genome with 19 other whole genomes of S. aureus showed that FORC_062 is the most closely related to N315, a clinical isolate of a Japanese patient. Comparative genome analysis of FORC_062 and N315 revealed that FORC_062 has additional genes

(1) tetracycline resistance tetM and (2) type II toxin-antitoxin system MazEF. Previous study demonstrated that the MazEF toxin-antitoxin system alters the β-lactam susceptibility of S. aureus (Christopher F. Schuster et al., 2015). In silico prediction was confirmed by Kirby-Bauer Disk Susceptibility Test. Consumption of raw chicken breast is increasing rapidly and a large portion of raw chicken meat distributed on market in South Korea is infected with S. aureus. Therefore, raw chicken breast was selected for the model food. RNA sequencing was conducted to figure out the transcriptional response when the strain FORC_062 was exposed to model food. The results showed that genes related to amino acid transporter, deamination, glucose metabolism and lipid degradation were up-regulated, while genes related to amino acid biosynthesis and other carbohydrate metabolism except for glucose were down-regulated. In addition, genes related to various virulence factors such as enterotoxin, adhesion and VII secretion system were up-regulated. The results indicated that S. aureus may use the chicken as a reservoir to survival and increase its pathogenicity. All results described above demonstrated that S. aureus FORC_062 is possibly pathogenic to human and has high resistance to antibiotics. Furthermore, this strain may use the chicken breast as a reservoir to survive and increase its pathogenicity. Further research is imperative to understand this important pathogen and to prevent future outbreaks in South Korea.

황색포도상구균은 그람양성 통성혐기성 세균으로, 가벼운 피부질환부터 생명을 위협하는 패혈증 등 여러 질병을 야기한다. 황색포도상구균이 내성을 갖는 항생제의 종류가 빠르게 증가하면서, 감염 시 치료의 어려움 역시 날로 증가하고 있다. 특히 국내의 경우 황색 포도상구균의 메티실린 저항성 균주가 전체의 67% 이상으로, 이는 해외 다른 국가보다 매우 높은 수치이다. 본 연구는 국내 환자의 혈액에서 분리한 황색포도상구균 FORC_062 균주에 대한 특성을 알아보기 위해 유전체 분석과 전사체 분석을 진행하였다. FORC_062는 한 개의 염색체로 구성되어 있으며, 2,721개의 개방형 해독틀, 60개의 운반 RNA와 16개의 리보좀 RNA를 지니고 있다. FORC_062는 병원성에 기여하는 다양한 독성유전자들과 항생제 저항성 유전자를 가지고 있는 것을 확인하였으며, 세포독성 실험을 통해 다른 임상분리 균주보다 높은 독성을 확인하였다. 또한, NCBI상 등재된 20개의 다른 황색포도상구균의 종 간 유사도를 확인한 결과, FORC_062는 일본 환자로부터 분리한 N315와 계통학적으로 가장 유사하였다. FORC_062와 N315의 유전체 비교 분석을 통해 FORC_062가 tetracycline 저항 유전자 tetM과 type II toxin-antitoxin system MazEF를 암호화 하는 유전자를 추가적으로 가지고 있음을 확인하였다. MazEF system이 황색포도상구균의 베타-락탐 계열 항생제 저항성을 증가시킨다는 선행 연구 결과가 있음으로, 유전체 상의 분석결과를 표현형으로 확인하기 위해 항생제 저항성을 실험을 진행하였다. 실험결과 FORC_062가 N315보다 tetracycline과 베타-락탐 계열 항생제에 더욱 저항성을 가지고 있는 것을 확인하였다. 닭 가슴살은 전세계적으로 소비량이 많은 식품이다. 또한, 국내 유통되는 생닭의 다수가 황색포도상구균에 감염이 되어있다. 따라서 닭 가슴살을 모델식품으로 선정하여 전사체 분석을 진행하였다. FORC_062를 닭 가슴살에 노출되었을 때의 유전자 발현 양상을 RNA-sequencing을 통해 확인하였다. 아미노산의 수송, 탈아미노화, 포도당 대사, 지방산 대사와 관련된 유전자들의 발현은 증가한 반면, 아미노산의 생합성, 포도당을 제외한 다른 탄수화물의 대사를 관여하는 유전자들의 발현은 감소하였다. 또한, type VII secretion system, adhesin과 enterotoxin 등 여러 독성 유전자의 발현이 증가하는 것을 확인하였다. 결론적으로, 국내 환자 혈액에서 분리된 황색포도상구균 FORC_062는 여러 독성 인자를 가지고 있으며, 다른 임상 균주보다 높은 독성과 항생제 저항성을 가지고 있다. 또한, 모델 식품인 닭 가슴살에 노출 되었을 때, 닭 가슴살을 하나의 저장소로 인지하여 생존과 성장을 유리하게 할 것으로 예측된다. 또한 독성유전자의 발현량의 증가에 따라, 인체 감염 시, 질병 발생의 가능성을 높일 것으로 예측된다. 본 연구를 통해 국내 환자에게서 분리한 식중독균의 데이터베이스를 축적함으로써, 국내 황색포도상구균의 특징에 대한 이해를 넓히고 질병 발생 시 효율적으로 대처할 수 있을 것으로 기대된다.