Abstract The agr quorum-sensing system links Staphylococcus aureus metabolism to virulence, in part by increasing bacterial survival during exposure to lethal concentrations of H 2 O 2 , a crucial host defense against S. aureus . We now report that protection by agr surprisingly extends beyond post-exponential growth to the exit from stationary phase when the agr system is no longer turned on. Thus, agr can be considered a constitutive protective factor. Deletion of agr increased both respiration and aerobic fermentation but decreased ATP levels and growth, suggesting that Δ agr cells assume a hyperactive metabolic state in response to reduced metabolic efficiency. As expected from increased respiratory gene expression, reactive oxygen species (ROS) accumulated more in the agr mutant than in wild-type cells, thereby explaining elevated susceptibility of Δ agr strains to lethal H 2 O 2 doses. Increased survival of wild-type agr cells during H 2 O 2 exposure required sodA , which detoxifies superoxide. Additionally, pretreatment of S. aureus with respiration-reducing menadione protected Δ agr cells from killing by H 2 O 2 . Thus, genetic deletion and pharmacologic experiments indicate that agr helps control endogenous ROS, thereby providing resilience against exogenous ROS. The long-lived “memory” of agr -mediated protection, which is uncoupled from agr activation kinetics, increased hematogenous dissemination to certain tissues during sepsis in ROS-producing, wild-type mice but not ROS-deficient (Nox2 −/− ) mice. These results demonstrate the importance of protection that anticipates impending ROS-mediated immune attack. The ubiquity of quorum sensing suggests that it protects many bacterial species from oxidative damage.

We recently described the evolution of a community-acquired methicillin-resistant

ABSTRACT Depletion of microbiota increases susceptibility to gastrointestinal colonization and subsequent infection by opportunistic pathogens such as methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA). How the absence of gut microbiota impacts the evolution of MRSA is unknown. The present report used germ-free mice to investigate the evolutionary dynamics of MRSA in the absence of gut microbiota. Through genomic analyses and competition assays, we found that MRSA adapts to the microbiota-free gut through sequential genetic mutations and structural changes that enhance fitness. Initially, these adaptations increase carbohydrate transport; subsequently, evolutionary pathways largely diverge to enhance either arginine metabolism or cell wall biosynthesis. Increased fitness in arginine pathway mutants depended on arginine catabolic genes, especially nos and arcC , which promote microaerobic respiration and ATP generation, respectively. Thus, arginine adaptation likely improves redox balance and energy production in the oxygen-limited gut environment. Findings were supported by human gut metagenomic analyses, which suggest the influence of arginine metabolism on colonization. Surprisingly, these adaptive genetic changes often reduced MRSA’s antimicrobial resistance and virulence. Furthermore, resistance mutation, typically associated with decreased virulence, also reduced colonization fitness, indicating evolutionary trade-offs among these traits. The presence of normal microbiota inhibited these adaptations, preserving MRSA’s wild-type characteristics that effectively balance virulence, resistance, and colonization fitness. The results highlight the protective role of gut microbiota in preserving a balance of key MRSA traits for long-term ecological success in commensal populations, underscoring the potential consequences on MRSA’s survival and fitness during and after host hospitalization and antimicrobial treatment. Importance The fitness of MRSA depends on its ability to colonize. A key, underappreciated observation is that gut colonization frequently serves as the site for MRSA infections, especially among vulnerable groups such as children and hospitalized adults. By evolving MRSA strains in germ-free mice, we identify molecular mechanisms underlying how MRSA exploits a depletion in host microbiota to enhance gut colonization fitness. This work points to bacterial colonization factors that may be targetable. Our findings indicate that adaptive changes in MRSA often reduce its antimicrobial resistance and virulence, and are suppressed by the presence of native commensal bacteria. This work helps explain the ecology of pathoadaptive variants that thrive in hospital settings but falter under colonization conditions in healthy hosts. Additionally, it illustrates the potential adverse effects of prolonged, broad-spectrum empirical antimicrobial therapy and adds a new type of weight to calls for microbiota transplantation to reduce colonization by antimicrobial-resistant pathogens.

Staphylococcus aureus is a metabolically versatile pathogen that colonizes nearly all organs of the human body. A detailed and comprehensive knowledge of staphylococcal metabolism is essential to understanding its pathogenesis. To this end, we have reconstructed and experimentally validated an updated and enhanced genome-scale metabolic model of S. aureus USA300_FPR3757. The model combined genome annotation data, reaction stoichiometry, and regulation information from biochemical databases and previous strain-specific models. Reactions in the model were checked and fixed to ensure chemical balance and thermodynamic consistency. To further refine the model, growth assessment of 1920 non-essential mutants from the Nebraska Transposon Mutant Library was performed and metabolite excretion profiles of important mutants in carbon and nitrogen metabolism were determined. The growth and no-growth inconsistencies between the model predictions and in vivo essentiality data were resolved using extensive manual curation based on optimization-based reconciliation algorithms. Upon intensive curation and refinements, the model contains 840 metabolic genes, 1442 metabolites, and 1566 reactions including transport and exchange reactions. To improve the accuracy and predictability of the model to environmental changes, condition-specific regulation information curated from the existing knowledgebase was incorporated. These critical additions improved the model performance significantly in capturing gene essentiality, substrate utilization, and metabolite production capabilities and increased the ability to generate model-based discoveries of therapeutic significance. Use of this highly curated model will enhance the functional utility of omics data and, therefore, serve as a resource to support future investigations of S. aureus and to augment staphylococcal research worldwide.

Gastrointestinal (GI) colonization by methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) is associated with a high risk of transmission and invasive disease in vulnerable populations. The immune and microbial factors that permit GI colonization remain unknown. Male sex is correlated with enhanced Staphylococcus aureus nasal carriage, skin and soft tissue infections, and bacterial sepsis. Here, we established a mouse model of sexual dimorphism during GI colonization by MRSA. Our results show that in contrast to male mice that were susceptible to persistent colonization, female mice rapidly cleared MRSA from the GI tract following oral inoculation in a manner dependent on the gut microbiota. This colonization resistance displayed by female mice was mediated by an increase in IL-17A+ CD4+ T cells (Th17) and dependent on neutrophils. Ovariectomy of female mice increased MRSA burden, but hormonally female mice that have the Y chromosome retained enhanced Th17 responses and colonization resistance. Our study reveals a novel intersection between sex and gut microbiota underlying colonization resistance against a major widespread pathogen.