Ecological geneticsEcological geneticsЭкологическая генетика1811-09322411-9202Eco-Vector751810.17816/ecogen1624-10Genetic basis of ecosystems evolutionГенетические основы эволюции экосистемResearch ArticleProteome dynamics of antibiotic resistant Staphylococcus aureus strains exposed to sub-inhibitory concentrations of beta-lactamsДинамика протеома антибиотикорезистентных штаммов Staphylococcus aureus при воздействии субингибирующих концентраций бета-лактамных антибиотиковhttps://orcid.org/0000-0002-7825-273X6019-1547SopovaJulia V.СоповаЮлия Викторовна
Russian Federation

PhD, Researcher, Laboratory of Genetic Models of Human Diseases

Кандидат биологических наук, научный сотрудник лаборатории генетического моделирования заболеваний человека

sopova@hotmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-3480-80892431-6231GostevVladimir V.ГостевВладимир Валерьевич
Russian Federation

Researcher, PhD, Department of Medical Microbiology and Molecular Epidemiology

кандидат биологических наук, научный сотрудник

guestvv11@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-1419-90688915-2053KalinogorskayaOlga S.КалиногорскаяОльга Серафимовна
Russian Federation

Researcher, PhD, Department of Medical Microbiology and Molecular Epidemiology

кандидат медицинских наук, научный сотрудник

kalinogorskaya@bk.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4666-21257865-8322LykholayAnna N.ЛыхолайАнна Николаевна
Russian Federation

MALDI Mass-Spectrometry and Chromatography Specialist, Research Resource Center for Molecular and Cell Technologies

специалист по МАЛДИ масс-спектрометрии и хроматографии, ресурсный центр «Развитие молекулярных и клеточных технологий».

a.lykholay@spbu.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3550-78757738-7060SidorenkoSergey V.СидоренкоСергей Владимирович
Russian Federation

Professor, Head, Department of Medical Microbiology and Molecular Epidemiology

д-р биол. наук, профессор, заведующий отделом, отдел медицинской микробиологии и молекулярной эпидемиологии

sidorserg@gmail.comSt. Petersburg branch of Vavilov Institute of General Genetics, Russian Academy of SciencesСанкт-Петербургский филиал Института общей генетики им. Н.И.Вавилова РАНSaint Petersburg State UniversityФГБУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет»Pediatric Research and Clinical Center for Infectious DiseasesФГБУ «Детский научно-клинический центр инфекционных болезней»150620181624101112201713062018Copyright ©; 2018, Sopova J.V., Gostev V.V., Kalinogorskaya O.S., Lykholay A.N., Sidorenko S.V.Copyright ©; 2018, Сопова Ю.В., Гостев В.В., Калиногорская О.С., Лыхолай А.Н., Сидоренко С.В.2018Sopova J.V., Gostev V.V., Kalinogorskaya O.S., Lykholay A.N., Sidorenko S.V.Сопова Ю.В., Гостев В.В., Калиногорская О.С., Лыхолай А.Н., Сидоренко С.В.http://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.eco-vector.com/ecolgenet/article/view/7518

Background. Ceftaroline is one of the first cephalosporins with activity against methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA), it effectively binds to and inhibits penicillin-binding protein 2a (PBP2a). However, isolates with decreased susceptibility to ceftaroline were reported before the commercial release of the antibiotic.

The aim of this study was to provide an overview of the proteome changes occurring in MRSA isolates resistant to ceftaroline in response to sub-inhibitory concentrations of cell-wall active antibiotics.

Materials and methods. Ceftaroline-resistant mutants were generated from two MRSA SA0077 and SA0422 isolates belonging to ST8-t008-SCCmec IV genetic lineage (sequence type 8, spa type t008, staphylococcal chromosomal cassette mec type IV) and one MRSA isolate SA0085 belonging to ST239-t631-SCCmec III genetic lineage (sequence type 239, spa type t631, staphylococcal chromosomal cassette mec type III). Proteome response of parental and mutant strains to sub-inhibitory concentration of beta-lactams and vancomycin was analyzed.

Results. The protein patterns revealed significant increase of 30 кDа band in mutant strains under induction by meropenem, no changes were observed in parental strains or under induction with other antibiotics. According to MS analysis, three proteins represented the band of the mutant strain in absence of meropenem induction. However, under meropenem induction additional protein was detected (BlaZ).

Conclusion. The cross talk between two systems with overlapping functions involved in transcription control of PBP2a and BlaZ ensure ceftaroline resistant phenotype.

Устойчивость к цефтаролину — новому антибиотику семейства цефалоспоринов — была обнаружена у клинических изолятов метициллинрезистентных Staphylococcus aureus, выделенных еще до внедрения антибиотика в медицинскую практику. Для выявления механизмов формирования устойчивости к новому антибиотику было проведено сравнение белковых профилей мутантов, устойчивых к цефтаролину, при воздействии субингибирующими концентрациями бета-лактамных антибиотиков и ванкомицина. Обнаружено, что индукция меропенемом приводит к экспрессии стафилококковой бета-лактамазы у мутантных штаммов, устойчивых к цефтаролину. При индукции другими антибиотиками, а также у исходных штаммов экспрессии бета-лактамазы не отмечали.

antibioticsproteomeMRSAантибиотикипротеомметициллинрезистентные штаммы Staphylococcus aureus (MRSA)Russian Science FoundationРоссийский научный фондИсследование выполнено за счёт гранта Российского научного фонда (проект№15-15-00185) Исследование проведено с использованием оборудования ресурсного центра «Развитие молекулярных и клеточных технологий» СПбГУ.Исследование выполнено за счёт гранта Российского научного фонда (проект№15-15-00185) Исследование проведено с использованием оборудования ресурсного центра «Развитие молекулярных и клеточных технологий» СПбГУ.1. Who.int [Internet]. Geneva: World Health Organization. Antibacterial agents in clinical development: an analysis of the antibacterial clinical development pipeline, including tuberculosis. [cited 2017 Sep 21] Available from: http://www.who.int/medicines/areas/rational_use/antibacterial_agents_clinical_development/en/.2. Jevons MP. Celbenin-resistant Staphylococci. BMJ. 1961;(1):124-125.3. Kirby WM. Extraction of a Highly Potent Penicillin Inactivator from Penicillin Resistant Staphylococci. Science. 1944;99(2579):452-453. doi: 10.1126/science.99.2579.452.4. Harkins CP, Pichon B, Doumith M, et al. Methicillin-resistant Staphylococcus aureus emerged long before the introduction of methicillin into clinical practice. Genome Biol. 2017;18(1):130. doi: 10.1186/s13059-017-1252-9.5. Acar JF, Courvalin P, Chabbert YA. Methicillin-resistant staphylococcemia: bacteriological failure of treatment with cephalosporins. Antimicrob Agents Chemother (Bethesda). 1970;10:280-285.6. Laudano JB. Ceftaroline fosamil: a new broad-spectrum cephalosporin. J Antimicrob Chemother. 2011;66 Suppl 3:iii11-18. doi: 10.1093/jac/dkr095.7. Otero LH, Rojas-Altuve A, Llarrull LI, et al. How allosteric control of Staphylococcus aureus penicillin binding protein 2a enables methicillin resistance and physiological function. Proc Natl Acad Sci USA. 2013;110(42):16808-16813. doi: 10.1073/pnas.1300118110.8. Kelley WL, Jousselin A, Barras C, et al. Missense mutations in PBP2A Affecting ceftaroline susceptibility detected in epidemic hospital-acquired methicillin-resistant Staphylococcus aureus clonotypes ST228 and ST247 in Western Switzerland archived since 1998. Antimicrob Agents Chemother. 2015;59(4):1922-30. doi: 10.1128/AAC.04068-14.9. Lahiri SD, Alm RA. Potential of Staphylococcus aureus isolates carrying different PBP2a alleles to develop resistance to ceftaroline. J Antimicrob Chemother. 2016;71(1):34-40. doi: 10.1093/jac/dkv329.10. Гостев В.В., Калиногорская О.С., Дмитренко О.А., и др. Молекулярные механизмы снижения чувствительности к цефтаролину метициллинорезистентных Staphylococcus aureus // Антибиотики и химиотерапия. – 2016. – Т. 61. – № 9–10. – С. 17–21. [Gostev VV, Kalinogorskaya OS, Dmitrenko OA, et al. Mole¬cular Mechanisms of Ceftaroline Susceptibility Reduction in Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus. Antibio¬tics and chemoterapy. 2016;61(9-10):17-21. (In Russ.)]11. Lahiri SD, Alm RA. Identification of non-PBP2a resistance mechanisms in Staphylococcus aureus after serial passage with ceftaroline: involvement of other PBPs. J Antimicrob Chemother. 2016;71(11):3050-7. doi: 10.1093/jac/dkw282.12. Chan LC, Gilbert A, Basuino L, et al. PBP 4 Mediates High-Level Resistance to New-Generation Cephalosporins in Staphylococcus aureus. Antimicrob Agents Chemother. 2016;60(7):3934-3941. doi: 10.1128/AAC.00358-16.13. Banerjee R, Gretes M, Harlem C, et al. A mecA-negative strain of methicillin-resistant Staphylococcus aureus with high-level beta-lactam resistance contains mutations in three genes. Antimicrob Agents Chemother. 2010;54(11):4900-4902. doi: 10.1128/AAC.00594-10.14. Ulaganathan V, Agacan MF, Buetow L, et al. Structure of Staphylococcus aureus1,4-dihydroxy-2-naphthoyl-CoA synthase (MenB) in complex with acetoacetyl-CoA. Acta Crystallogr Sect F Struct Biol Cryst Commun. 2007;63(Pt 11):908-913. doi: 10.1107/S1744309107047720.15. Hill B, Attwood MM. Purification and characterization of phosphoglycerate mutase from methanol-grown Hyphomicrobium X and Pseudomonas AM1. J Gen Microbiol. 1976;96(1):185-193. doi: 10.1099/00221287-96-1-185.16. Martin PK, Bao Y, Boyer E, et al. Novel locus required for expression of high-level macrolide-lincosamide-streptogramin B resistance in Staphylococcus aureus. J Bacteriol. 2002;184(20):5810-5813. doi: 10.1128/JB.184.20.5810-5813.2002.17. Richmond MH. Wild-Type Variants of Exopenicillinase from Staphylococcus Aureus. Biochem J. 1965;94:584-593. doi: 10.1042/bj0940584.18. Kernodle DS, Stratton CW, McMurray LW, et al. Differentiation of beta-lactamase variants of Staphylococcus aureus by substrate hydrolysis profiles. J Infect Dis. 1989;159(1):103-108. doi: 10.1093/infdis/159.1.103.19. Fuda CC, Fisher JF, Mobashery S. Beta-lactam resistance in Staphylococcus aureus: the adaptive resistance of a plastic genome. Cell Mol Life Sci. 2005;62(22):2617-2633. doi: 10.1007/s00018-005-5148-6.20. Hiramatsu K, Asada K, Suzuki E, et al. Molecular cloning and nucleotide sequence determination of the regulator region of mecA gene in methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA). FEBS letters. 1992;298(2-3):133-6. doi: 10.1016/0014-5793(92)80039-J.21. Blazquez B, Llarrull LI, Luque-Ortega JR, et al. Regulation of the expression of the beta-lactam antibiotic-resistance determinants in methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA). Biochemistry. 2014;53(10):1548-1550. doi: 10.1021/bi500074w.22. Arede P, Ministro J, Oliveira DC. Redefining the role of the beta-lactamase locus in methicillin-resistant Staphylococcus aureus: beta-lactamase regulators disrupt the MecI-mediated strong repression on mecA and optimize the phenotypic expression of resistance in strains with constitutive mecA expression. Antimicrob Agents Chemother. 2013;57(7):3037-3045. doi: 10.1128/AAC.02621-12.