Methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) is an important human pathogen that is endemic in hospitals all over the world. It has more recently emerged as a serious threat to the general public in the form of community-acquired MRSA. MRSA has been implicated in a wide variety of diseases, ranging from skin infections and food poisoning to more severe and potentially fatal conditions, including; endocarditis, septicaemia and necrotising pneumonia. Treatment of MRSA disease is complicated and can be unsuccessful due to the bacterium's remarkable ability to develop antibiotic resistance. The considerable economic and public health burden imposed by MRSA has fuelled attempts by researchers to understand the evolution of virulent and antibiotic resistant strains and thereby improve epidemiological management strategies. Central to MRSA transmission management strategies is the implementation of active surveillance programs, via which unique genetic fingerprints, or genotypes, of each strain can be identified. Despite numerous advances in MRSA genotyping methodology, there remains a need for a rapid, reproducible, cost-effective method that is capable of producing a high level of genotype discrimination, whilst being suitable for high throughput use. Consequently, the fundamental aim of this thesis was to develop a novel MRSA genotyping strategy incorporating these benefits. This thesis explored the possibility that the development of more efficient genotyping strategies could be achieved through careful identification, and then simple interrogation, of multiple, unlinked DNA loci that exhibit progressively increasing mutation rates. The baseline component of the MRSA genotyping strategy described in this thesis is the allele-specific real-time PCR interrogation of slowly evolving core single nucleotide polymorphisms (SNPs). The genotyping SNP set was identified previously from the Multi-locus sequence typing (MLST) sequence database using an in-house software package named Minimum SNPs. As discussed in Chapter Three, the genotyping utility of the SNP set was validated on 107 diverse Australian MRSA isolates, which were largely clustered into groups of related strains as defined by MLST. To increase the resolution of the SNP genotyping method, a selection of binary virulence genes and antimicrobial resistance plasmids were tested that were successful at sub typing the SNP groups. A comprehensive MRSA genotyping strategy requires characterisation of the clonal background as well as interrogation of the hypervariable Staphylococcal Cassette Chromosome mec (SCCmec) that carries the β-lactam resistance gene, mecA. SCCmec genotyping defines the MRSA lineages; however, current SCCmec genotyping methods have struggled to handle the increasing number of SCCmec elements resulting from a recent explosion of comparative genomic analyses. Chapter Four of this thesis collates the known SCCmec binary marker diversity and demonstrates the ability of Minimum SNPs to identify systematically a minimal set of binary markers capable of generating maximum genotyping resolution. A number of binary targets were identified that indeed permit high resolution genotyping of the SCCmec element. Furthermore, the SCCmec genotyping targets are amenable for combinatorial use with the MLST genotyping SNPs and therefore are suitable as the second component of the MRSA genotyping strategy. To increase genotyping resolution of the slowly evolving MLST SNPs and the SCCmec binary markers, the analysis of a hypervariable repeat region was required. Sequence analysis of the Staphylococcal protein A (spa) repeat region has been conducted frequently with great success. Chapter Five describes the characterisation of the tandem repeats in the spa gene using real-time PCR and high resolution melting (HRM) analysis. Since the melting rate and precise point of dissociation of double stranded DNA is dependent on the size and sequence of the PCR amplicon, the HRM method was used successfully to identify 20 of 22 spa sequence types, without the need for DNA sequencing. The accumulation of comparative genomic information has allowed the systematic identification of key MRSA genomic polymorphisms to genotype MRSA efficiently. If implemented in its entirety, the strategy described in this thesis would produce efficient and deep-rooted genotypes. For example, an unknown MRSA isolate would be positioned within the MLST defined population structure, categorised based on its SCCmec lineage, then subtyped based on the polymorphic spa repeat region. Overall, by combining the genotyping methods described here, an integrated and novel MRSA genotyping strategy results that is efficacious for both long and short term investigations. Furthermore, an additional benefit is that each component can be performed easily and cost-effectively on a standard real-time PCR platform.

Staphylococcus aureus est une bactérie commensale et pathogène qui s’est rapidement adaptée à la pression sélective des antibiotiques entraînant la diffusion de souches résistantes à la méticilline (MRSA). En Belgique, des souches appelées Healthcareassociated (HA)-MRSA sont devenues endémiques dans les hôpitaux, causant de nombreuses épidémies durant les années 90.<p>Parallèlement, des cas d’infections communautaires par des souches appelées Community-associated (CA)-MRSA produisant la leucocidine de Panton-Valentine (PVL) ont été rapportées en Europe, en Australie et aux USA, chez des patients jeunes sans contact avec les institutions de soins. Depuis 2005, une prévalence élevée de portage de MRSA a été observée chez les porcs, les éleveurs et les vétérinaires aux Pays-Bas et dans les pays voisins. Ces souches dites Livestock-associated (LA)-MRSA montrent une origine génétique distincte des souches humaines précédemment décrites.<p>Nos travaux de recherche ont porté sur l’épidémiologie et la caractérisation moléculaire de la colonisation et l’infection par S. aureus dans diverses populations humaines en Belgique afin d’élucider :1) l’évolution de la distribution spatio-temporelle des clones épidémiques de MRSA parmi les patients hospitalisés au cours de la période de 1995 à 2003 ;2) les mécanismes moléculaires de résistance aux antibiotiques associés à ces clones ;3) les relations phylogénétiques entre souches de S. aureus sensibles et résistantes à la méticilline parmi les patients hospitalisés afin d’identifier l’origine probable des clones épidémiques ;4) la prévalence et les facteurs de risque de portage de MRSA parmi les résidents des maisons de repos et l’origine de ces souches ;5) l’origine des souches de CA-MRSA et les profils cliniques des infections associées ;6) la prévalence et les facteurs de risque associés au portage de MRSA et la diffusion des souches de MRSA dans les fermes d’élevage porcin.<p>Des enquêtes multicentriques nous ont permis de caractériser les souches de S. aureus résistantes et sensibles à la méticilline affectant les patients hospitalisés (4 enquêtes, 1995 -2003), les patients ambulants (1 enquête, 2002-2004), les résidents dans des maisons de repos et de soins (1 enquête en 2005) et les habitants des fermes d’élevage porcin (1 enquête en 2007). Ces souches ont été caractérisées par détermination du type de cassette mec (SCCmec typing), séquençage d’un gène hypervariable (spa typing) et de 7 gènes de ménage (multi-locus sequence typing, MLST), combinées à l’analyse par électrophorèse en champs pulsé (PFGE) du profil de acrorestriction génomique. Les gènes codant pour trois classes d’antibiotiques et les toxines, PVL, TSST-1 et exfoliatines, ont été recherchés par PCR.<p>L’étude des souches de MRSA a montré une diversification importante des clones dans les hôpitaux, avec le remplacement d’un clone multi-résistant par des clones plus sensibles aux antibiotiques. La distribution des gènes de résistance ainsi que du gène TSST-1 était fortement liée au génotype. Les S. aureus sensibles à la méticilline (MSSA) montraient une plus grande diversité génotypique que les MRSA. La majorité des MRSA épidémiques appartient à des génotypes endémiques de MSSA, suggérant la possibilité d’émergence locale de MRSA par acquisition récente de l’élément mobile SCCmec.<p>D’autres souches de génotypes pandémiques pourraient avoir été importées en Belgique. L’enquête dans les maisons de repos et de soins a montré une prévalence élevée de résidents porteurs de MRSA. L’exposition aux antibiotiques, les lésions cutanées, la perte de mobilité, l’absence de formulaire thérapeutique et de procédures d’hygiène pour le contrôle du MRSA, associée à un nombre élevé de médecins, augmentaient significativement le risque de portage. La présence des mêmes génotypes dans les hôpitaux et les maisons de repos d’une même province suggère des transferts locaux de MRSA entre patients résidant dans et circulant entre ces secteurs de soins.<p>Les souches de CA-MRSA productrices de toxine PVL importées ou acquises en Belgique appartiennent à divers génotypes. La présence de MRSA de même lignée clonale mais présentant des profils de virulence différents clonale dans les institutions de soins et dans la population générale suggère que ces souches ont évolué de manière divergente dans des environnements différents.<p>Nous avons documenté une prévalence très élevée de porteurs de MRSA de génotype ST398 chez les éleveurs de porcs. Le réservoir de ce clone est très probablement d’origine animale, la transmission à l’homme ayant lieu par contact avec des animaux d’élevage ou de compagnie et potentiellement, par voie alimentaire.<p>En conclusion, S. aureus est un pathogène capable de s’adapter dans des environnements très différents. Les souches épidémiques résistantes aux antibiotiques, qu’elles soient d’origine hospitalière, communautaire ou animale, appartiennent à un nombre limité de génotypes bien établis dans chaque écosystème au niveau local ou régional. L’étude approfondie de la dynamique de transmission des MRSA, et de leur profil de résistance dans la communauté, les secteurs des soins aigus et chroniques et l’élevage, est indispensable pour définir les stratégies cliniques et de santé publique pour adapter les schémas thérapeutiques et endiguer l’endémie d’infections à MRSA.<p> / Doctorat en Sciences médicales / info:eu-repo/semantics/nonPublished

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Horizontal gene transfer enables acquisition and dissemination of novel traits including antibiotic resistance and virulence among bacteria. Frequently such traits are gained through the acquisition of clusters of functionally related genes, often referred to as genomic islands (GIs). Quantifying horizontal flow of GIs and assessing their contributions to the emergence and evolution of novel metabolic traits in bacterial organisms are central to understanding the evolution of bacteria in general and the evolution of pathogenicity and antibiotic resistance in particular, a focus of this dissertation study. Methods for GI detection have also evolved with advances in sequencing and bioinformatics, however, comprehensive assessment of these methods has been lacking. This motivated us to assess the performance of current methods for identifying islands on broad datasets of well-characterized bacterial genomes and synthetic genomes, and leverage this information to develop a novel approach that circumvents the limitations of the current state-of-the-art in GI detection. The main findings from our assessment studies were 1) the methods have complementary strengths, 2) a gene-clustering method utilizing codon usage bias as the discriminant criterion, namely, JS-CB, is most efficient in localizing genomic islands, specifically the well-studied SCCmec resistance island in methicillin resistant Staphylococcus aureus (MRSA) genomes, and 3) in general, the bottom up, gene by gene analysis methods, are inherently limited in their ability to decipher large structures such as GIs as single entities within bacterial genomes. We adapted a top-down approach based on recursive segmentation and agglomerative clustering and developed a GI prediction tool, GEMINI, which combined compositional features with segment context information to localize GIs in the Liverpool epidemic strain of Pseudomonas aeruginosa. Application of GEMINI to the genome of P. aeruginosa LESB58 demonstrated its ability to delineate experimentally verified GIs in the LESB58 genome. GEMINI identified several novel islands including pathogenicity islands and revealed the mosaic structure of several LESB58 harbored GIs. A new GI identification approach, CAFE, with broad applicability was developed. CAFE incorporates biological information encoded in a genome within the statistical framework of segmentation and clustering to more robustly localize GIs in the genome. CAFE identifies genomic islands lacking markers by virtue of their association with genomic islands with markers originating from the same source. This is made possible by performing marker enrichment and phyletic pattern analyses within the integrated framework of recursive segmentation and clustering. CAFE compared favorably with frequently used methods for genomic island detection on synthetic test datasets and on a test-set of known islands from 15 well-characterized bacterial species. These tools can be readily adapted for cataloging GIs in just sequenced, yet uncharacterized genomes.

The thesis describes over-expression, purification and crystallization of three proteins from Staphylococcus aureus (S. aureus). S. aureus is an important human pathogen and methicillin-resistant S. aureus (MRSA) is a serious problem in hospitals nowadays. The crystal structure of 3-Methyladenine DNA glycosylase I (TAG) was determined by single-wavelength anomalous diffraction (SAD) method. TAG is responsible for DNA repair and is an essential gene for both MRSA and methicilin-susceptible S. aureus (MSSA). The structure was also determined in complex with 3-methyladenine (3-MeA) and was solved using molecular replacement (MR) method. An assay was carried out and the molecular basis of discrimination between 3-MeA and adenosine was determined. The native crystal structure of fructose 1-phosphate kinase (PFK) from S. aureus was determined to 2.30 Å and solved using molecular replacement method. PFK is an essential enzyme involved in the central metabolism of MRSA. Despite extensive efforts no co-complex was determined, although crystals were obtained they diffracted poorly. An assay which can be used to test for inhibitors has been developed. Mevalonate Kinase (MK) is another essential enzyme in MRSA and is a key drug target in the mevalonate pathway. Native data diffracting to 2.2 Å was collected. The structure was solved using multiple isomorphorus replacement (MIR) method. A citrate molecule was bound at the MK active site, arising from the crystallization condition. The citrate molecule indicates how substrate might bind. The protein was kinetically characterized. A thermodynamic analysis using fluorescence-based method was carried out on each protein to investigate binding interactions of potential fragments and thus a drug design starting point.

La prévalence du Staphylococcus aureus résistant à la méthicilline (SARM) a augmenté de façon dramatique dans les dernières années chez les patients atteints de fibrose kystique. Quoique le rôle du SARM dans la pathogénèse de l’atteinte respiratoire de la fibrose kystique ne soit pas clairement déterminé, certaines études récentes ont suggéré une association entre la persistance du SARM et le déclin accéléré de la fonction respiratoire. Cependant, l’importance clinique des diverses souches qui colonisent les patients atteints de fibrose kystique n’a pas encore été élucidée. Les objectifs de ce mémoire étaient de déterminer les effets d’une colonisation persistante par un SARM sur le statut clinique et respiratoire des enfants atteints de fibrose kystique. Également, nous tenions à étudier les caractéristiques des différentes souches de SARM dans cette population. Nous avons réalisé une étude rétrospective en analysant les données cliniques ainsi que les mesures de la fonction respiratoire chez les enfants atteints de fibrose kystique suivis à la Clinique de fibrose kystique du CHU Sainte-Justine entre 1996 et 2008 et ayant une colonisation persistante par un SARM. Afin de déterminer les souches qui colonisent cette population, nous avons effectué une caractérisation moléculaire des isolats du SARM. Nous avons identifié 22 patients avec une colonisation persistante par un SARM. Les résultats n’ont démontré aucun changement significatif en ce qui concernait le taux de déclin de la fonction respiratoire avant ou après l’acquisition du SARM. Cependant, la colonisation persistante par un SARM était associée à une augmentation du nombre d’hospitalisations pour une exacerbation pulmonaire. La plupart de nos patients étaient colonisés par le CMRSA-2, une souche épidémique au Canada. La présente étude suggère que la souche épidémique CMRSA-2 pouvait affecter l’évolution clinique des enfants atteints de fibrose kystique. / Over the last several years, the prevalence of methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) has increased dramatically among cystic fibrosis (CF) patients. Although the exact role of MRSA in the pathogenesis of lung disease has not been clearly established, some studies suggest an association between persistent infection with MRSA and a more rapid rate of decline in lung function. It is uncertain whether all MRSA strains that infect CF patients are clinically important. The objectives of this thesis is to determine the effects of persistent MRSA on the clinical status and the lung function in children followed at the CF clinic at CHU Sainte-Justine and to characterize the MRSA strains in this population. We reviewed lung function measurements from subjects with persistent MRSA followed at our clinic between years 1996 and 2008. The first isolate from each patient was further characterized by molecular analysis. The results of the present study showed no significant difference for the rate of decline in lung function prior to and after MRSA colonization. However MRSA colonization was associated with an increased number of severe respiratory exacerbations requiring hospitalization. CMRSA-2, an epidemic clone in Canada, was found in the majority of our patients. This study suggests that persistent colonization with CMRSA-2 may affect the clinical outcome of children with cystic fibrosis.

Le Staphylococcus aureus résistant à la méthicilline (SARM) est un enjeu majeur en santé publique. Il est responsable d’une grande variété d’infections. Les “Livestock Associated-MRSA” (LA-MRSA) sont des SARM ayant comme origine les animaux de production tels le porc ou la volaille. Ils constituent un risque de transmission à l’humain via la chaîne alimentaire. Les LA-MRSA peuvent former du biofilm ce qui augmente leur tolérance aux stress environnementaux. Le biofilm est partiellement régulé par le système Agr. Il n’existe aucune donnée sur les ‘LA-MRSA’ d’origine aviaire au Québec. Les objectifs de ce projet étaient : (i) de déterminer la prévalence de ces SARM dans la viande de poulet et le poulet à griller de la province de Québec et (ii) de caractériser les isolats retrouvés. La collecte d’échantillons s’est effectuée dans 43 épiceries (309 cuisses et pilons de poulet) et dans deux abattoirs (échantillons nasaux et fécaux de 200 poulets) de la Montérégie. La prévalence de SARM a été évaluée à 1.29% (IC 95%: 0.35-3.28) et 0% dans la viande et les oiseaux respectivement. Les isolats testés se sont révélés résistants aux bêta-lactamines (n=15), à la tétracycline (n=10), à l’oxytétracycline (n=10), à la spectinomycine (n=10) et à la tobramycine (n=1). Le typage a révélé deux clones différents (ST398-V, n=10; et ST8-IVa ’USA300’, n=5). La présence de gènes de résistance aux antibiotiques (blaZ, blaR, blaI, erm(A), lnu(A), aad(D), fosB, tet(K), tet(L) et spc) ainsi que plusieurs gènes codant pour l’évasion du système immunitaire (IEC), la production de toxines ou encore pour la production de biofilm ont aussi été détectés. Une forte production de biofilm a été observée pour la majorité des isolats (n=11) à l’exception de certains isolats ST398. Le taux d’expression du système Agr n’a révélé aucune différence particulière entre les SARM testés. Pour conclure, nos données indiquent une faible prévalence de SARM chez la volaille et la viande de poulet. Les isolats ont été catégorisés en deux génotypes, dont un portant plus de gènes de résistance aux antibiotiques (ST398) et l’autre possédant plus de gènes de virulence (ST8). / Methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) is of critical concern for public health. It is responsible for a wide range of infections. Livestock-Associated MRSA (LA-MRSA) refers to MRSA of animal origin, like pork, cattle or poultry, and constitutes a risk for transmission to humans. LA-MRSA can also form biofilms enhancing their environmental survival. Biofilms are partly regulated by the Agr system. There is no data on LA-MRSA of poultry origin from Québec, Canada. The objectives of this project were: (i) to determine the prevalence of LA-MRSA from chicken meat and broiler chickens from the Province of Quebec, and (ii) to molecular characterize these MRSA. A total of 309 chicken drumsticks and thighs were randomly collected. In addition, nasal swabs and caeca samples from 200 chickens were randomly collected at slaughterhouses. LA-MRSA was recovered from 1.29% (95% CI: 0.35-3.28) of chicken meat samples but none were recovered from poultry. Antibiotic susceptibility testing revealed resistances to beta-lactam antibiotics (n=15), tetracycline (n=10), oxytetracycline (n=10), spectinomycin (n=10) and tobramycin (n=1). Molecular typing revealed two types of clones (ST398-V, n=10; and ST8-IVa ’USA300’, n=5). DNA microarrays determined the presence of the antibiotic resistant genes blaZ, blaR, blaI, erm(A), lnu(A), aad(D), fosB, tet(K), tet(L) and spc. In addition, genes encoding for toxins, biofilm formation and the human-associated Immune-Evasion-Cluster (IEC) were also detected. High biofilm production was observed in most isolates (n=11) with the exception of some ST398. Quantitative PCR of Agr expression revealed no specific difference among MRSA isolates. To conclude, our data show that the prevalence of the MRSA lineages ST398 and ST8 is low in broilers and chicken meat in the Province of Quebec. ST398 demonstrated more antibiotic resistant genes while ST8 harboured more virulence genes.

La prévalence du Staphylococcus aureus résistant à la méthicilline (SARM) a augmenté de façon dramatique dans les dernières années chez les patients atteints de fibrose kystique. Quoique le rôle du SARM dans la pathogénèse de l’atteinte respiratoire de la fibrose kystique ne soit pas clairement déterminé, certaines études récentes ont suggéré une association entre la persistance du SARM et le déclin accéléré de la fonction respiratoire. Cependant, l’importance clinique des diverses souches qui colonisent les patients atteints de fibrose kystique n’a pas encore été élucidée. Les objectifs de ce mémoire étaient de déterminer les effets d’une colonisation persistante par un SARM sur le statut clinique et respiratoire des enfants atteints de fibrose kystique. Également, nous tenions à étudier les caractéristiques des différentes souches de SARM dans cette population. Nous avons réalisé une étude rétrospective en analysant les données cliniques ainsi que les mesures de la fonction respiratoire chez les enfants atteints de fibrose kystique suivis à la Clinique de fibrose kystique du CHU Sainte-Justine entre 1996 et 2008 et ayant une colonisation persistante par un SARM. Afin de déterminer les souches qui colonisent cette population, nous avons effectué une caractérisation moléculaire des isolats du SARM. Nous avons identifié 22 patients avec une colonisation persistante par un SARM. Les résultats n’ont démontré aucun changement significatif en ce qui concernait le taux de déclin de la fonction respiratoire avant ou après l’acquisition du SARM. Cependant, la colonisation persistante par un SARM était associée à une augmentation du nombre d’hospitalisations pour une exacerbation pulmonaire. La plupart de nos patients étaient colonisés par le CMRSA-2, une souche épidémique au Canada. La présente étude suggère que la souche épidémique CMRSA-2 pouvait affecter l’évolution clinique des enfants atteints de fibrose kystique. / Over the last several years, the prevalence of methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) has increased dramatically among cystic fibrosis (CF) patients. Although the exact role of MRSA in the pathogenesis of lung disease has not been clearly established, some studies suggest an association between persistent infection with MRSA and a more rapid rate of decline in lung function. It is uncertain whether all MRSA strains that infect CF patients are clinically important. The objectives of this thesis is to determine the effects of persistent MRSA on the clinical status and the lung function in children followed at the CF clinic at CHU Sainte-Justine and to characterize the MRSA strains in this population. We reviewed lung function measurements from subjects with persistent MRSA followed at our clinic between years 1996 and 2008. The first isolate from each patient was further characterized by molecular analysis. The results of the present study showed no significant difference for the rate of decline in lung function prior to and after MRSA colonization. However MRSA colonization was associated with an increased number of severe respiratory exacerbations requiring hospitalization. CMRSA-2, an epidemic clone in Canada, was found in the majority of our patients. This study suggests that persistent colonization with CMRSA-2 may affect the clinical outcome of children with cystic fibrosis.

The literature directly comparing the epidemiology of MRSA among adult and pediatric hospitalized patients is strikingly minimal. The objective of this thesis was to identify any differences between these two patient groups. The Canadian Nosocomial Infections Surveillance Program MRSA data (1995 to 2007: n=1,262 pediatric and 35,907 adult cases) were used to compare MRSA clinical and molecular characteristics and rates. Hospital characteristics were modeled using repeated measures Poisson regressions. The molecular and epidemiological characteristics of MRSA differed significantly between adults and children. Compared to children, MRSA in adults was more likely to be healthcare-associated, colonization, SCCmec type II, PVL negative, and resistant to most antibiotics. Rates of MRSA in Canada increased in both populations over time but were significantly higher in adults. The hospital characteristics associated with increased MRSA rates differed in adult and pediatric facilities. Implications for infection prevention and control strategies are discussed.