Analysis of the association between polymorphisms in intergenic regions of Staphylococcus aureus genes involved in biofilm formation and periprosthetic joint infections

• Autores: Liliana Andrea Morales Laverde
• Directores de la Tesis: Iñigo Lasa Uzcudun (dir. tes.), Cristina Solano Goñi (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Pública de Navarra ( España ) en 2022
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 192
• Títulos paralelos:
  • Análisis de la asociación entre polimorfismos en regiones intergénicas de genes de Staphylococcus aureus implicados en la formación de biopelículas e infecciones articulares periprotésicas
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Academica-e
• Resumen
  • English

    In this thesis, we have focused on studying variants found in IGRs adjacent to the most important genes involved in S. aureus biofilm formation; the icaADBCR locus, and the genes encoding the family of surface adhesins. For this purpose, we sequenced the whole genome of a collection of 71 S. aureus isolates from periprosthetic joint infections (PJI) and wound infections stored at the Clinical Bacteriological Laboratory of the Sahlgrenska University Hospital and at the Culture Collection University of Gothenburg (CCUG), respectively. In the first chapter, we explored the regulatory regions of the icaADBCR locus to identify patterns that might be associated with an increased capacity of the isolates to produce PIA/PNAG and form a biofilm. This study compared the regulatory regions of the icaADBCR locus in the genomes of PJI and wound isolates with those in the genome of the reference strain MW2. From these analyses, strains were grouped based on the SNPs found in the IGRs of the operon and also within the coding region of the transcriptional regulator IcaR. These regions showed high conservation rates, and no pattern associated with the origin of the isolates, either PJI or wounds, was detected. On the other hand, using transcriptional fusions between the regulatory region of the icaADBCR locus and the green fluorescent protein gene (gfp), we demonstrated that the expression of icaADBC genes was not affected by the presence of variations in IGRs. Notably, a SNP within the coding region of icaR, which results in an amino acid change in the transcriptional repressor IcaR V176E, led to a significant increase in the transcription of the icaADBC operon and the production of PIA/PNAG. Using a Galleria mellonella infection model, we were able to demonstrate a significant reduction in S. aureus virulence associated with the increase in PIA/PNAG production. In the second chapter, we focused on analyzing the association between SNPs in the promoter regions of genes encoding adhesion-related proteins with adhesins expression levels and therefore, the ability of the strain to adhere to medical devices. Genome analyses of PJI and wound isolates showed different profiles in the content of adhesin-encoding genes. Some of these, such as sasG and cna, were lineage-associated, and fifteen genes were present in the whole collection of strains. When the variability in the SNPs contained in regulatory regions that control the expression of each adhesin was investigated, different variation rates were found among the isolates. Following the same approach as in chapter I, based on transcriptional fusions between regulatory regions and the gfp gene, results showed that each genetic lineage contained a specific profile of adhesins expression under the same environmental condition. Moreover, we developed a biomaterial-associated murine infection model together with a metagenomic analysis to simultaneously compare the capacity of different S. aureus isolates to colonize medical implants. In summary, our results evidenced that SNPs in the IGRs flanking the genes encoding factors important for biofilm development may contribute to the generation of variability in the capacity of S. aureus to colonize medical implants. In particular, our results revealed that IGRs controlling the expression of the icaADBC locus and production of the PIA/PNAG exopolysaccharide are highly conserved and that very few silent SNPs can be detected between strains. On the contrary, SNPs in the IGRs of genes encoding surface adhesins provide a profile of proteins expression that is specific for each S. aureus clonal complex (CC). Altogether, these studies emphasize the importance of investigating the potential impact of SNPs inside IGRs on gene expression and specific bacterial traits, such as pathogen colonization success.

  • English

    En esta tesis, nos hemos centrado en estudiar variantes encontradas en IGR adyacentes a los genes más importantes implicados en la formación de biopelículas de S. aureus; el locus icaADBCR y los genes que codifican la familia de adhesinas de superficie. Para este propósito, secuenciamos el genoma completo de una colección de 71 aislamientos de S. aureus de infecciones de articulaciones periprotésicas (PJI) e infecciones de heridas almacenadas en el Laboratorio de Bacteriología Clínica del Hospital Universitario Sahlgrenska y en la Colección de Cultivos de la Universidad de Gotemburgo (CCUG) , respectivamente. En el primer capítulo, exploramos las regiones reguladoras del locus icaADBCR para identificar patrones que podrían estar asociados con una mayor capacidad de los aislamientos para producir PIA/PNAG y formar una biopelícula. Este estudio comparó las regiones reguladoras del locus icaADBCR en los genomas de PJI y aislamientos de heridas con las del genoma de la cepa de referencia MW2. A partir de estos análisis, las cepas se agruparon en función de los SNP que se encuentran en los IGR del operón y también dentro de la región codificante del regulador transcripcional IcaR. Estas regiones mostraron altas tasas de conservación y no se detectó ningún patrón asociado con el origen de los aislamientos, ya sea IAP o heridas. Por otro lado, usando fusiones transcripcionales entre la región reguladora del locus icaADBCR y el gen de la proteína verde fluorescente (gfp), demostramos que la expresión de los genes icaADBC no se vio afectada por la presencia de variaciones en los IGR. En particular, un SNP dentro de la región codificante de icaR, que da como resultado un cambio de aminoácido en el represor transcripcional IcaR V176E, condujo a un aumento significativo en la transcripción del operón icaADBC y la producción de PIA/PNAG. Usando un modelo de infección de Galleria mellonella, pudimos demostrar una reducción significativa en la virulencia de S. aureus asociada con el aumento en la producción de PIA/PNAG. En el segundo capítulo, nos enfocamos en analizar la asociación entre SNPs en las regiones promotoras de genes que codifican proteínas relacionadas con la adhesión con niveles de expresión de adhesinas y por lo tanto, la capacidad de la cepa para adherirse a dispositivos médicos. Los análisis del genoma de PJI y aislamientos de heridas mostraron diferentes perfiles en el contenido de genes que codifican adhesinas. Algunos de estos, como sasG y cna, estaban asociados con el linaje, y quince genes estaban presentes en toda la colección de cepas. Cuando se investigó la variabilidad en los SNPs contenidos en las regiones reguladoras que controlan la expresión de cada adhesina, se encontraron diferentes tasas de variación entre los aislados. Siguiendo el mismo enfoque que en el capítulo I, basado en fusiones transcripcionales entre las regiones reguladoras y el gen gfp, los resultados mostraron que cada linaje genético contenía un perfil específico de expresión de adhesinas en las mismas condiciones ambientales. Además, desarrollamos un modelo de infección murina asociada a biomaterial junto con un análisis metagenómico para comparar simultáneamente la capacidad de diferentes aislados de S. aureus para colonizar implantes médicos. En resumen, nuestros resultados evidenciaron que los SNP en los IGR que flanquean los genes que codifican factores importantes para el desarrollo de biopelículas pueden contribuir a la generación de variabilidad en la capacidad de S. aureus para colonizar implantes médicos. En particular, nuestros resultados revelaron que los IGR que controlan la expresión del locus icaADBC y la producción del exopolisacárido PIA/PNAG están altamente conservados y que se pueden detectar muy pocos SNP silenciosos entre cepas. Por el contrario, los SNP en los IGR de genes que codifican adhesinas de superficie proporcionan un perfil de expresión de proteínas que es específico para cada complejo clonal (CC) de S. aureus. En conjunto, estos estudios enfatizan la importancia de investigar el impacto potencial de los SNP dentro de los IGR en la expresión génica y rasgos bacterianos específicos, como el éxito de la colonización de patógenos. nuestros resultados revelaron que los IGR que controlan la expresión del locus icaADBC y la producción del exopolisacárido PIA/PNAG están altamente conservados y que se pueden detectar muy pocos SNP silenciosos entre cepas. Por el contrario, los SNP en los IGR de genes que codifican adhesinas de superficie proporcionan un perfil de expresión de proteínas que es específico para cada complejo clonal (CC) de S. aureus. En conjunto, estos estudios enfatizan la importancia de investigar el impacto potencial de los SNP dentro de los IGR en la expresión génica y rasgos bacterianos específicos, como el éxito de la colonización de patógenos. nuestros resultados revelaron que los IGR que controlan la expresión del locus icaADBC y la producción del exopolisacárido PIA/PNAG están altamente conservados y que se pueden detectar muy pocos SNP silenciosos entre cepas. Por el contrario, los SNP en los IGR de genes que codifican adhesinas de superficie proporcionan un perfil de expresión de proteínas que es específico para cada complejo clonal (CC) de S. aureus. En conjunto, estos estudios enfatizan la importancia de investigar el impacto potencial de los SNP dentro de los IGR en la expresión génica y rasgos bacterianos específicos, como el éxito de la colonización de patógenos.