Investigations on the microevolution of methicillin-resistant Staphylococcus aureus within the clonal complex CC5

Staphylococcus aureus ist ein pathogenes Bakterium, das eine Vielzahl verschiedener Krankheiten auslösen kann. Eine Bedrohung geht von Methicillin-resistenten S. aureus aus, die Resistenzen gegen Antibiotika entwickelt haben. In dieser Arbeit wurden neue Sequenziertechnologien verwendet, um durch die Sequenzierung ausgewählter MRSA-Genome Einblicke in die Evolution und die räumliche Ausbreitung dieses Keims zu gewinnen. Der Vergleich von 24 MRSA-Genomen des klonalen Komplexes CC5 zeigt wenig Variabilität im Kerngenom, aber eine hohe Diversität in Prophagen. Auf der Basis Genom-weiter SNPs wurde die Phylogenie von CC5 mit der zurzeit höchsten Auflösung rekonstruiert. Durch die Abbildung der Prophagen auf die Phylogenie der Wirts-Staphylokokken konnte gezeigt werden, dass der Austausch von Phagensequenzen eine wichtige Rolle für die Evolution von MRSA spielt. Durch Rekombination akkumulieren die Prophagen offenbar kontinuierlich Sequenzunterschiede, so dass ihre Diversität mit der phylogenetischen Distanz zwischen den Wirtsbakterien zunimmt. In dieser Arbeit konnte erstmals gezeigt werden, dass MRSA-Genome genügend Informationen enthalten, um auch für Epidemiestämme die Übertragung des Erregers zwischen einzelnen Patienten während eines Krankenhaus-Aufenthalts nachzuweisen. Darüber hinaus konnte durch eine phylogenetische Analyse sogar die Richtung der Transmission von einem Patienten auf einen anderen bestimmt werden. Weiterhin konnte die Evolution von MRSA innerhalb einzelner Patienten beobachtet werden. Die Isolate zeigten zwar eine über die Zeit ansteigende, genetische Distanz zu dem jeweils infizierenden Stamm, ihre Diversität nahm jedoch nicht zu. Vielmehr war jeder Patient zu jedem Zeitpunkt mit einem einzelnen, genetisch homogenen Klon besiedelt. Sequenzen ganzer Genome ermöglichen es, die Evolution von Pathogenen mit hoher Auflösung zu untersuchen. In naher Zukunft wird die Sequenzierung ganzer Genome eine wichtige Rolle in der mikrobiellen Diagnostik spielen.Staphylococcus aureus is a major pathogen that causes a variety of infections. A particular danger originates from methicillin-resistant S. aureus (MRSA) which have become resistant to a wide spectrum of antibiotics. For the present work novel sequencing technologies were applied to sequence selected MRSA genomes to get deeper insights into the evolution and the spatial spread of this particular pathogen. The comparison of 24 MRSA genomes of the clonal complex CC5 revealed little variability within the core genome itself but a high level of diversity within mobile genetic elements, especially prophages. On the basis of genome wide SNPs the phylogeny of the clonal complex CC5 was reconstructed to the highest possible degree. Through the mapping of the prophages onto the phylogenetic tree of the host Staphylococci it could be shown that the exchange of phage sequences plays an important role in the short-term evolution of MRSA. Prophages accumulate sequence differences continuously through homologous recombination, causing an increase in their diversity with the phylogenetic distance between the host bacteria. This work was able to show for the first time that genome sequences from highly prevalent, epidemic MRSA contain enough information to verify the transmission of the pathogen between patients during hospitalisation. The use of phylogentic methods was successful in determining the direction of transmission from one patient to another. Furthermore, the evolution of MRSA within unique patients was investigated. The isolates showed an increasing genetic distance to the infecting strain but at the time their diversity did not rise. In fact each patient was colonised with a unique genetically homogeneous clone. Whole genome sequencing provides a detailed insight into the evolution of a pathogen at a high resolution. In the near future the sequencing of whole genomes will play a major role in microbial diagnostic