تحلیل بیان ژنی ژن‌های مرتبط با بیوفیلم و پاسخ به تنش وانکومایسین در Staphylococcus aureus بالینی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه بیوتکنولوژی، دانشکده علوم، دانشگاه بغداد، عراق

2 گروه تکنیک‌های پرتوشناسی، کالج دانشگاهی السلام، بغداد، عراق.

3 بیمارستان عمومی، اداره سلامت الکرخ بغداد، عراق.

4 پزشک عمومی، بغداد، عراق و فارغ‌التحصیل دانشکده پزشکی، دانشگاه علوم و فناوری اردن، اردن.

10.22103/jab.2026.27221.1906

چکیده

هدف: مسیرهای تنظیمی دخیل در مقاومت آنتی‌بیوتیکی و تشکیل بیوفیلم در Staphylococcus aureus پیچیده بوده و چندین سیستم ژنتیکی از جمله مسیر پاسخ به تنش vraSR و اپرون icaADBC را در بر می‌گیرند. درک پاسخ رونویسی این ژن‌ها در مواجهه با وانکومایسین می‌تواند بینشی درباره مکانیسم‌های مرتبط با پایداری عفونت و شکست درمان ارائه دهد. این مطالعه واکنش ایزوله‌های بالینی Staphylococcus aureus به وانکومایسین را بررسی کرد. همچنین حساسیت آنتی‌بیوتیکی و فعالیت ژن‌های مرتبط با تشکیل بیوفیلم (icaA، icaB، icaC و icaD) و مقاومت (vra) مورد ارزیابی قرار گرفت.
مواد و روش‌ها: ایزوله‌های بالینی Staphylococcus aureus از نمونه‌های سوختگی و زخم جمع‌آوری و با روش‌های استاندارد میکروبیولوژی تأیید شدند. حساسیت به وانکومایسین ابتدا با روش انتشار در چاهک آگار ارزیابی شد. RNA تام از کشت‌های S. aureus استخراج گردید. سپس واکنش qRT-PCR با استفاده از رنگ SYBR Green برای تحلیل بیان ژنی و بررسی تغییرات باکتری پس از مواجهه با آنتی‌بیوتیک انجام شد.
نتایج: آزمون‌ها نشان دادند که ایزوله‌ها پاسخ‌های متفاوتی به دارو داشتند. برخی نمونه‌ها دارای هاله مهاری بسیار کوچک یا فاقد هاله بودند. این یافته‌ها ممکن است نشان‌دهنده کاهش حساسیت به وانکومایسین باشند، هرچند تأیید آن با آزمون‌های مبتنی بر MIC ضروری است. نتایج qRT-PCR نشان داد که اپرون icaADBC پس از درمان فعال‌تر شده است و این تغییر به‌ویژه در ایزوله شماره 2 واضح‌تر بود. داده‌ها نشان می‌دهند که مواجهه با آنتی‌بیوتیک ممکن است به باکتری‌ها در تشکیل بیوفیلم قوی‌تر کمک کند. این پاسخ احتمالاً موجب بقای بیشتر باکتری و شکست درمان می‌شود. ژن vra نیز در چندین ایزوله فعالیت بالایی نشان داد که نقش آن را در مدیریت تنش دیواره سلولی تأیید می‌کند. علاوه بر این، ژن hpr نیز افزایش بیان داشت که نشان می‌دهد ممکن است در این شرایط پایداری کافی برای استفاده به‌عنوان کنترل داخلی نداشته باشد.
نتیجه‌گیری: نتایج این مطالعه ارتباط آشکاری میان مقاومت دارویی و رشد بیوفیلم در S. aureus نشان داد. اتکای صرف به وانکومایسین برای درمان MRSA دارای محدودیت‌های قابل توجهی است. راهبردهای درمانی جایگزین که تشکیل بیوفیلم و مسیرهای پاسخ به تنش دیواره سلولی را هدف قرار دهند، می‌توانند نتایج درمانی را در عفونت‌های پایدار MRSA بهبود بخشند. این راهبردها ممکن است ژن‌های کنترل‌کننده تولید بیوفیلم یا سیستم vraSR را هدف قرار دهند.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Gene expression analysis of biofilm-associated and vancomycin stress-response genes in clinical Staphylococcus aureus

نویسندگان [English]

  • Rana Kadhim Mohammed 1
  • Ali Attaallah Ibrahim 2
  • Karam Dawood Salman 3
  • Mustafa Kadhim Al-Shammari 4
1 Department of Biotechnology, College of Science, University of Baghdad, Iraq.
2 Department of Radiation Techniques, AlSalam University College, Baghdad, Iraq
3 General hospital, Al-Karkh Baghdad Health Directorate, Iraq.
4 Medical Doctor (General Practitioner), Baghdad, Iraq and Graduate of the Faculty of Medicine, Jordan University of Science and Technology, Jordan
چکیده [English]

Objective
Regulatory pathways involved in antibiotic resistance and biofilm formation in Staphylococcus aureus are complex and involve multiple genetic systems, including the vraSR stress-response pathway and the icaADBC operon. Understanding the transcriptional response of these genes under vancomycin exposure may provide insight into mechanisms associated with persistence and treatment failure. The study examined how clinical Staphylococcus aureus isolates react to vancomycin. The research also focused on antibiotic susceptibility and the activity of genes linked to biofilm growth (icaA, icaB, icaC, and icaD) and resistance (vra).
Materials and methods
Clinical isolates of Staphylococcus aureus were obtained from burn and wound specimens and confirmed by standard microbiological techniques. Vancomycin susceptibility was preliminarily evaluated using the agar well diffusion method. Total RNA was extracted from S. aureus cultures. Quantitative real-time PCR (qRT-PCR) was carried out using SYBR Green to perform expression analysis to track changes in the bacteria after exposure to the antibiotic.
Results
Testing showed that isolates responded differently to the drug. Several samples had very small or non-existent inhibition zones. These findings may indicate reduced susceptibility to vancomycin; however, confirmation using MIC-based assays is required. The qRT-PCR results showed that the icaADBC operon became more active after treatment. This change was most obvious in isolate 2. The data indicates that exposure to antibiotics might help the bacteria build stronger biofilms. This response is likely to help the bacteria survive and leads to treatment failure. The vra gene also showed strong activity across several isolates. This supports its role in managing cell wall stress. The hpr gene became more active too. This result suggests the gene might not stay stable enough to work as an internal control in these conditions.
Conclusions
The results show a clear connection between drug resistance and biofilm growth in S. aureus. Relying only on vancomycin for MRSA treatment has major drawbacks. Alternative therapeutic strategies targeting biofilm formation and cell wall stress-response pathways may improve treatment outcomes in persistent MRSA infections. These approaches could target the genes that control biofilm production. Another option is to find ways to block the vraSR system.

کلیدواژه‌ها [English]

  • biofilm
  • Staphylococcus aureus
  • vancomycin resistance

مراجع

Abebe, A. A., & Birhanu, A. G. (2023). Methicillin resistant Staphylococcus aureus: Molecular mechanisms underlying drug resistance development and novel strategies to combat. Infection and Drug Resistance, 16, 7641–7662. https://doi.org/10.2147/IDR.S428103
Ahsani, M. R., Mohammadabadi, M. R., & Shamsaddini, M. B. (2010). Clostridium perfringens isolate typing by multiplex PCR. Journal of Venomous Animals and Toxins Including Tropical Diseases, 16(4), 573–578. https://doi.org/10.1590/S1678-91992010000400006
Ashfaq, M., Khan, A. M., Rasool, A., Akhtar, S., Nazir, N., Ahmed, N., Manzoor, F., Sones, J., Perez, K., Sarwar, G., Khan, A. A., Akhter, M., Saeed, S., Sultana, R., Tahir, H. M., Rafi, M. A., Iftikhar, R., Naseem, M. T., Masood, M., Tufail, M., Kumar, S., Afzal, S., McKeown, J., Samejo, A. A., Khaliq, I., D’Souza, M. L., Mansoor, S., & Hebert, P. D. N. (2022). A DNA barcode survey of insect biodiversity in Pakistan. PeerJ, 10, Article e13267. https://doi.org/10.7717/peerj.13267
Azzam, A., Elkafas, H., Khaled, H., Ashraf, A., Yousef, M., & Elkashef, A. A. (2023). Prevalence of vancomycin-resistant enterococci (VRE) in Egypt (2010–2022): A systematic review and meta-analysis. Journal of the Egyptian Public Health Association, 98, Article 8. https://doi.org/10.1186/s42506-023-00133-9
Ballah, F. M., Islam, M. S., Rana, M. L., Ullah, M. A., Ferdous, F. B., Neloy, F. H., Ievy, S., Sobur, M. A., Rahman, A. T., Khatun, M. M., Rahman, M., & Rahman, M. T. (2022). Virulence determinants and methicillin resistance in biofilm-forming Staphylococcus aureus from various food sources in Bangladesh. Antibiotics, 11(11), Article 1666. https://doi.org/10.3390/antibiotics11111666
Basu, D. N., Churi, P., Soman, A., Sengupta, A., Bhakare, M., Lokhande, S., Bhoite, S., Huertas, B., & Kunte, K. (2019). The genus Tarucus Moore, [1881] (Lepidoptera: Lycaenidae) in the Indian Subcontinent. Tropical Lepidoptera Research, 29(2), 87–110. https://journals.flvc.org/troplep/article/view/117957
Bronsard, J., Silard, C., Legros, J., Germain-Amiot, N., Hallier, M., & Augagneur, Y. (2025). Exploring the interactome of the Staphylococcus aureus sRNA Srn_9342 identified a complex formation with RNAIII leading to the modulation of δ-hemolysin expression. BMC Microbiology, 25(1), Article 405. https://doi.org/10.1186/s12866-025-04113-1
Card, K. J., Crozier, D., Durmaz, A., Gray, J., Creary, J., Stocks, A., & Scott, J. G. (2025). Evolution under vancomycin selection drives divergent collateral sensitivity patterns in Staphylococcus aureus. Proceedings of the National Academy of Sciences, 122(39), Article e2507962122. https://doi.org/10.1073/pnas.2507962122
Chen, W. T., Li, M., Hu, S. Y., Wang, S. H., & Yuan, M. L. (2023). Comparative mitogenomic and evolutionary analysis of Lycaenidae (Insecta: Lepidoptera): Potential association with high-altitude adaptation. Frontiers in Genetics, 14, Article 1137588. https://doi.org/10.3389/fgene.2023.1137588
Hausberger, B., Kimpel, D., van Neer, A., & Korb, J. (2011). Uncovering cryptic species diversity of a termite community in a West African savanna. Molecular Phylogenetics and Evolution, 61(3), 964–969. https://doi.org/10.1016/j.ympev.2011.08.015
Hebert, P. D. N., Cywinska, A., Ball, S. L., & deWaard, J. R. (2003). Biological identifications through DNA barcodes. Proceedings of the Royal Society of London. Series B: Biological Sciences, 270(1512), 313–321. https://doi.org/10.1098/rspb.2002.2218
Jing, S., Wang, F., Li, F., Wang, L., Xiong, Y., Wen, A., Jin, Y., Jin, S., Gao, F., Feng, Z., Li, J., Zhang, Y., Shang, Z., Wang, S., Feng, Y., & Lin, W. (2022). Structural basis of transcription activation by Rob, a pleiotropic AraC/XylS family regulator. Nucleic Acids Research, 50(10), 5974–5987. https://doi.org/10.1093/nar/gkac433
Kazemipour, E., Sasan, H., & Mohammadabadi, M. (2025). The effect of the intrinsic resistance of Shigella flexneri 2a to spectinomycin on the efficiency of the CRISPR/Cas9 system. Agricultural Biotechnology Journal, 17(3), 177–200. https://doi.org/10.22103/jab.2025.25382.1717
Khabiri, A., Toroghi, R., Mohammadabadi, M., & Tabatabaeizadeh, S. E. (2023). Introduction of a Newcastle disease virus challenge strain (sub-genotype VII.1.1) isolated in Iran. Veterinary Research Forum, 14(4), 221–227. https://doi.org/10.30466/vrf.2022.548152.3373
Khabiri, A., Toroghi, R., Mohammadabadi, M., & Tabatabaeizadeh, S. E. (2025). Whole genome sequencing and phylogenetic relative of a pure virulent Newcastle disease virus isolated from an outbreak in northeast Iran. Letters in Applied Microbiology, 78(4), Article ovaf049. https://doi.org/10.1093/lambio/ovaf049
Pal, M., Shuramo, M. Y., Tewari, A., Srivastava, J. P., & Steinmetz, C. H. D. (2023). Staphylococcus aureus from a commensal to zoonotic pathogen: A critical appraisal. International Journal of Clinical and Experimental Medicine Research, 7(2), 220–228. https://doi.org/10.26855/ijcemr.2023.04.023
Martín-Pérez, T., Köhsler, M., & Walochnik, J. (2023). Evaluation and validation of reference genes for RT-qPCR gene expression in Naegleria gruberi. Scientific Reports, 13(1), Article 16748. https://doi.org/10.1038/s41598-023-43892-3
Mohammadabadi, M. R., Shaikhaev, G. O., Sulimova, G. E., & Rahman, O. (2004). Detection of bovine leukemia virus proviral DNA in Yaroslavl, Mongolian, and Black Pied cattle by PCR. Cellular and Molecular Biology Letters, 9(4A), 766–768.
Mohammadabadi, M. R., Soflaei, M., Mostafavi, H., & Honarmand, M. (2011). Using PCR for early diagnosis of bovine leukemia virus infection in some native cattle. Genetics and Molecular Research, 10(4), 2658–2663. https://doi.org/10.4238/2011.October.27.2
Mohammadabadi, M., Afsharmanesh, M., Khezri, A., Kheyrodin, H., Babenko, O. I., Borshch, O., Kalashnyk, O., Nechyporenko, O., Afanasenko, V., Slynko, V., & Usenko, S. (2025). Effect of mealworm on GBP4L gene expression in the spleen tissue of Ross broiler chickens. Agricultural Biotechnology Journal, 17(2), 343–360. https://doi.org/10.22103/jab.2025.25277.1714
Mohammadabadi, M., Babenko, O. I., Borshch, O., Kalashnyk, O., Ievstafiieva, Y., & Buchkovska, V. (2024). Measuring the relative expression pattern of the UCP2 gene in different tissues of the Raini Cashmere goat. Agricultural Biotechnology Journal, 16(3), 317–332. https://doi.org/10.22103/jab.2024.24337.1627
Mohammed, R., Nader, S. M., Hamza, D. A., & Sabry, M. A. (2025). Public health implications of multidrug-resistant and methicillin-resistant Staphylococcus aureus in retail oysters. Scientific Reports, 15(1), Article 4496. https://doi.org/10.1038/s41598-025-88743-5
Orsholm, J., Quinto, J., Autto, H., Banelyte, G., Chazot, N., deWaard, J., deWaard, S., Farrell, A., Furneaux, B., Hardwick, B., Ito, N., Kar, A., Kalttopää, O., Kerdraon, D., Kristensen, E., McKeown, J., Mononen, T., Nein, E., Rogers, H., Roslin, T., Schmitz, P., Sones, J., Sujala, M., Thompson, A., Zakharov, E. V., Zarubiieva, I., Gupta, A., Lowe, S. C., & Taylor, G. W. (2026). A multi-modal dataset for insect biodiversity with imagery and DNA at the trap and individual level. Scientific Data, 13(1), Article 630. https://doi.org/10.1038/s41597-026-07251-x
Parsons, J. B., Mourad, A., Conlon, B. P., Kielian, T., & Fowler, V. G., Jr. (2026). Methicillin-resistant and susceptible Staphylococcus aureus: Tolerance, immune evasion and treatment. Nature Reviews Microbiology, 24(2), 127–145. https://doi.org/10.1038/s41579-025-01226-2
Peng, Q., Tang, X., Dong, W., Sun, N., & Yuan, W. (2023). A review of biofilm formation of Staphylococcus aureus and its regulation mechanism. Antibiotics, 12(1), Article 12. https://doi.org/10.3390/antibiotics12010012
Qraidi, A. A., Al-etby, M. A., Alyousuf, A., & Mohammed, A. A. (2025). Molecular diagnosis and genetic variation of termite infest palm trees. Diyala Agricultural Sciences Journal, 17(1), 46–60. https://doi.org/10.52951/dasj.25170104
Schwartbeck, B., Rumpf, C. H., Hait, R. J., Janssen, T., Deiwick, S., Schwierzeck, V., & Kahl, B. C. (2024). Various mutations in icaR, the repressor of the icaADBC locus, occur in mucoid Staphylococcus aureus isolates recovered from the airways of people with cystic fibrosis. Microbes and Infection, 26(4), Article 105306. https://doi.org/10.1016/j.micinf.2024.105306
Shahdadnejad, N., Mohammadabadi, M. R., & Shamsadini, M. (2016). Typing of Clostridium perfringens isolated from broiler chickens using multiplex PCR. Genetics in the Third Millennium, 14(4), 4368–4374.
Tamura, K., Stecher, G., & Kumar, S. (2021). MEGA11: Molecular Evolutionary Genetics Analysis version 11. Molecular Biology and Evolution, 38(7), 3022–3027. https://doi.org/10.1093/molbev/msab120
Wang, Y., Sun, Y., Chen, G., & Cheng, X. (2025). Emerging antimicrobial strategies against heterogeneous and vancomycin-intermediate Staphylococcus aureus. International Journal of General Medicine, 18, 5329–5344. https://doi.org/10.2147/IJGM.S532471
Wu, W., Pang, C. N. I., Mediati, D. G., & Tree, J. J. (2024). The functional small RNA interactome reveals targets for the vancomycin-responsive sRNA RsaOI in vancomycin-tolerant Staphylococcus aureus. mSystems, 9(4), Article e00971-23. https://doi.org/10.1128/msystems.00971-23
مجله بیوتکنولوژی کشاورزی
دوره 18، شماره 3
شهریور 1405
صفحه 519-534

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار