这篇文档属于类型a，即报告了一项原创性研究。以下是对该研究的学术报告：
本研究的主要作者包括Thao Le Masters、Stephen Johnson、Patricio R. Jeraldo、Kerryl E. Greenwood-Quaintance、Scott A. Cunningham、Matthew P. Abdel、Nicholas Chia和Robin Patel。研究机构为Mayo Clinic的多个部门，包括临床微生物学部、实验室医学与病理学部、个性化医学中心、外科学部、骨科外科学部以及感染病学部。该研究于2021年8月发表在《The Journal of Molecular Diagnostics》期刊上。
本研究的主要科学领域为微生物学和分子诊断学，具体聚焦于人工关节感染（Periprosthetic Joint Infection, PJI）相关的金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的转录组分析。PJI是一种临床挑战性感染，常由金黄色葡萄球菌引起，该细菌能够在人体内形成生物膜（biofilm），抵抗免疫系统和抗生素治疗。尽管全基因组测序（Whole-Genome Sequencing, WGS）能够揭示细菌的基因组特征，但它无法反映基因表达的动态变化。因此，本研究旨在通过RNA测序（RNA-seq）技术，比较金黄色葡萄球菌在体内（PJI环境）和体外（浮游培养）条件下的转录组差异，以揭示其在感染过程中的适应性机制。
研究流程包括以下几个主要步骤：
临床样本采集与伦理声明
研究纳入了8例因金黄色葡萄球菌PJI接受全髋或全膝关节翻修术的患者。样本为通过超声处理（sonication）从植入物中脱落的液体（sonicate fluid），采集时间为2013年10月至2017年7月。所有样本均经Mayo Clinic的伦理委员会批准，并按照标准协议进行制备和存储。
细菌分离与培养条件
从sonicate fluid中分离出金黄色葡萄球菌，并在体外进行浮游培养。细菌在37°C的胰蛋白酶大豆肉汤中生长至对数期，随后进行RNA提取。
全基因组测序与分析
使用Illumina HiSeq 4000平台对8株金黄色葡萄球菌进行全基因组测序，测序读长为2×150 bp。基因组组装使用SKESA工具，注释使用Prokka工具，并以金黄色葡萄球菌JH1为参考基因组。通过Roary构建泛基因组（pan genome），并使用SeqSphere+进行序列分型（MLST和核心基因组MLST）。
RNA提取与测序
从sonicate fluid和体外培养的细菌中提取总RNA，使用miRNeasy血清/血浆试剂盒进行纯化，并去除宿主RNA和细菌核糖体RNA（rRNA）。RNA测序文库使用Ovation Solo RNA-Seq系统制备，并在Illumina HiSeq 4000平台上进行测序。
转录组数据分析
使用Kallisto进行转录本定量，使用Sleuth进行差异表达分析。差异表达基因的标准为log2 fold change ≥1或≤-1，且q值≤0.05。此外，使用ShortBRED检测抗菌药物耐药基因。
生物膜相关基因的实时定量PCR验证
通过实时定量PCR验证RNA-seq数据中与生物膜形成相关的基因（如ebps和sdrc）的表达水平。
转录组差异表达分析
在体内和体外条件下，8株金黄色葡萄球菌的转录组存在显著差异。平均有887个基因在体内表达上调，572个基因在体内表达下调。其中，与生物膜形成相关的基因（如fnba、fnbb、sdrc、sdrd、sdre和ebps）在体内显著上调，表明金黄色葡萄球菌在PJI环境中倾向于通过ica非依赖性途径形成生物膜。
毒力基因表达
多个毒力基因在体内显著上调，包括编码γ-溶血素（hlga、hlgb、hlgc）和β-溶血素（hlb）的基因，以及编码凝固酶（coa）和热核酸酶（nuc）的基因。这些基因在感染过程中可能通过裂解宿主细胞和调节免疫反应发挥重要作用。
铁获取系统
金黄色葡萄球菌在体内显著上调了与铁获取相关的基因，包括编码铁载体（siderophore）和血红素摄取蛋白（isd）的基因。这表明细菌在PJI环境中通过获取宿主的铁来克服宿主的营养免疫。
抗菌药物耐药基因
在体外条件下，耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）株中检测到mecA基因的高表达，但在体内条件下未观察到显著差异。此外，erm基因在体外和体内条件下均表达，与表型耐药性一致。
本研究通过RNA-seq技术揭示了金黄色葡萄球菌在PJI环境中的转录组特征，发现其在体内通过上调生物膜形成、毒力因子和铁获取相关基因来适应感染环境。这些发现为理解金黄色葡萄球菌在PJI中的致病机制提供了新的见解，并为开发针对PJI的新型治疗策略和疫苗提供了潜在的分子靶点。
首次多病例转录组分析
本研究首次对多例PJI患者的金黄色葡萄球菌进行了体内和体外转录组比较，填补了该领域的研究空白。
揭示ica非依赖性生物膜形成机制
研究发现金黄色葡萄球菌在PJI环境中倾向于通过ica非依赖性途径形成生物膜，这与以往的研究结果有所不同。
铁获取系统的关键作用
研究强调了铁获取系统在金黄色葡萄球菌感染中的重要性，为开发针对铁代谢的抗菌药物提供了理论依据。
本研究还提供了详细的实验方法和数据分析流程，为其他研究者开展类似研究提供了参考。此外，研究数据已上传至NCBI序列读取档案（SRA），可供其他研究者进一步分析和验证。
本研究通过系统的转录组分析，深入揭示了金黄色葡萄球菌在PJI环境中的适应性机制，为临床治疗和基础研究提供了重要的科学依据。