Methicillin Resistance In Staphylococci : Horizontal Transfer of Mobile Genetic Element (SCCmec) Between Staphylococcal Species

Regardless of the existence of antibiotics, infectious diseases are the leading causes of death in the world. Staphylococci cause many infections of varying severity, although they can also exist peacefully in many parts of the human body. Most often Staphylococcus aureus colonises the nose, and that colonisation is considered to be a risk factor for spread of this bacterium. S. aureus is considered to be the most important Staphylococcus species. It poses a challenge to the field of medicine, and one of the most problematic aspects is the drastic increase of the methicillin-resistant S. aureus (MRSA) strains in hospitals and community world-wide, including Finland. In addition, most of the clinical coagulase-negative staphylococcus (CNS) isolates express resistance to methicillin. Methicillin-resistance in S. aureus is caused by the mecA gene that encodes an extra penicillin-binding protein (PBP) 2a. The mecA gene is found in a mobile genomic island called staphylococcal chromosome cassette mec (SCCmec). The SCCmec consists of the mec gene and cassette chromosome recombinase (ccr)gene complexes. The areas of the SCCmec element outside the ccr and mec complex are known as the junkyard J regions. So far, eight types of SCCmec(SCCmec I- SCCmec VIII) and a number of variants have been described. The SCCmec island is an acquired element in S. aureus. Lately, it appears that CNS might be the storage place of the SCCmec that aid the S. aureus by providing it with the resistant elements. The SCCmec is known to exist only in the staphylococci. The aim of the present study was to investigate the horizontal transfer of SCCmec between the S. aureus and CNS. One specific aim was to study whether or not some methicillin-sensitive S. aureus (MSSA) strains are more inclined to receive the SCCmec than others. This was done by comparing the genetic background of clinical MSSA isolates in the health care facilities of the Helsinki and Uusimaa Hospital District in 2001 to the representatives of the epidemic MRSA (EMRSA) genotypes, which have been encountered in Finland during 1992-2004. Majority of the clinical MSSA strains were related to the EMRSA strains. This finding suggests that horizontal transfer of SCCmec from unknown donor(s) to several MSSA background genotypes has occurred in Finland. The molecular characteristics of representative clinical methicillin-resistant S. epidermidis (MRSE) isolates recovered in Finnish hospitals between 1990 and 1998 were also studied, examining their genetic relation to each other and to the internationally recognised MRSE clones as well, so as to ascertain the common traits between the SCCmec elements in MRSE and MRSA. The clinical MRSE strains were genetically related to each other; eleven PFGE types were associated with sequence type ST2 that has been identified world-wide. A single MRSE strain may possess two SCCmec types III and IV, which were recognised among the MRSA strains. Moreover, six months after the onset of an outbreak of MRSA possessing a SCCmec type V in a long-term care facility in Northern Finland (LTCF) in 2003, the SCCmec element of nasally carried methicillin-resistant staphylococci was studied. Among the residents of a LTCF, nasal carriage of MR-CNS was common with extreme diversity of SCCmec types. MRSE was the most prevalent CNS species. Horizontal transfer of SCCmec elements is speculated to be based on the sharing of SCCmec type V between MRSA and MRSE in the same person. Additionally, the SCCmec element of the clinical human S. sciuri isolates was studied. Some of the SCCmec regions were present in S. sciuri and the pls gene was common in it. This finding supports the hypothesis of genetic exchange happening between staphylococcal species. Evaluation of the epidemiology of methicillin-resistant staphylococcal colonisation is necessary in order to understand the apparent emergence of these strains and to develop appropriate control strategies. SCCmec typing is essential for understanding the emergence of MRSA strains from CNS, considering that the MR-CNS may represent the gene pool for the continuous creation of new SCCmec types from which MRSA might originate.

Antibioottien olemassaolosta huolimatta tartuntataudit ovat yksi maailman yleisimpiä kuolinsyitä. Vaikka stafylokokit aiheuttavat monia vakavuudeltaan eriasteisia infektioita, voivat ne esiintyä myös harmittomina ihmisen elimistössä. Staphylococcus aureus löytyy yleisimmin nenän limakalvolta, mitä pidetään riskitekijänä kyseisen bakteerin leviämiselle. S. aureusta pidetään tärkeimpänä stafylokokkilajina ja se asettaa haasteita lääketieteelle. Yksi sen ongelmallisimmista piirteistä on metisil-liiniresistenttien S. aureus (MRSA) bakteerikantojen jyrkkä lisääntyminen sairaaloissa ja avohoidossa, niin Suomessa kuin maailmallakin. Lisäksi kliinisistä koagulaasinegatiivisista stafylokokki-kannoista (KNS) suurin osa on vastustuskykyisiä metisilliinille. Metisilliiniresistenssi S. aureus -bakteerissa johtuu mecA geenistä. Kyseinen geeni koodaa penisilliiniä sitovaa proteiinia (PBP) 2a, ja se löytyy liikkuvasta yksiköstä, jota kutsutaan stafylokokkaaliseksi kromosomikasetti mec:ksi (SCCmec). SCCmec koostuu mec-geenistä ja rekombinanteista kasettikromosomi geenikomplekseissta (ccr). Ne SCCmec elementtien alueet, jotka sijaitsevat ccr ja mec -kompleksien ulkopuolella, tunnetaan nimellä junkyard J alueet. Tähän mennessä kahdeksan SCCmec (SCCmec I- SCCmec VIII) lajia, sekä useita eri variantteja on kuvattu, ja on saatu selville, että SCCmec -kasetti on hankittu elementti S. aureuksessa. Uusimpien tutkimustulosten valossa näyttää siltä, että KNS saattaisi olla vastustuskykyisiä SCCmec elementtejä S. aureukselle tarjoava reservuaari. SCCmec:n tiedetään löytyvän vain stafylokokeissa. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää SCCmec:n horisontaalinen siirtyminen S. aureuksen ja KNS:n välillä. Erityisesti tavoitteena oli selvittää, ovatko jotkut metisilliinille herkät S. aureus (MSSA) bakteerikannat taipuvaisempia vastaanottamaan SCCmec:n kuin muut. Tämä tehtiin vertaamalla Helsingin ja Uudenmaan sairaanhoitopiirin terveydenhuollon laitoksista vuonna 2001 otettujen kliinisten MSSA -näytteiden geneettisiä piirteitä Suomessa vuosina 1992 2004 esiintyneisiin epideemisiin MRSA (EMRSA)-genotyyppeihin. Suurin osa kliinisistä MSSA -kannoista oli sukua EMRSA-kannoille. Tämä havainto viittaa siihen, että SCCmec:n horisontaalinen siirtyminen tuntemattomalta luovuttajalta (/luovuttajilta) useille MSSA genotyypeille on tapahtunut Suomessa. Suomen sairaaloista vuosina 1990 1998 saatujen kliinisten metisilliiniresistenttien S. epidermidis (MRSE) -kantojen molekyylitason ominaisuuksia tarkasteltiin tutkimalla niiden geneettistä suhdetta sekä toisiinsa että kansainvälisesti tunnettuihin MRSE -klooneihin, jotta SCCmec elementtien yhteiset piirteet MRSE:ssa ja MRSA:ssa saataisiin selvitettyä. Kliiniset MRSE -kannat olivat geneettisesti toisilleen sukua; yksitoista PFGE -tyyppiä yhdistettiin maailmanlaajuisesti esiintyvään sekvenssi ST2:een. Yksi MRSE -kanta saattaa omata kaksi SCCmec -tyyppiä (III ja IV), jotka ovat tunnettuja MRSA-kantojen keskuudessa. Kuusi kuukautta SCCmec tyyppi V:n omaavan MRSA tautiryppään puhkeamisen jälkeen pitkäaikaishoidon laitoksessa Pohjois-Suomessa (LTCF) vuonna 2003, tutkittiin nenässä esiintyvien metisilliiniresistenttien stafylokokkien SCCmec elementtien kantajuutta. LTFC:n asukkaiden keskuudessa nenässä kulkeutuva MR-KNS oli yleinen, joskin SCCmec tyypeissä oli valtavaa vaihtelua. MRSE oli yleisin KNS -laji. SCCmec elementtien horisontaalisen siirtymisen on arveltu perustuvan SCCmec tyyppi V:n siirtymisen MRSA:n ja MRSE:n välillä samassa henkilössä. Tämän lisäksi tutkittiin myös ihmisen kliinisten S. sciuri kantojen SCCmec -elementtiä. Useat SCCmec alueet olivat läsnä S. sciurissa, ja niissä pls -geeni oli yleinen. Tämä havainto tukee olettamusta geneettisen vaihdon tapahtumisesta stafylokokkilajien välillä. Metisilliiniresistentin stafylokokkikolonisaation epidemiologian arviointi on tarpeen, jotta voidaan ymmärtää näiden kantojen ilmaantuminen ja kehittää asianmukaisia seurantastrategioita. SCCmec geenikasetin tyypittäminen on olennaista KNS:stä kehittyvien MRSA -kantojen ymmärtämiselle ottaen huomioon sen, että MR-KNS saattaa edustaa geenipoolia, jossa syntyy jatkuvasti uusia SCCmec tyyppejä, joista MRSA saattaa mahdollisesti olla peräisin.