The importance of the two- and three component systems WalRK and VraTSR for antibiotic resistance and phage susceptibility in Staphylococcus aureus

Abstract

Staphylococcus aureus is a human commensal bacterium, living primarily on the skin and in the nose. It is also a pathogen able to cause a wide range of diseases, including food poisoning, infection of wounds but also more serious infections such as bacteremia and endocarditis. Methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) is resistant to virtually every ß-lactam antibiotic, making infections difficult to treat. Vancomycin is a last-resort antibiotic used for treating MRSA infections; however, increasing reports have been made about resistance development towards vancomycin.

S. aureus strains with decreased susceptibility to vancomycin are called vancomycin- intermediate Staphylococcus aureus (VISA). While ß-lactam resistance often arises by acquisition of a gene encoding for an alternative penicillin binding protein (PBP), PBP2a, vancomycin resistance develops through accumulation of mutations in a variety of genes, in particular genes related to the cell wall. These mutations often lead to changed gene expression. For instance, the three-component system VraTSR, involved in regulating the cell wall stress response system is important in VISA, and genes encoding the two-component system WalRK, involved in cell wall maintenance and homeostasis. Furthermore, bacteriophages are viruses that adsorb to the bacterial cell wall in their initial infection stage. Changes in the regulatory systems WalRK and VraTSR might affect the cell wall and consequently phage susceptibility. In this study, we assessed how upregulating individual components of these regulatory systems affected the susceptibility of MRSA strain JE2 to vancomycin and ß-lactam antibiotics, as well as susceptibility to phage infection. Additionally, differences in the response to overexpression of these genes in JE2 compared to JE2-derived VISA strains were investigated.

Results showed that overexpression of single genes affected the different resistances in S. aureus. For instance, vraR increased the minimal inhibitory concentration (MIC) of both oxacillin and vancomycin. Furthermore, epistasis seemed to be important since overexpression of several genes had opposite effects in JE2 and vancomycin-adapted JE2 with regards to bacteriophage susceptibility. This suggests prediction of the effect of single genes on susceptibility to vancomycin, ß-lactam antibiotics and phages is difficult, and further research is needed to gain a deeper understanding of resistance mechanisms in VISA. That knowledge is of importance if vancomycin is still going to be an effective treatment for MRSA infections in the future.

Abstract (Swedish)

Staphylococcus aureus är en kommensal bakterie, vars främsta nisch i människokroppen är huden och näsan. Det är också en patogen förmögen att orsaka ett stort antal infektioner, bland annat matförgiftning, infekterade sår men också allvarligare infektioner som blodförgiftning och hjärtmuskelinflammation. Meticillin-resistenta Staphylococcus aureus (MRSA) är resistenta mot praktiskt taget alla ß-laktamantibiotika, vilket gör infektionerna svåra att behandla. Vankomycin är ett av få läkemedel som har verkan mot MRSA-infektioner, dock har rapporter om resistensutveckling mot vankomycin ökat på senare tid.

S. aureus med minskad känslighet mot vankomycin kallas för vankomycin-intermediära Staphylococcus aureus (VISA). Medan resistens mot ß-laktamantibiotikum ofta uppkommer genom att bakterierna förvärvar en gen som kodar för ett alternativt penicillinbindande protein (PBP), PBP2a, så utvecklas vankomycinresistens genom ackumulerade mutationer i olika gener, särskilt relaterade till cellväggen. Dessa mutationer leder ofta till förändrat genuttryck. Bland de viktigaste generna i VISA är de som kodar för trekomponentsystemet VraTSR, involverat i ett svarssystem mot cellväggstress i S. aureus, samt gener som kodar för tvåkomponentsystemet WalRK, involverat i cellväggsunderhåll och homeostas. Fortsättningsvis är bakteriofager virus som adsorberar till den bakteriella cellväggen i deras första infektionssteg. Förändringar i de regulatoriska systemen WalRK och VraTSR kan eventuellt påverka cellväggen på ett sätt som påverkar möjligheten för fager att infektera bakterierna.

I den här studien undersökte vi hur en uppreglering av individuella komponenter från de regulatoriska systemen påverkade MRSA-bakteriestammen JE2:s mottaglighet mot vankomycin, ß-laktamantibiotikum, och bakteriofaginfektioner. Tilläggsvis undersöktes skillnader i av att uppreglera dessa gener i JE2 jämfört med JE2-deriverade VISA-stammar.
Resultat från den här studien visade att genom att överuttrycka enskilda gener så kunde de olika resistenserna påverkas i S. aureus. Exempelvis, genen vraR ökade den minimala inhibitoriska koncentrationen (MIC) av både oxacillin och vankomycin i flertalet bakteriestammar. Fortsättningsvis verkade epistas, interaktionen gener emellan, vara av vikt eftersom överuttryck av flertalet gener hade motsatt effekt i bakteriestammen JE2 gentemot vankomycinanpassade JE2-stammar med avseende på mottagligheten mot bakteriofaginfektioner. Detta implicerar att det är svårt att förutse effekten av enskilda gener på mottagligheten mot vankomycin, ß- laktamantibiotika och bakteriofager, och fortsatt forskning är nödvändig för att förstärka kunskapen och förståelsen för resistensmekanismerna i VISA. Den kunskapen är av vikt om vankomycin ska kunna vara ett effektivt läkemedel för behandling av MRSA-infektioner även i framtiden.

Popular Abstract (Swedish)

Nu eller aldrig är det dags att vinna kampen om antibiotika mot bakterierna!

Antibiotika – för många ses det som mirakelläkemedlet som kan bota nästan alla sjukdomar som orsakas av bakterier. Men det är också något de flesta av oss tar för givet. På senare år har det allt oftare pratats om den postantibiotiska eran, och forskare börjar bli oroliga att vanliga infektioner som tidigare har kunnat behandlats med antibiotika kan bli livshotande i framtiden. Därför är det väldigt viktigt att förstå varför bakterier blir resistenta så att vi kan tillverka nya läkemedel som kan bota infektioner och kanske lura bakterierna så vi kan behandla dem lätt och snabbt även i framtiden!

Bilden ovanför visar en forskare som håller upp en så kallad petriskål som det växer bakterier i, kanske är de resistenta mot antibiotika?
Människokroppen är hem åt 100 triljoner bakterier! Det betyder att i våra kroppar bor ungefär tio gånger fler bakterier än vad vi har egna celler. De allra flesta bakterierna sitter inte bara still i kroppen och rullar tummarna, utan de jobbar hårt. Bakterier i våra tarmar bryter ner maten vi äter och tillverkar vitaminer och andra ämnen vi behöver för att överleva och må bra, och på huden lever en massa bakterier som vaktar mot elaka mikrober som vill ta sig in i kroppen. Ibland kan det hända att vi får ett sår och då kan de göra att såret blir svullet och varigt. Eller så kan vi råka äta mat med bakterier i och de kan då ta sig in i magen och ge oss matförgiftning.

Som tur är fungerar oftast vårt immunförsvar bra och kan ta hand om de elaka bakterierna, men ibland måste vi få lite hjälp på traven av läkemedel – antibiotika! De flesta av oss har någon gång i livet druckit äcklig hostmedicin eller ätit tabletter när vi har en öroninflammation. Oftast är läkaren väldigt noga med att säga att man måste äta upp alla tabletter och inte sluta när man känner sig frisk. Det är nämligen så att vissa bakterier kan överleva om man inte äter så mycket antibiotika som läkaren skriver ut. Om man har otur kan de bakterierna lära sig att överleva medicinen, och nästa gång vi blir sjuka hjälper inte antibiotika längre – de har blivit resistenta!
För att undersöka hur bakterierna kan bli resistenta mot antibiotika har de i det här projektet blivit genmodifierade. Det betyder att en gen, alltså en liten bit DNA, har stoppats in i bakterien på ett laboratorium, och sedan har bakterien fått växa med en massa god mat och i ett varmt och skönt rum där det är 37°C varmt. Men i maten har också lite antibiotika gömts, och efter att bakterierna har varit inne i det varma rummet i 24 timmar så lever vissa, men andra har dött. Vissa bakterier som har fått en gen har lyckats förändra sig lite och experimenten visade att de överlevde bättre än de bakterier som inte hade den genen. De kanske har fått en lite tjockare cellvägg, vilket är som bakteriernas hud, som gör att de klarar sig bättre mot antibiotikan, men det går tyvärr inte att veta med säkerhet. Genom att göra fler sådana här undersökningar kan vi få reda på vilka gener som gör att bakterierna blir resistenta mot antibiotika, och kanske lyckas hitta nya mediciner som biter på de elaka bakterierna!

• author: Abrahamsson, Jack
• supervisor: Jenny Schelin
• organization: Applied Microbiology
• course: KMBM05 20221
• year: 2022
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Biology and Life Sciences
• keywords: MRSA, Vancomycin, VISA, phage, bacteriophage, Staphylococcus aureus, antibiotic resistance, chemical engineering
• language: English
• id: 9093016
• date added to LUP: 2022-06-27 09:30:40
• date last changed: 2022-06-27 09:30:40