Analysis of Staphylococcus aureus population structure on the basis of genome wide polymorphisms

Staphylococcus aureus gehört zu den bedeutendsten menschlichen Krankheitserregern und kann eine Vielzahl von Infektionen verursachen. Diese können von lokalen Infektionen der Haut und Weichteilgewebe bis zu lebensbedrohlichen systemischen Infektionen reichen. Haut- und Weichteilinfektionen werden vorwiegend durch zwei klinische Bilder mit unterschiedlicher Pathogenese vertreten. Dabei kann zum einen in oberflächliche Infektionen, die ausschließlich die oberen Schichten der Haut innerhalb der Epidermis betreffen und zum anderen in tiefgehende Infektionen unterschieden werden. Methicillin-sensibler Staphylococcus aureus des klonalen Komplex CC121 ist häufig mit diesen beiden klinischen Bildern assoziiert und weltweit verbreitet. Interessant an CC121 ist, dass dieser erst kürzlich auch erstmals als MRSA in Asien in Erscheinung trat. In der vorliegenden Arbeit wurde die Populationsstruktur durch Vergleiche von 154 Isolaten des CC121 aus 27 Ländern, verteilt über 5 Kontinente untersucht. Dazu wurden die Isolate nach Mutationen in 115 genetischen Loci unter Verwendung einer spezialisierten, denaturierenden Hochdruckchromatographie-Methode analysiert. Darüber hinaus wurden zehn Isolate, die repräsentativ für die gegebene Populationsstruktur von CC121 sind, mittels 454-Pyrosequenzierung sequenziert. Ausgehend von der ermittelten Phylogenie des Klons konnten sechs monophyletische Gruppen (A bis F) abgeleitet werden, die im Laufe der Entwicklungsgeschichte von CC121 unabhängig voneinander entstanden sind. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass der Großteil der Populationsstruktur lokaler Natur ist und die Isolate gemäß ihres geographischen Ursprungs clustern. Es konnte erstmals gezeigt werden, dass die Anwesenheit der Toxingene (eta, etb, lukS/F-PV ) stark mit der phylogenetischen Verwandtschaft der Isolate assoziiert ist, und dass sie bei den Isolaten, für die diese Informationen verfügbar sind, auch weitgehend mit den klinischen Symptomen korreliert. Der Vergleich der vollständigen Genomsequenzen zeigte wenig Variationen im Kerngenom, aber eine hohe Diversität im akzessorischen Genom. Neben einer Vielzahl von identifizierten Prophagen, konnte auch ein bisher unbekannter, 41 kb großer Prophage identifiziert werden: ΦSaCC121. Dieser konnte vollständig und hoch konserviert in allen zehn untersuchten Isolate detektiert werden. Die basale Stellung der MSSA-Isolate unterstützte die Vermutung, dass die CC121-MRSA Population in Kambodscha direkt aus der dort vorherrschenden MSSA Population hervorgegangen ist.Staphylococcus aureus is one of the most common human pathogens and causes a wide range of infections, from skin and soft tissue infections (SSTIs) to life threatening diseases. SSTIs predominate in two clinical entities; (i) the superficial infections that affect the upper skin layers (stratum corneum and stratum granulosum), and (ii) deep-seated infections which affect the dermis and subcutaneous tissues. Methicillin-susceptible S.aureus (MSSA) complex CC121 is globally distributed, and it is a common cause of both superficial skin infections and deep-seated infections. Commonly, CC121 isolates are susceptible to methicillin. However, recently methicillin resistance had been found among community-associated S. aureus CC121 from Cambodia. In the present study, we investigated the population structure of CC121 by mutation discovery at 115 genetic housekeeping loci from each of 154 isolates, sampled on five continents. In addition, we pyro-sequenced the genomes from ten representative isolates to get deeper insights into the evolution of this clone. The genome-wide SNPs that were ascertained revealed the evolutionary history of CC121, indicating at least six major clades (A to F) within the clonal complex and dating its most recent common ancestor to the pre-antibiotic era. This study was able to show, that distinct phylogenetic lineages within CC121 are associated with specific diseases. The toxin gene complement of CC121 isolates was correlated with their SNP-based phylogeny. Moreover, we found a highly significant association of clinical phenotypes with phylogenetic affiliations, which is unusual for S. aureus. Isolates from superficial infections clustered in clade F, whereas isolates from deep-seated infections were disseminated in several clades, but not in clade F. Our results demonstrate that phylogenetic lineages with distinct clinical properties exist within an S. aureus clonal complex, and that genome-wide SNPs serve as powerful discriminatory markers, able to identify these lineages in more details. The comparison of ten CC121 genomes revealed little variation within the core genome but high variation within mobile genetic elements. Nevertheless, all CC121 genomes harboured a 41-kilobase prophage that was dissimilar to S. aureus phages sequenced previously. Furthermore, on the basis of genome wide SNPs we could shown that community-associated MRSA and MSSA from Cambodia were extremely closely related, suggesting this MRSA arose in the region