Exploring Staphylococcus aureus Adaptation in In vitro Colonization and Infection Models: A Transcriptomics Approach

Abstract

Individuals colonized by <i>S. aureus</i>, face a higher risk of <i>S. aureus</i> infections compared to non-carriers, and some throat carriers are prone to recurrent colonization even after antibiotic treatment. While <i>S. aureus</i> nasal colonization is well-studied, there is limited information about throat colonization. Our research aims to address this knowledge gap by exploring <i>S. aureus</i> factors crucial for throat colonization. We mimicked colonization by using a tonsillar cell model and mimicked an infection setting by using macrophage and other host factors. We employed transcriptome analysis (RNA-sequencing) and differentially expressed genes (DEGs) to identify specific <i>S. aureus</i> virulence factors under different conditions and time durations. We demonstrated distinct gene expression patterns associated with <i>S. aureus</i> colonization of tonsillar cells alone and in co-culture with <i>S. anginosus</i>, as well as during adaptation to macrophages and other host factors. Functional enrichment analysis revealed that these genes are mainly involved in essential biological processes such as adhesion, iron-regulation, defense response, and amino acid biosynthesis and transport, crucial for <i>S. aureus</i> adherence and survival. Our results highlight significant differences in gene expression between <i>S. aureus</i> exposed to professional phagocytes and those exposed to host factors, allowing us to identify key virulence factors and metabolic changes in extracellular and intracellular <i>S. aureus</i>. Understanding the roles of specific bacterial factors is essential for improving treatment options beyond antibiotics. This study sheds light on the transcriptome of <i>S. aureus</i> during colonization and infection scenarios, thereby advancing our understanding of <i>S. aureus</i> adaptive strategies. Further investigation into the roles of the identified genes in the host immune response within the context of a throat commensal landscape could provide valuable insights for future research and therapeutic development.

Individer kolonisert med <i>S. aureus</i> har en høyere risiko for <i>S. aureus</i>-infeksjoner sammenlignet med ikke-bærere, og noen halsbærere er utsatt for gjentatt kolonisering selv etter antibiotikabehandling. Mens <i>S. aureus</i> nesekolonisering er godt studert, er det begrenset informasjon om halskolonisering. Vår forskning vil addressere denne kunnskapsmangelen ved å utforske <i>S. aureus</i>-faktorer som er viktig i halskolonisering. Vi har etterliknet kolonisering ved å bruke en tonsillær cellemodell, og etterliknet infeksjon, ved å bruke makrofager og andre vertsfaktorer. Vi brukte transkriptomanalyse (RNA-sekvensar) for å identifisere spesifikke <i>S. aureus</i>-virulensfaktorer under forskjellige forhold og varighet. Vi fant spesifikke genekspresjonsmønster assosiert med <i>S. aureus</i>-kolonisering av tonsillære celler alene og i vekst sammen med <i>S. anginosus</i>, samt under tilpasning til makrofager og andre vertsfaktorer. Funksjonell enrichment analyse viste at disse genene hovedsakelig er involvert i essensielle biologiske prosesser som adhesjon, jernregulering, forsvarsrespons og aminosyrebiosyntese og transport, som er viktig for <i>S. aureus</i> adherens og overlevelse. Videre viste vår dataanalyse betydelige forskjeller i genuttrykk mellom <i>S. aureus</i> utsatt for profesjonelle fagocytter og de som er eksponert for vertsfaktorer, noe som lar oss identifisere nøkkelfaktorer og metabolske endringer i ekstracellulære og intracellulære <i>S. aureus</i>. Dette er viktig for å kunne forståspesifikke bakterielle faktorers rolle for å forbedre behandlingsalternativer utover antibiotika. Denne studien viser transkriptomet til <i>S. aureus</i> under koloniserings- og infeksjonsscenarier, og hjelper oss i å forstå dens adaptive strategier. Ytterligere undersøkelser av de identifiserte genene i møte med vertens immunrespons i et halsmikrobiom landskap kan gi verdifull innsikt for fremtidig forskning og terapeutisk utvikling.