Advances in Clinical and Experimental Medicine

Title abbreviation: Adv Clin Exp Med
JCR Impact Factor (IF) – 2.1 (5-Year IF – 2.0)
Journal Citation Indicator (JCI) (2023) – 0.4
Scopus CiteScore – 3.7 (CiteScore Tracker 3.3)
Index Copernicus  – 161.11; MNiSW – 70 pts

ISSN 1899–5276 (print)
ISSN 2451-2680 (online)
Periodicity – monthly

Download original text (EN)

Advances in Clinical and Experimental Medicine

2007, vol. 16, nr 5, September-October, p. 619–628

Publication type: original article

Language: English

Tetracycline Resistance Mechanisms of Staphylococcus Aureus Strains Isolated from Patients in Wrocław

Mechanizmy oporności na tetracyklinę u szczepów Staphylococcus aureus izolowanych od chorych z terenu Wrocławia

Elżbieta Litwinek1,, Jerzy Piątkowski2,, Izabela Dolna1,, Beata Kowalska−Krochmal1,, Anna Przondo−Mordarska1,

1 Department of Microbiology, Silesian Piasts University of Medicine in Wrocław, Poland

2 Institute of Genetics and Microbiology, University of Wrocław, Poland

Abstract

Background. The mechanism of the antibacterial activity of tetracyclines consists in protein biosynthesis inhibition. Resistance to these drugs is caused either by modification of tetracycline’s ribosomal target site or by the activity of efflux pumps which extrude the antibiotic from the bacterial cell. Reserpine is one of the known efflux pump inhibitors. It is unknown to what extent the efflux mechanism determines tetracycline resistance among the S. aureus strains isolated from patients in Wrocław. The aim of this study was to identify transporters which remove tetracycline from S. aureus cells.
Material and Methods. The level of tetracycline resistance was determined in S. aureus by serial antibiotic dilutions in solid media and by estimating MIC according to NCCLS guidelines. The tetracycline resistance genes tet(K), tet(L), and tet(M), tet(O) were detected by PCR. Tetracycline accumulation in cells was measured using a radioactively labeled form of it by a method described elsewhere.
Results. Of the tetracycline efflux pump genes, only tet(K) was identified. The second resistance determinant with regard to the frequency of occurrence was tet(M), wchich is responsible for a tetracycline target side modification In the strains with the efflux system, application of a pump inhibitor caused an increase in tetracycline accumulation in the cell. In contrast, the tetracycline cell concentration was decreased in the strains which did not possess the efflux mechanism.
Conclusion. In the patient−derived strains of S. aureus, efflux−dependent tetracycline resistance determined by the Tet(K) transporter was found to predominate. In the strains with a high level of tetracycline resistance, the transporter coexisted with Tet(M) protein, responsible for antibiotic target−site modification. A study using a radioisotopic method indicated that another, as yet unknown pump for tetracycline removal exists in S. aureus cells.

Streszczenie

Wprowadzenie. Mechanizm przeciwbakteryjnego działania tetracyklin polega na inhibicji biosyntezy białka. Oporność na tę grupę antybiotyków u S. aureus jest wywołana modyfikacją miejsca ich docelowego działania w rybosomie lub aktywnością pomp wyrzucających antybiotyk na zewnątrz komórki. Inhibitorem pomp jest m.in. rezerpina. Nie ustalono, jak często mechanizm aktywnego wypływu decyduje o oporności na tetracykliny u szczepów Staphylococcus aureus izolowanych od chorych z Wrocławia.
Cel pracy. Identyfikacja pomp usuwających tetracyklinę z komórek S. aureus.
Materiał i metody. Poziom oporności S. aureus na tetracyklinę określono metodą seryjnych rozcieńczeń antybiotyku w podłożu stałym, ustalając wartość MIC antybiotyku wg zaleceń NCCLS. Obecność genów tet(K), tet(L) oraz tet(M), tet(O) stwierdzono za pomocą techniki PCR. Wewnątrzkomórkową akumulację tetracykliny mierzono z użyciem znakowanego izotopowo antybiotyku wg metody opisanej przez Wondrack et al.
Wyniki. Spośród genów kodujących pompy dla tetracykliny, zidentyfikowano tylko tet(K). Drugą, co do częstości występowania, determinantą genetyczną był gen tet(M), odpowiadający za zmianę miejsca docelowego działania antybiotyku. U szczepów posiadających mechanizm aktywnego wypływu (efflux) zastosowanie inhibitora pomp powodowało wzrost kumulacji tetracykliny w komórkach, a u szczepów pozbawionych tego mechanizmu obserwowano zmniejszanie wewnątrzkomórkowego stężenia antybiotyku.
Wnioski. U szczepów S. aureus izolowanych z terenu Wrocławia dominującym mechanizmem oporności na tetracykliny jest aktywny wypływ antybiotyku zależny od transportera Tet(K). U szczepów wysoko opornych współ− występuje on z białkami Tet(M) modyfikującymi miejsce docelowego działania tej grupy antybiotyków. Badania izotopowe wskazują również na obecność w komórkach badanych szczepów innego nieznanego dotąd transportera usuwającego tetracykliny.

Key words

antibiotic resistance, tetracycline, membrane transporters, tet(K), tet(M)

Słowa kluczowe

antybiotykooporność, tetracyklina, transportery błonowe, tet(K), tet(M)

References (17)

  1. Bryskier A: Tetracyclines. In: Antimicrobial agents – antibacterials and antifungals. Bryskier A (ed.), ASM Press, Washington DC 2005, 1st ed., pp. 642–651.
  2. Chopra I, Roberts M: Tetracycline antibiotics: mode of action, applications, molecular biology and epidemiology of bacterial resistance. Microbiol Mol Biol Rev 2001, 65, 232–260.
  3. Levy SB, McMurry LM, Barbosa TM, Burdett V, Courvalin P, Hillen W, Roberts MC, Rood JI, Taylor DE: Nomenclature for new tetracycline resistance determinants. Antimicrob Agents Chemother 1999, 43, 1523–1524.
  4. Ginn SL, Brown MH, Skurray RA: Membrane topology of the metal−tetracycline/H+ antiporter TetA(K) from Staphylococcus aureus. J Bacteriol 1997, 179, 3786–3789.
  5. Guay GG, Khan SA, Rothstein DM: The tet(K) gene of plasmid pT181 of Staphylococcus aureus encodes an efflux protein that contains 14 transmembrane helices. Plasmid 1993, 30, 163–166.
  6. Hirata T, Fujihira E, Kimura−Someya T, Yamaguchi A: Membrane topology of the Staphylococcal tetracycline efflux protein Tet(K) determined by antibacterial resistance gene fusion. J Biochem 1998, 124, 1206–1211.
  7. Connell SR, Tracz DM, Nierhaus KH, Taylor DE: Ribosomal protection proteins and their mechanism of tetracycline resistance. Antimicrob Agents Chemother 2003, 47, 3675–3681.
  8. Gibbons S, Udo EE: The effect of reserpine, a modulator of multidrug efflux pumps, on the in vitro activity of tetracycline against clinical isolates of methicillin resistant Staphylococcus aureus (MRSA) possessing the tet(K) determinant. Phytother Res 2000, 14, 139–140.
  9. Hirata T, Wakatabe R, Nielsen J, Satoh T, Nihira S, Yamaguchi A: Screening of an inhibitor of the tetracycline efflux pump in a tetracycline−resistant clinical−isolate of Staphylococcus aureus 743. Biol Pharm Bull 1998, 21, 678–681.
  10. National Committee for Clinical Laboratory Standard Institution: Methods for Dilution Antimicrobial Susceptibility Tests for Bacteria that Grow Aerobically; Approved Standard – Fifth Edition. NCCLS 2000, M7–A5.
  11. Trzciński K, Cooper BS, Hryniewicz W, Dowson HG: Expression of resistance to tetracyclines in strains of methicillin−resistant Staphylococcus aureus. J Antimicrob Chemother 2000, 45, 763–770.
  12. Wondrack L, Massa M, Yang BV, Sutcliffe J: Clinical strain of Staphyloccocus aureus inactivates and causes efflux of macrolides. Antimicrob Agents Chemother 1996, 40, 992–998.
  13. Reynolds E, Ross JI, Cove JH: Msr(A) and related macrolide/streptogramin resistance determinants: incomplete transporters? Int J Antimicrob Agents 2003, 22, 228–236.
  14. McDevitt D, Wann ER, Foster TJ: Recombination at the coagulase locus in Staphylococcus aureus: plasmid integration and amplification. J Gen Microbiol 1993, 139, 695–706.
  15. Schmitz FJ, Krey A, Sadurski R, Verhoef J, Milatovic D, Fluit AC: Resistance to tetracycline and distribution of tetracycline resistance genes in European Staphylococcus aureus isolates. J Antimicrob Chemother 2001, 47, 239–240.
  16. Jin J, Guffanti AA, Bechhofer DH, Krulwich TA: Tet(L) and tet(K) tetracycline−divalent metal/H+ antiporters: characterization of multiple catalytic modes and a mutagenesis approach to differences in their efflux substrate and coupling ion preferences. J Bacteriol 2002, 184, 4722–4732.
  17. Alberts B, Bray D, Lewis J, Raff M, Roberts K, Watson JD: 1986. Conversion de L’énergie: mitochondries et chloroplastes. P. 508. In Biologie moléculaire de la cellule. Flammarian−Médecine Sciences, Paris.