コアグラーゼ陰性ブドウ球菌の種内および種間での広範な水平遺伝子移動

Extensive horizontal gene transfer within and between species of coagulase-negative Staphylococcus.

抄録

グラム陽性菌であるスタフィロコッカス属は、これまで、コアグラーゼタンパク質の診断上の表示に基づいて、コアグラーゼ陽性スタフィロコッカス（CoPS）とコアグラーゼ陰性スタフィロコッカス（CoNS）に分類されてきた。これまでの研究で、CoPSの代表的な種であるStaphylococcus aureusでは、遺伝子の水平伝播（HGT）と組み換えの重要性が指摘されているが、CoNSの進化にこれらのプロセスがどのように寄与しているかについてはほとんど知られていない。本研究では、ヒトの主要な日和見病原体として認識されるようになったCoNSの系統関係、ゲノム上の特徴、HGTの頻度を明らかにすることを目的とした。我々は、一般に公開されている名前付きCoNSのゲノム1,876本のデータセットを作成した。これらは、462個のコア遺伝子の対立遺伝子の違いと、アクセサリー遺伝子の含有量の違いに基づいて、55種に分類される。CoNSの種は、多様なクラスの抗菌剤に対する耐性に関連する移転可能な遺伝子の貯蔵庫である。また、メチシリン耐性決定因子mecAを持つ移動性遺伝要素SCCmecが9種類確認された。その他にも、重金属への耐性に関連する遺伝子、病原性やバイオフィルム形成に関連する表面関連タンパク質、VII型分泌システム、鉄の捕獲、組み換え、代謝酵素などが頻繁に導入されていた。組み換えられたDNA断片の受領と提供の頻度が最も高かったのは、Staphylococcus capitis、Staphylococcus caprae、Staphylococcus hominis、Staphylococcus haemolyticus、およびSaprophyticus種グループのメンバーであった。組換え率の変化や伝達相手の偏りは、特定のCoNS種が遺伝子フローのハブとして機能し、属全体の遺伝的多様性の主要な貯蔵庫となっていることを示唆している。

Members of the gram-positive bacterial genus Staphylococcus have historically been classified into coagulase-positive Staphylococcus (CoPS) and coagulase-negative Staphylococcus (CoNS) based on the diagnostic presentation of the coagulase protein. Previous studies have noted the importance of horizontal gene transfer (HGT) and recombination in the more well-known CoPS species Staphylococcus aureus, yet little is known of the contributions of these processes in CoNS evolution. In this study, we aimed to elucidate the phylogenetic relationships, genomic characteristics and frequencies of HGT in CoNS, which are now being recognized as major opportunistic pathogens of humans. We compiled a dataset of 1,876 publicly available named CoNS genomes. These can be delineated into 55 species based on allele differences in 462 core genes and variation in accessory gene content. CoNS species are a reservoir of transferrable genes associated with resistance to diverse classes of antimicrobials. We also identified nine types of the mobile genetic element SCCmec, which carries the methicillin resistance determinant mecA. Other frequently transferred genes included those associated with resistance to heavy metals, surface-associated proteins related to virulence and biofilm formation, type VII secretion system, iron capture, recombination and metabolic enzymes. The highest frequencies of receipt and donation of recombined DNA fragments were observed in Staphylococcus capitis, Staphylococcus caprae, Staphylococcus hominis, Staphylococcus haemolyticus and members of the Saprophyticus species group. The variable rates of recombination and biases in transfer partners imply that certain CoNS species function as hubs of gene flow and major reservoir of genetic diversity for the entire genus.