牛乳から分離された黄色ブドウ球菌のゲノム解析による多様性の解明と抗菌性および病原性遺伝子の分布、および乳腺炎との関連性の決定

Genomic Analysis of Bovine Staphylococcus aureus Isolates from Milk To Elucidate Diversity and Determine the Distributions of Antimicrobial and Virulence Genes and Their Association with Mastitis.

• Sohail Naushad
• Diego B Nobrega
• S Ali Naqvi
• Herman W Barkema
• Jeroen De Buck

抄録

は、世界中で持続的な臨床および不顕性のウシ乳房内感染症（IMI）を引き起こす原因となっている。しかし，カナダにおけるウシ乳中感染症の遺伝的多様性，抗菌薬耐性（AMR）の有無，病原性遺伝子に関する包括的な情報は不足している．ここで、我々は、カナダ産牛乳分離株119株の全ゲノムシークエンシング（WGS）を行い、それらが8つの配列型（ST151、ST352、ST351、ST2187、ST2270、ST126、ST133、およびST8）、5つのクローン複合体（CC151、CC97、CC126、CC133、およびCC8）、および18の明確なスパ型に属することを決定した。パンゲノム、コアゲノム、アクセゲノムはそれぞれ6,340、1,279、2,431遺伝子から構成されていた。AMRの表現型スクリーニングによると，β-ラクタム系薬剤に対する耐性は19％（分離株の19％），スルホンアミド系薬剤に対する耐性は7％（分離株の7％）であったが，ピリマイシン，テトラサイクリン，セフチオフール，エリスロマイシン，ペニシリンとノボビオシンの併用に対する耐性はまれであった（それぞれ3株，3株，3株，2株，2株，2％）。また，分離株119株の191の病原性因子（VF）を5つの機能分類（付着性[=28]，外酵素[=21]，免疫回避[=20]，鉄代謝[=29]，毒素[=93]）に分類し，その分布を明らかにした。さらに、我々は、異なるCCとSTの病原性を計算し、CC151（ST151とST351）が最も高い病原性を持ち（総VFからコアVFを差し引いて計算）、CC97（ST352とST2187）とCC126（ST126とST2270）が続き、世界的にウシのIMIでの有病率が高いことと関連している可能性があることを決定した。しかし、VF遺伝子の存在と乳房炎との間には統計的に有意な関連は見られませんでした。カナダのウシ乳から分離されたVF遺伝子の遺伝的多様性、抗菌薬耐性（AMR）の存在、および病原性遺伝子に関する知識は不足している。我々は、全ゲノム配列解析とゲノム解析に基づいて、ウシ乳から分離された抗微生物抵抗性（AMR）遺伝子の系統と多様性を決定し、大規模な付属ゲノム、限定的なAMR遺伝子の分布、可変的なVF遺伝子プロファイルと配列タイプ（ST）、クローン複合体（CC）特異的な病原性を有すると結論づけた。牛乳由来の病原性と抵抗性の特性だけでなく、集団構造に関する包括的な情報が得られれば、牛における発生源の帰属、リスク評価、および治療アプローチの改善が可能になる。

causes persistent clinical and subclinical bovine intramammary infections (IMI) worldwide. However, there is a lack of comprehensive information regarding genetic diversity, the presence of antimicrobial resistance (AMR), and virulence genes for in bovine milk in Canada. Here, we performed whole-genome sequencing (WGS) of 119 Canadian bovine milk isolates and determined they belonged to 8 sequence types (ST151, ST352, ST351, ST2187, ST2270, ST126, ST133, and ST8), 5 clonal complexes (CC151, CC97, CC126, CC133, and CC8), and 18 distinct Spa types. Pan-, core, and accessory genomes were composed of 6,340, 1,279, and 2,431 genes, respectively. Based on phenotypic screening for AMR, resistance was common against beta-lactams (19% of isolates) and sulfonamides (7% of isolates), whereas resistance against pirlimycin, tetracycline, ceftiofur, and erythromycin and to the combination of penicillin and novobiocin was uncommon (3, 3, 3, 2, and 2% of all isolates, respectively). We also determined distributions of 191 virulence factors (VFs) in 119 isolates after classifying them into 5 functional categories (adherence [ = 28], exoenzymes [ = 21], immune evasion [ = 20], iron metabolism [ = 29], and toxins [ = 93]). Additionally, we calculated the pathogenic potential of distinct CCs and STs and determined that CC151 (ST151 and ST351) had the highest pathogenic potential (calculated by subtracting core-VFs from total VFs), followed by CC97 (ST352 and ST2187) and CC126 (ST126 and ST2270), potentially linked to their higher prevalence in bovine IMI worldwide. However, there was no statistically significant link between the presence of VF genes and mastitis. is a major cause of bovine intramammary infections, leading to significant economic losses to dairy industry in Canada and worldwide. There is a lack of knowledge regarding genetic diversity, the presence of antimicrobial resistance (AMR), and virulence genes for isolated from bovine milk in Canada. Based on whole-genome sequencing and genomic analysis, we have determined the phylogeny and diversity of in bovine milk and concluded that it had a large accessory genome, limited distribution of AMR genes, variable VF gene profiles and sequence types (ST), and clonal complex (CC)-specific pathogenic potentials. Comprehensive information on the population structure, as well as the virulence and resistance characteristics of from bovine milk, will allow for source attribution, risk assessment, and improved therapeutic approaches in cattle.

Copyright © 2020 Naushad et al.