Summary

genotypning av<em> Staphylococcus aureus</em> vid Ribosomal Spacer PCR (RS-PCR)

Published: November 04, 2016
doi:

Summary

Here, ribosomal spacer PCR (RS-PCR) is used together with a miniaturized electrophoresis system as a fast and high resolution method for genotyping S. aureus at moderate costs allowing a high throughput.

Abstract

The ribosomal spacer PCR (RS-PCR) is a highly resolving and robust genotyping method for S. aureus that allows a high throughput at moderate costs and is, therefore, suitable to be used for routine purposes. For best resolution, data evaluation and data management, a miniaturized electrophoresis system is required. Together with such an electrophoresis system and the in-house developed software (freely available here) assignment of the pattern of bands to a genotype is standardized and straight forward. DNA extraction is simple (boiling prep), setting-up of the reactions is easy and they can be run on any standard PCR machine. PCR cycling is common except prolonged ramping and elongation times. Compared to spa typing and Multi Locus Sequence Typing (MLST), RS-PCR does not require DNA sequencing what simplifies the analysis considerably and allows a high throughput. Furthermore, the resolution for bovine strains of S. aureus is at least as good as spa typing and better than MLST or pulsed-field gel electrophoresis (PFGE). The RS-PCR data base includes presently a total of 141 genotypes and variants. The method is highly associated with the virulence gene pattern, contagiosity and pathogenicity of S. aureus strains involved in bovine mastitis. S. aureus genotype B (GTB) is contagious and causes herds problems causing large costs in the Switzerland and other European countries. All the other genotypes observed in Switzerland infect individual cows and quarters. Genotyping by RS-PCR allows the reliable prediction of the epidemiological and the pathogenic potential of S. aureus involved in bovine intramammary infection (IMI), two key factors for clinical veterinary medicine. Because of these beneficial properties together with moderate costs and a high sample throughput the goal of this publication is to give a detailed, step-by-step protocol for easily establishing and running RS-PCR for genotyping S. aureus in other laboratories.

Introduction

Staphylococcus (S. aureus) är känd som den viktigaste patogenen i världen ansvariga för intramammär infektion (IMI) hos nötkreatur 1. Studien av Fournier et al. 2 visat i schweiziska kor och studier av Cosandey et al. 3 och et al. Boss 4 i kor av 12 europeiska länder som S. aureus isolerade från bovin IMI är en genetiskt heterogen grupp. Genom PCR-förstärkning av 16S-23S rRNA intergena spacerområdet (RS-PCR), var en totalt 17 genotyper som ursprungligen upptäcktes i 101 epidemiologiskt oberoende isolat 2. Genotyp B och genotyp C (GTC) var vanligast (80%), medan de övriga 15 genotyper (GTS) inträffade sällan, var att göra 1-4% av alla isolat. På europeisk nivå 3, GTB, GTC, GTF, GTI, och GTR var de viktigaste genotyperna omfattar 76% av alla analyserade stammar (n = 456). GTB var beläget i Centraleuropa whereas andra genotyper har spridits. De återstående 24% av stammarna ingår 41 genotyper, många av dem, dock observerades endast en gång.

Studierna av Fournier et al. 2, et al. Cosandey 3, och et al. Graber 5 visade vidare att genotyper starkt förknippades med deras virulens gen mönster, liksom vid den schweiziska som på europeisk nivå. Studierna visade ytterligare massiva skillnader i IMI prevalens bland S. aureus GTB, GTC och andra genotyper 2,5: väger GTB, upp till 87% av korna i en hjord infekterades av denna genotyp. I fallet med GTC och av de andra genotyper emellertid IMI hittades endast i ett till två kor i en hjord.

IMI orsakad av S. aureus, resulterar normalt i inflammation i motsvarande mjölkkörtlar och en ökning av inflammatoriska celler i mjölk. Som en konsekvens, den somatiska cell coUNTS i mjölk (SCC), den viktigaste indikatorn för mjölkkvalitet i de flesta länder, ökar vilket leder till en minskad mjölkpris eller ens leverans stopp.

Förutom RS-PCR av Fournier et al. 2, har andra typningsmetoder beskrivits för subtyp stammar av S. nötkreatur aureus 11/8. Två vanligaste inkluderar spa-typning 12 och Multi Locus Sequence Typing (MLST) 13. Den förstnämnda en är baserad på DNA-sekvensering av den variabla spacerområdet av det stafylokock-spa-genen som kodar för protein A, medan den senare en kräver sekvensering av 7 hushållningsgener. Detta innebär att en 12 och sju PCR 13, respektive, behöver utföras, följt av amplikon rening, sekvenseringsreaktion och analys med hjälp av särskild utrustning. Jämfört med RS-PCR, kräver dessa metoder en avsevärd ytterligare insats i laboratoriet som resulterar i en låg provkapacitet och höga kostnader. Degenomströmningen är särskilt låg för PFGE. Med tanke på upplösningen av dessa metoder för stammar av S. nötkreatur aureus, RS-PCR är åtminstone lika bra som spa skriva 4 och bättre än MLST 4 eller PFGE 15.

Alla dessa metoder, inklusive binära typning 13 visat sig vara effektiva i att få ytterligare insikt i patogenesen av bovin IMI orsakad av S. aureus, men på grund av de nämnda begränsningarna är de mindre lämpliga för stora kliniska undersökningar. Dessutom genotypning av RS-PCR såsom beskrivet av Fournier et al. 2 medger tillförlitlig förutsägelse av den epidemiologiska och patogena potential S. aureus inblandad i bovin IMI, två nyckelvärden i klinisk veterinärmedicin.

Protocol

1. Staphylococcus aureus isolat Sprid 10 pl S. aureus stamkultur eller en koloni odlas på ett selektivt medium på Columbia agar plattor innehållande 5% fårblod (BA). Inkubera aerobt vid 37 ° C under 18 h till 24 h. 2. DNA-extraktion Förbereda TEL buffert innehållande 10 mM Tris-HCl och 10 mM Na2EDTA, pH 8,5. Förbereda alikvoter och autoklavera vid 121 ° C under 15 min. Samla ett koloni från Britis…

Representative Results

Definition av en genotyp och dess varianter En elektroforetisk profil som skiljer sig i mer än ett band från alla identifierade genotyper anses som en ny genotyp. Nya genotyper är namngivna och utökas enligt Fournier et al. 5 som leder till genotypema GTA till GTZ, följt av genotyperna GTAA till GTAZ och GTBA till GTBZ, och GTCA till GTCC för närvarande. Variation i bara ett band betraktas som en gen…

Discussion

Det mest kritiska steget i hela förfarandet är när det finns ett överskott av DNA i RS-PCR (> 30 ng rent DNA / analys) 2. I allmänhet, är upplösning av en profil optimalt om alla dess toppar starta och sluta vid baslinjen. Om två toppar är alltför nära varandra, är upplösning ofullständig. Under dessa förhållanden kan Bioanalyzer programvara leda till olämplig topp identifiering så att manuell identifiering krävs.

Alla synligt separerade och relevanta toppar …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

The author thanks R. Boss, A. Cosandey, C. Fournier, I. Ivanovic, and J. Naskova for their excellent work.

Materials

Tris(hydroxymethyl)-aminomethan Merck 1.08382.0500 Mw =121.14g/mol
Titriplex III Merck 1.08418.0250 Mw = 372.24g/mol; Substance is equivalent to Na2EDTA·2H2O
Hydrochloric acid 5mol/l Merck 1.09911.0001
Columbia agar+5% sheep blood bioMérieux 43049
Agilent DNA7500 Kit Agilent Technologies 5067-1504
Agilent 2100 Bioanalyzer Agilent Technologies G2940CA
Agilent 2100 expert sofware Agilent Technologies
HotStarTaq master mix  Qiagen 203445
Primer L1 Mycrosinth 5'CAA GGC ATC CAC CGT3'
Primer G1 Mycrosinth 5'GAA GTC GTA ACA AGG3'

References

  1. Sears, P. M., McCarthy, K. K. Management and treatment of staphylococcal mastitis. Vet.Clin.North Am.Food Anim.Pract. 19 (1), 171-185 (2003).
  2. Fournier, C., et al. Bovine Staphylococcus aureus: association of virulence genes, genotypes and clinical outcome. Res.Vet.Sci. 85 (3), 439-448 (2008).
  3. Cosandey, A., et al. Staphylococcus aureus genotype B and other genotypes isolated from cow milk in European countries. J.Dairy Sci. 99 (1), 529-540 (2016).
  4. Boss, R., et al. Bovine Staphylococcus aureus: Subtyping, evolution, and zoonotic transfer. J.Dairy Sci. 99 (1), 515-528 (2016).
  5. Graber, H. U., et al. Mastitis-related subtypes of bovine Staphylococcus aureus are characterized by different clinical properties. J.Dairy Sci. 92 (4), 1442-1451 (2009).
  6. Heiniger, D., et al. Kosten-Nutzen-Analyse einer Intervention zur Verbesserung der Eutergesundheit in Schweizer Milchviehbetrieben. Schweiz.Arch.Tierheilkd. 156 (10), 473-481 (2014).
  7. Hamann, J. Definition of the physiological cell count threshold based on changes in milk composition. IDF Mastitis Newsletter. 25, 9-12 (2003).
  8. Hwang, S. Y., Park, Y. K., Koo, H. C., Park, Y. H. spa typing and enterotoxin gene profile of Staphylococcus aureus isolated from bovine raw milk in Korea. J.Vet.Sci. 11 (2), 125-131 (2010).
  9. Sakwinska, O., et al. Link between genotype and antimicrobial resistance in bovine mastitis-related Staphylococcus aureus strains, determined by comparing Swiss and French isolates from the Rhone Valley. Appl.Environ.Microbiol. 77 (10), 3428-3432 (2011).
  10. Rabello, R. F., et al. Multilocus sequence typing of Staphylococcus aureus isolates recovered from cows with mastitis in Brazilian dairy herds. J.Med.Microbiol. 56, 1505-1511 (2007).
  11. Tavakol, M., et al. Bovine-associated MRSA ST398 in the Netherlands. Acta Vet.Scand. 54, 28 (2012).
  12. Harmsen, D., et al. Typing of methicillin-resistant Staphylococcus aureus in a university hospital setting by using novel software for spa repeat determination and database management. J.Clin.Microbiol. 41 (12), 5442-5448 (2003).
  13. Zadoks, R., et al. Application of pulsed-field gel electrophoresis and binary typing as tools in veterinary clinical microbiology and molecular epidemiologic analysis of bovine and human Staphylococcus aureus isolates. J.Clin.Microbiol. 38 (5), 1931-1939 (2000).
  14. Cremonesi, P., et al. Genomic characteristics of Staphylococcus aureus strains associated with high within-herd prevalence of intramammary infections in dairy cows. J.Dairy Sci. 98 (10), 6828-6838 (2015).
  15. Enright, M. C., Day, N. P., Davies, C. E., Peacock, S. J., Spratt, B. G. Multilocus sequence typing for characterization of methicillin-resistant and methicillin-susceptible clones of Staphylococcus aureus. J.Clin.Microbiol. 38 (3), 1008-1015 (2000).

Play Video

Cite This Article
Graber, H. U. Genotyping of Staphylococcus aureus by Ribosomal Spacer PCR (RS-PCR). J. Vis. Exp. (117), e54623, doi:10.3791/54623 (2016).

View Video