Expression of icaA and icaD genes in biofilm formation in Staphylococcus aureus isolates from bovine subclinical mastitis

ABSTRACT: Staphylococcus spp. plays a significant role in the etiology of bovine mastitis. Staphylococcus aureus is considered the most important species due to the high prevalence and the difficulty of in vivo treatment that is related to the expression of virulence factors and biofilm formation. This study aimed to detect the phenotypic expression of the biofilm formation in 20 S. aureus isolated from bovine mastitis and to evaluate the expression and regulation of genes involved in its production. MALDI-TOF and phenogenotypic identification assays were performed to characterize the isolates. The phenotypic biofilm production and the presence of icaA and icaD and bap genes were evaluated. The Agr system was typified (agr I, agr II, agr III and agr IV) and its regulator (agr RNAIII) was detected. Furtherly, Real-time PCR (qPCR) was performed at chosen times to quantify the expression of icaA, icaD and hld genes in three selected isolates. All 20 strains were biofilm producers and most presented icaA and icaD genes. Only one isolate presented the bap gene. The agr gene type II showed a prevalence of 70%. Transcriptional analysis revealed increased expression of ica genes at eight hours of growth. These results confirm that polysaccharides production mediated by the icaADBC operon genes is an essential mechanism to the biofilm formation and contributes to the early stages of bacterial growth.

RESUMO: Staphylococcus spp. desempenham um papel significativo na etiologia da mastite bovina. Staphylococcus aureus é considerada a espécie mais importante devido a alta prevalência e a dificuldade de tratamento in vivo que está relacionado à expressão dos fatores de virulência e formação de biofilme. Este estudo teve como objetivo detectar a expressão fenotípica da formação de biofilme em 20 cepas de S. aureus isoladas de mastite bovina e avaliar a expressão e regulação de genes envolvidos em sua produção. MALDI-TOF e ensaios de identificação fenogenotípica foram realizados para caracterizar os isolados. A produção fenotípica de biofilme e a presença dos genes icaA, icaD e bap foram avaliadas. O sistema Agr foi tipificado (agr I, agr II, agr III e agr IV) e seu regulador (agr RNAIII) foi detectado. Além disso, a PCR em tempo real (qPCR) foi realizada nos tempos determinados para quantificar a expressão dos genes icaA, icaD e hld em três isolados selecionados. Todas as 20 linhagens foram produtoras de biofilme e a maioria apresentava os genes icaA e icaD. Apenas um isolado apresentou o gene bap. O gene agr do tipo II mostrou uma prevalência de 70%. A análise transcricional revelou aumento da expressão de genes ica às oito horas de crescimento. Estes resultados confirmam que a produção de polissacarídeos mediada pelos genes do operon icaADBC é um mecanismo essencial para a formação do biofilme e contribui para os estágios iniciais do crescimento bacteriano.

Expression of icaA and icaD genes in biofilm formation in Staphylococcus aureus isolates from bovine subclinical mastitis / Expressão dos genes icaA e icaD na formação de biofilme em isolados de Staphylococcus aureus de mastite subclínica bovina

Staphylococcus spp. plays a significant role in the etiology of bovine mastitis. Staphylococcus aureus is considered the most important species due to the high prevalence and the difficulty of in vivo treatment that is related to the expression of virulence factors and biofilm formation. This study aimed to detect the phenotypic expression of the biofilm formation in 20 S. aureus isolated from bovine mastitis and to evaluate the expression and regulation of genes involved in its production. MALDI-TOF and phenogenotypic identification assays were performed to characterize the isolates. The phenotypic biofilm production and the presence of icaA and icaD and bap genes were evaluated. The Agr system was typified (agr I, agr II, agr III and agr IV) and its regulator (agr RNAIII) was detected. Furtherly, Real-time PCR (qPCR) was performed at chosen times to quantify the expression of icaA, icaD and hld genes in three selected isolates. All 20 strains were biofilm producers and most presented icaA and icaD genes. Only one isolate presented the bap gene. The agr gene type II showed a prevalence of 70%. Transcriptional analysis revealed increased expression of ica genes at eight hours of growth. These results confirm that polysaccharides production mediated by the icaADBC operon genes is an essential mechanism to the biofilm formation and contributes to the early stages of bacterial growth.(AU)

Staphylococcus spp. desempenham um papel significativo na etiologia da mastite bovina. Staphylococcus aureus é considerada a espécie mais importante devido a alta prevalência e a dificuldade de tratamento in vivo que está relacionado à expressão dos fatores de virulência e formação de biofilme. Este estudo teve como objetivo detectar a expressão fenotípica da formação de biofilme em 20 cepas de S. aureus isoladas de mastite bovina e avaliar a expressão e regulação de genes envolvidos em sua produção. MALDI-TOF e ensaios de identificação fenogenotípica foram realizados para caracterizar os isolados. A produção fenotípica de biofilme e a presença dos genes icaA, icaD e bap foram avaliadas. O sistema Agr foi tipificado (agr I, agr II, agr III e agr IV) e seu regulador (agr RNAIII) foi detectado. Além disso, a PCR em tempo real (qPCR) foi realizada nos tempos determinados para quantificar a expressão dos genes icaA, icaD e hld em três isolados selecionados. Todas as 20 linhagens foram produtoras de biofilme e a maioria apresentava os genes icaA e icaD. Apenas um isolado apresentou o gene bap. O gene agr do tipo II mostrou uma prevalência de 70%. A análise transcricional revelou aumento da expressão de genes ica às oito horas de crescimento. Estes resultados confirmam que a produção de polissacarídeos mediada pelos genes do operon icaADBC é um mecanismo essencial para a formação do biofilme e contribui para os estágios iniciais do crescimento bacteriano.(AU)

Phenotypic and genotypic characterization of Streptococcus uberis isolated from bovine subclinical mastitis in Argentinean dairy farms

The aim of this study was to investigate the phenotypic and genotypic characteristics of Streptococcus uberis isolated from subclinical mastitis (SCM) cases, and to examine the possible association between both characteristics. A total of 32 S. uberis were isolated from 772 quarter milk samples (SCM > 250,000 cells/ml) collected from 195 cows selected randomly from 18 dairy farms located in Argentina. The S. uberis strains were characterized phenotypically by the presence of virulence factors as plasminogen activator factor (PAF), hyaluronidase (HYA), capsule (CAP) and CAMP factor, and were further characterized genotypically by pulsed-field gel electrophoresis (PFGE). S. uberis strains expressed plasminogen activator factor, hyaluronidase or capsule (65.5 %, 56.3 %, 59.4 %, respectively), but only 25 % of isolates were CAMP factor positive. Thirteen different virulence profiles were identified on the basis of the combination of virulence factors. Eighteen PFGE patterns with 90% of similarity were identified among 32 S. uberis. A great diversity of virulence profiles and PFGE patterns were present among dairy farms. S. uberis strains with the same PFGE pattern showed different virulence profiles. Bovine S. uberis strains causing SCM included in the present study showed heterogeneity in regard to their phenotypic and genotypic characteristics, and the PFGE patterns are not associated with the virulence profiles.

Caracterización fenotípica y genotípica de Streptococcus uberis aislados de mastitis bovina subclínica en tambos de Argentina. El objetivo de este estudio fue investigar las características fenotípicas y genotípicas de Streptococcus uberis aislados de casos de mastitis subclínica (MSC) y examinar la posible asociación entre ambas características. Un total de 32 cepas de S. uberis fueron aisladas de 772 muestras de leche de cuartos mamarios (MSC > 25 0000 células/ml) colectadas de 195 vacas seleccionadas al azar pertenecientes a 18 tambos lecheros localizados en Argentina. Las cepas de S. uberis fueron caracterizadas fenotípicamente sobre la base de la presencia de factores de virulencia tales como el factor activador del plasminógeno (FAP), la hialuronidasa (HIA), la cápsula (CAP) y el factor CAMP. Además, fueron caracterizadas genotípicamente por electroforesis de campos pulsados (PFGE). Las cepas de S. uberis expresaron el factor activador del plasminógeno, la hialuronidasa o la cápsula (65,5 %, 56,3 % y 59,4 %, respectivamente), pero solo el 25 % fueron CAMP positivas. Sobre la base de la combinación de los factores de virulencia se identificaron 13 perfiles de virulencia diferentes. Asimismo, se identificaron 18 patrones de PFGE con un 90 % de similitud entre las 32 cepas de S. uberis. Se presentó una gran diversidad de perfiles de virulencia y patrones de PFGE entre los tambos. Cepas con el mismo patrón de PFGE presentaron perfiles de virulencia diferentes. Las cepas de S. uberis causantes de MSC en bovinos incluidas en el presente estudio mostraron heterogeneidad con respecto a sus características fenotípicas y genotípicas, y los patrones de PFGE no estuvieron asociados con los perfiles de virulencia.

Invasive potential of biofilm-forming Staphylococci bovine subclinical mastitis isolates

Staphylococcus (S.) aureus is a common infectious agent of bovine chronic mastitis, a disease that is difficult to eradicate. The abilities of Staphylococci to be internalized and form a biofilm can contribute to host immunological defence evasion that subsequently impairs antimicrobial therapy. The invasive capability of six S. aureus field isolates with different biofilm-forming profiles was compared in vitro using a bovine mammary epithelial cell line. This was further confirmed in primary cell cultures using fluorescent rRNA probes against S. aureus. The results suggest that S. aureus invasion levels are not related to biofilm formation.