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病原生物學(xué)出版教材-文字教材:高級醫(yī)學(xué)微生物學(xué)(主編)第2章 毒力島

病原生物學(xué)出版教材文字教材:高級醫(yī)學(xué)微生物學(xué)(主編)第2章 毒力島:第2章毒力島20世紀(jì)80年代初,Goebel研究發(fā)現(xiàn),泌尿道致病性大腸埃希菌(uropathogenicE.coli,UPEC)α-溶血素(α-hemolysin)基因位于一較大的染色體DNA區(qū)域上,稱之為“溶血素島”。該島僅見于UPEC菌株中,而不存在于非致病性大腸埃希菌中,并且該島還攜帶其他毒力基因(如P菌毛的編碼基因)。90年代Hacker將該島命名為“毒力島或致病島”(pathog

第2章  毒 力 島

20世紀(jì)80年代初,Goebel研究發(fā)現(xiàn),泌尿道致病性大腸埃希菌(uropathogenic E.coli,UPEC)α-溶血素(α-hemolysin)基因位于一較大的染色體DNA區(qū)域上,稱之為“溶血素島”。該島僅見于UPEC菌株中,而不存在于非致病性大腸埃希菌中,并且該島還攜帶其他毒力基因(如P菌毛的編碼基因)。90年代Hacker將該島命名為“毒力島或致病島”(pathogenicityisland),從此毒力島成為細(xì)菌致病機(jī)制研究中的一個新概念。

第一節(jié)  毒力島的概念

1997年,Hacker將毒力島定義為:一個分子量很大的(>30kb)、載有多個毒力基因的、不穩(wěn)定的染色體DNA片段,外緣與tRNA基因和/或插入序列相連,存在于強(qiáng)毒株,在相關(guān)菌的弱毒株或無毒株中不存在或僅散在分布。

近年來,相繼在大腸埃希菌、耶爾森菌屬、幽門螺桿菌、霍亂弧菌、鼠傷寒沙門菌、志賀菌等重要致病菌中發(fā)現(xiàn)了約20多個毒力島(表2-1)。隨著研究的深入,毒力島的定義也有了較大的改變。根據(jù)最新研究資料,毒力島應(yīng)具有以下特征:

表2-1  部分病原菌的毒力島

細(xì)   菌

毒力島

功   能

尿路致病性大腸埃希菌(UPEC)536

尿路致病性大腸埃希菌(UPEC)J96

尿路致病性大腸埃希菌(UPEC)CF073

腸致病性大腸埃希菌(EPEC)

腸出血性大腸埃希菌(EHEC)O157:H7

產(chǎn)志賀毒素的大腸埃希菌(STEC)

腸聚集性大腸埃希菌(EAEC)

沙門菌屬(Salmonella)

霍亂弧菌(V. cholerae )O139

福氏志賀菌(S. flexneri)

鼠疫耶氏菌(Y. pestis)

假結(jié)核耶氏菌

Y. pseudotuberculosis)

小腸結(jié)腸炎耶氏菌

Y. enterocolitia)

葡萄球菌(Staphylococus)

嗜血流感桿菌(H.influenzae)

幽門螺桿菌(H.pylori)

PaiⅠ

PaiⅡ

PaiⅣ

PaiⅤ

PaiⅥ

PaiⅢ(LEE)

PaiⅢ(LEE)

HPI

HPI

SPI1,SPI2,

SPI3,SPI4,

SPI5

OtnA-OtnB, Tcp-Acf

She

Yps HPI

Yen HPI

Yps HPI

Tst

HPI

cag

編碼α-溶血素Ⅰ、菌毛

編碼α-溶血素Ⅱ、菌毛

編碼α-溶血素Ⅰ、菌毛

編碼α-溶血素Ⅱ、菌毛及Ⅰ型細(xì)胞壞死因子

編碼溶血素和菌毛

編碼Ⅲ型分泌系統(tǒng),介導(dǎo)AE損傷

編碼Ⅲ型分泌系統(tǒng),介導(dǎo)AE損傷

編碼Ⅲ型分泌系統(tǒng),介導(dǎo)對腸道上皮細(xì)胞的侵襲;編碼I型分泌系統(tǒng),與在巨噬細(xì)胞內(nèi)存活有關(guān);編碼毒力相關(guān)基因,與液體分泌及炎癥反應(yīng)有關(guān)

編碼莢膜和O抗原;編碼霍亂毒素調(diào)節(jié)因子、定居因子、毒素噬菌體受體

編碼IgA蛋白酶樣家族產(chǎn)物,與致病性有關(guān)

編碼耶爾森桿菌素的合成、運(yùn)輸及調(diào)節(jié)所需的蛋白,介導(dǎo)鐵攝取

編碼耶爾森桿菌素的合成、運(yùn)輸及調(diào)節(jié)所需的蛋白,介導(dǎo)鐵攝取

編碼耶爾森桿菌素的合成、運(yùn)輸及調(diào)節(jié)所需的蛋白,介導(dǎo)鐵攝取

編碼毒性休克綜合征毒素

編碼色氨酸酶操縱子

編碼CagA等蛋白,介導(dǎo)IL-8的分泌

(1)一個相對分子量較大的(20~100kb)的染色體DNA片段。

(2)含有編碼細(xì)菌毒力的基因簇,其產(chǎn)物多為分泌性蛋白和細(xì)胞表面蛋白,如溶血素、菌毛和血紅素結(jié)合因子,一些毒力島編碼輸出毒力因子的分泌系統(tǒng)(如Ⅲ型分泌系統(tǒng))、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

(3)一些毒力島的兩側(cè)常常具有同向重復(fù)序列(RS)和插入元件(IS),但也能沒有。

(4)往往位于細(xì)菌染色體的tRNA基因位點(diǎn)內(nèi)或附近,或者位于與噬菌體整合有關(guān)的位點(diǎn),毒力島的插入位點(diǎn)常與tRNA基因有關(guān)。

(5)毒力島DNA片段的G+Cmol%、密碼使用與宿主菌染色體有明顯差異,有的比宿主菌G+Cmol%明顯高,有的低,提示毒力島是通過基因的水平轉(zhuǎn)移從外界獲得的。

(6)是可移動的遺傳成分和不穩(wěn)定的DNA區(qū)域,可發(fā)生部分或完全缺失。缺失的頻率為10-4~10-5

不過,有些毒力島的某些特征也有例外,如幽門螺桿菌cag毒力島既不插入在tRNA位點(diǎn)內(nèi)或其附近,也不位于與噬菌體整合有關(guān)的位點(diǎn)。事實(shí)上,毒力島具有很大的異質(zhì)性。

一種病原菌可以有1個或幾個毒力島,如鼠傷寒沙門菌有5個毒力島。部分學(xué)者認(rèn)為,毒力島還應(yīng)包括位于噬菌體和質(zhì)粒上與毒力有關(guān)的、其G+Cmol%和密碼使用與宿主菌明顯不同的DNA片段。

毒力島不僅賦予病原菌特殊的致病能力,介導(dǎo)感染過程的特殊階段,而且在細(xì)菌進(jìn)化過程中扮演重要角色,毒力島的獲得可能與新現(xiàn)病原菌密切相關(guān)。因此,毒力島的發(fā)現(xiàn)和研究為深入了解細(xì)菌的致病性、毒力因子和進(jìn)化提供了有效的途徑。

第二節(jié) 大腸埃希菌的毒力島

一、尿路致病型大腸埃希菌的毒力島

毒力島特征  目前,在尿路致病型大腸埃希菌(UPEC)中已發(fā)現(xiàn)5個毒力島(表2-2)。從表2-1和表2-2可見,泌尿道致病性大腸埃希菌的毒力島具有以下主要特征:

表2-2  泌尿道致病大腸埃希菌的毒力島及其特點(diǎn)

菌  株

毒力島

位  置

大小

G+C%*

特   點(diǎn)

UPEC 536

UPEC J96

UPEC CF073

PaiⅠ

PaiⅡ

PaiⅣ

PaiⅤ

PaiⅥ

82'  selC-tRNA

97'  leuX-tRNA

64'  pheV-tRNA

94'  pheR-tRNA

62.7'metV-tRNA

70kb

90kb

170kb

106kb

58kb

41/51

41/51

41/51

41/51

42.9/51

末端具有16bp的同向重復(fù)序列

末端具有18bp的同向重復(fù)序列

具有IS和R質(zhì)粒、P4噬菌體序列,末端具有135bp的同向重復(fù)序列

具有IS、P4噬菌體序列和OmpR類似結(jié)構(gòu)

  *  斜線前為毒力島的G+Cmol%,斜線后為該毒力島所在細(xì)菌染色體的G+Cmol%

(1)大小為58~170kb;

(2)攜帶毒力基因簇,能編碼α-溶血素Ⅰ/Ⅱ、P相關(guān)菌毛(P-related fimbrial,Prf)和Ⅰ型細(xì)胞壞死因子;

(3)兩側(cè)具有同向重復(fù)序列和/或插入序列;

(4)雖然各個毒力島的細(xì)微結(jié)構(gòu)不同,但都位于染色體的tRNA位點(diǎn)內(nèi);一些毒力島上還發(fā)現(xiàn)有R質(zhì)粒和P4噬菌體的序列;

(5)G+Cmol%均比宿主菌染色體的低;

(6)含有一些潛在的可移動成分如插入序列、整合酶(intergrase)基因等,可發(fā)生缺失;

PaiⅠ和PaiⅡ的比較  如圖2-1所示,PaiⅠ和PaiⅡ的兩側(cè)分別為16bp和18bp的同向重復(fù)序列,其中一個拷貝是tRNA基因3'端噬菌體附著位點(diǎn)的一部分,不同的是,PaiⅠ的tRNA基因?yàn)榫幋a硒代半胱氨酸tRNA的selC基因,緊鄰selC-tRNA基因3'端為一靜息(cryptic)的整合酶基因intA;而PaiⅡ的tRNA基因則為編碼亮氨酸t(yī)RNA的leuX基因,即leuX-tRNA基因是PaiⅡ的插入位點(diǎn),緊鄰該基因的為一靜息的P4噬菌體整合酶基因。值得注意的是,leuX-tRNA還可作為調(diào)節(jié)基因,影響其它毒力相關(guān)基因(如Ⅰ型菌毛和鞭毛的編碼基因)的表達(dá)。以上提示毒力島PaiⅡ和leuX-tRNA可能共同進(jìn)化。

UPEC毒力島可以10-4的頻率從野生株染色體上缺失,使之成為無毒突變株。缺失的機(jī)制還不清楚,可能與IS和毒力島兩側(cè)的同向重復(fù)序列有關(guān)。

圖2-1  UPEC 536菌株的毒力島(PaiⅠ、PaiⅡ)結(jié)構(gòu)示意圖

與UPEC 563菌株毒力島相關(guān)的selC-tRNA基因和leuX-tRNA基因的3'端分別是噬菌體R73和P4整合的附著位點(diǎn),而與UPECJ96菌株pheV-tRNA基因和pheR-tRNA基因的3'端則為接合轉(zhuǎn)座子整合到腸致病性大腸埃希菌染色體的靶位點(diǎn)。因此,tRNA基因的3'端可能通常作為外源DNA整合到細(xì)菌基因組的位點(diǎn)。

UPEC 536株的PaiⅠ和PaiⅡ附近分別有靜息的噬菌體R73和P4的整合酶基因,并且G+Cmol%比宿主菌低。因此,推測毒力島或毒力島的一部分來源于整合的前噬菌體(或其它可移動的遺傳成分),后者被稱為“毒力島的前體”(Paiprocursor)或“前毒力島”(pre-Pais)。

另外,毒力島上還存在與質(zhì)粒復(fù)制起始位點(diǎn)同源的序列、插入元件和“重組熱點(diǎn)(Rhs)部分,提示毒力島的外源性。

二、腸致病性大腸埃希菌和腸出血性大腸埃希菌的毒力島

腸致病性大腸埃希菌(enteropathogenic E.coli,EPEC)是引起嬰幼兒急、慢性腹瀉和成人散發(fā)腹瀉的一類重要病原菌。腸出血性大腸埃希菌(enterophemorrhagicE.coli,EHEC)O157∶H7是一種新發(fā)現(xiàn)的病原菌,不僅能引起一般性腹瀉,而且能引起出血性腸炎和溶血性尿毒綜合征。

LEE毒力島與AE損傷  EPEC和EHEC在致病過程中都能產(chǎn)生特征性的組織病理學(xué)變化—粘附和脫落損傷(attaching andeffacing lesion),簡稱AE損傷,其特征為:病菌借助菌毛粘附在宿主腸上皮細(xì)胞微絨毛上,并通過宿主細(xì)胞的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng),激活細(xì)胞內(nèi)氨酸激酶,致使膜蛋白Hp90的酪氨酸磷酸化,細(xì)胞內(nèi)的肌醇磷酸和Ca2+濃度升高。然后,細(xì)菌緊密粘附于宿主細(xì)胞膜上,引起細(xì)胞骨架重排,在細(xì)菌粘附處形成致密的纖維樣肌動蛋白基座。最后,上皮細(xì)胞杯狀內(nèi)陷包繞細(xì)菌,細(xì)胞的刷狀緣脫落并失去微絨毛,上皮細(xì)胞排列紊亂和功能受損,造成嚴(yán)重的腹瀉。

決定AE損傷的基因位于EPEC和EHEC染色體上一個大約35kb的區(qū)域,即LEE(locus of enterocyteeffacement)毒力島。不產(chǎn)生AE損傷的大腸埃希菌中未發(fā)現(xiàn)LEE毒力島。該島位于染色體82min位置,插入在selC-tRNA處,其G+Cmol%為39%,明顯低于EPEC染色體DNAG+Cmol%(51%),其功能為編碼Ⅲ型分泌系統(tǒng)和介導(dǎo)AE損傷。與UPEC 536株的毒力島相比,LEE毒力島的兩側(cè)沒有發(fā)現(xiàn)重復(fù)序列和插入序列,這也可能是LEE較其它毒力島穩(wěn)定的原因。

EPEC LEE毒力島結(jié)構(gòu)與功能  腸致病性大腸埃希菌E2348/69菌株的LEE毒力島全長35 624bp,預(yù)測共有41個開放閱讀框, 至少分三個功能區(qū)(圖2-2):eae(E. coli attaching and effacing)基因區(qū)、esps (E. coli secretedproteins)基因區(qū)和escs(E. coli secretion)基因區(qū),可能編碼AE病變所必需的全部蛋白,包括(圖2-3):

圖2-3  腸致病性大腸埃希菌AE損傷示意圖

1.緊密粘附素(intimin) 是由eae 基因編碼的一種外膜蛋白,作為粘附因子介導(dǎo)細(xì)菌緊密粘附到宿主細(xì)胞上,并激活宿主細(xì)胞的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)。

2.Esps  由esps基因編碼,目前較為清楚的有4種蛋白,即:①EspA、EspB、EspD:可通過Ⅲ型分泌系統(tǒng)直接移位于被粘附的上皮細(xì)胞中,并與EspC(LEE島外基因轉(zhuǎn)錄合成)一起,共同誘導(dǎo)宿主細(xì)胞一系列的信號轉(zhuǎn)導(dǎo);②緊密素易位受體(translocatedintimin receptor,Tir):Tir由Ⅲ型分泌系統(tǒng)分泌后經(jīng)轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入上皮細(xì)胞膜,插入到膜蛋白中,然后經(jīng)磷酸化后,作為intimin在宿主細(xì)胞表面的受體,它有三個結(jié)構(gòu)域:胞外結(jié)構(gòu)域、跨膜結(jié)構(gòu)域和胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域,其中胞外結(jié)構(gòu)域作為細(xì)菌表面的緊密素受體,胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域可誘導(dǎo)聚集的肌動蛋白和其他細(xì)胞骨架蛋白集中而產(chǎn)生基質(zhì)。緊密素與Tir結(jié)合,進(jìn)而誘導(dǎo)不可逆的緊密粘附、肌動蛋白粘連和AE損傷的形成。在這一過程中,宿主的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)起了重要的作用。

3.Escs  由escs基因編碼,至少包括9種蛋白,共同組成Ⅲ型分泌系統(tǒng),將Esps等毒力因子分泌至細(xì)胞外或直接注入宿主細(xì)胞以啟動信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。目前,Ⅲ型分泌系統(tǒng)已成為病原菌致病機(jī)制研究的熱點(diǎn)之一。在志賀菌、沙門菌、耶爾森菌屬中也發(fā)現(xiàn)類似的分泌系統(tǒng)。研究發(fā)現(xiàn),在腸致病性大腸埃希菌編碼Ⅲ型分泌系統(tǒng)的基因中,約1/3與耶爾森菌屬Ⅲ型分泌系統(tǒng)的編碼基因及鼠傷寒沙門菌SPI-2毒力島的ssa基因同源,提示它們有共同的來源或進(jìn)化上的密切關(guān)系。

4.CesD和CesT  分別由cesDcesT基因編碼,為分子伴侶蛋白(chaperone)。

EHEC與EPEC LEE毒力島的比較  腸出血性大腸埃希菌O157∶H7與腸致病性大腸埃希菌E2348/652667788.cn9的LEE島具有相同的特征,但在細(xì)微結(jié)構(gòu)上存在差異。EHECO157∶H7菌株LEE島長43 359bp,包含54個開放閱讀框,其中13個位于前噬菌體933L(可能屬于P4噬菌體家族)上,該前噬菌體未在EPEC E2348/69株的LEE島上發(fā)現(xiàn);其余41個開放閱讀框?yàn)閮蓚島所共有,大部分基因的同源性超過95%,少數(shù)基因則高度變異。高度變異的基因主要是eae、espB、espD、和espA等,所編碼的蛋白涉及細(xì)菌與宿主細(xì)胞相互作用,如參與宿主上皮細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、緊密粘附和AE損傷,提示毒力島上的一些高度保守的重要毒力基因因宿主菌的不同而發(fā)生變異,這有利于宿主菌更好地適應(yīng)宿主環(huán)境。

緊密粘附素介導(dǎo)細(xì)菌與宿主細(xì)胞結(jié)合,其變異可能影響大腸埃希菌在小腸的定居位點(diǎn)。用攜帶EPEC eae基因的質(zhì)粒互補(bǔ)O157∶H7突變的eae基因,結(jié)果EHEC O157∶H7的定居位點(diǎn)發(fā)生改變,反之亦然,而且更加明顯。EPEC感染宿主細(xì)胞時,Tir被轉(zhuǎn)運(yùn)至宿主細(xì)胞,經(jīng)磷酸化后,呈現(xiàn)于宿主細(xì)胞表面,作為intimin的受體,而EHECO157∶H7感染時,雖然Tir也被轉(zhuǎn)位,但并未磷酸化。以上提示EPEC 和EHEC 之間LEE毒力島上的變異有表型效應(yīng)。

另外,LEE島還可能編碼調(diào)節(jié)蛋白,并攜帶一些有趣的非編碼的遺傳成分,如LEE島右端的殘余轉(zhuǎn)座酶基因及較大的腸桿菌重復(fù)基因間共同序列(ERIC),前者可能與LEE進(jìn)入染色體有關(guān),后者可能影響基因的調(diào)控。盡管UPEC和EPEC所致疾病不同,但UPEC536株的PaiⅠ和EPEC E2348/69株的LEE毒力島都準(zhǔn)確插入在相同位點(diǎn),即selC-tRNA基因處,這為tRNA基因的3'端可能通常作為外源DNA整合到細(xì)菌基因組的位點(diǎn)這一假設(shè)提供了又一證據(jù)。

第三節(jié)  耶爾森菌屬的毒力島

耶爾森菌屬至少包括11個菌種,其中鼠疫耶氏菌、假結(jié)核耶氏菌和小腸結(jié)腸炎耶氏菌與人類致病關(guān)系較為密切。鼠疫耶氏菌是鼠疫的病原體,主要經(jīng)鼠蚤傳播,歷史上曾引起災(zāi)難性的鼠疫流行;假結(jié)核耶氏菌和小腸結(jié)腸炎耶氏菌是經(jīng)食物和水源傳播的致病菌,在人類可引起腸系膜淋巴結(jié)炎和腸炎。

同一致病菌的不同菌株對小鼠毒性不同,據(jù)此可將該屬的致病菌分為強(qiáng)毒株和弱毒株。遺傳分析表明,強(qiáng)毒株具有的小鼠毒性特征取決于一個35kb的毒力島,該島不存在于弱毒株和無毒株中,故稱之為強(qiáng)毒力島(high pathogenicity island, HPI)。序列分析顯示,鼠疫耶氏菌及假結(jié)核耶氏菌O1血清型攜帶的HPI高度保守,而小腸結(jié)腸炎耶氏菌所攜帶的HPI則有明顯差異。因此,耶爾森菌屬的HPI 可分為2類:Yen-HPI和Yps-HPI(表2-3)。

表2-3  耶爾森菌屬毒力島及其特點(diǎn)

細(xì)  菌

毒力島

位  置

大小

G+C%#

特  點(diǎn)

鼠疫耶氏菌

假結(jié)核耶氏菌

小腸結(jié)腸炎耶氏菌

Yps HPI

Yps HPI

Yen HPI

asn-tRNA

asn-tRNA

asn-tRNA

35kb

35kb

45kb

59/47

59/47

57.5/47

與色素沉積片段連鎖,末端具有DR17 ,一端有IS100,有3個與噬菌體蛋白相關(guān)的編碼序列,可發(fā)生不精確切除

末端具有DR17,一端有IS100,可發(fā)生精確切除

末端具有DR17,無IS100,有IS1328、IS1329、IS1400,切除的頻率極低

# 斜線前為毒力島G+Cmol%,斜線后為該毒力島所在細(xì)菌染色體G+Cmol%

一、小腸結(jié)腸炎耶氏菌的HPI

小腸結(jié)腸炎耶氏菌可分為1A、1B及2~4共6個生物型,其中僅1B生物型為強(qiáng)毒株,低劑量靜脈注射可使小鼠死亡(LD50<103cfu),在人類可引起嚴(yán)重或致死性疾;非1B生物型均為弱毒株,低劑量靜脈注射不能使小鼠死亡(LD50>105cfu),在人類僅引起輕微的腸道感染。研究發(fā)現(xiàn),YenHPI僅存在于強(qiáng)毒株1B生物型,而不存在于非1B生物型。

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)  在小腸結(jié)腸炎耶氏菌Ye8081菌株中,Yen HPI全長43 393bp,大致可分為2個區(qū)域(圖2-4):

(1)功能核心區(qū):為GC富含區(qū),大小為30.5kb,為Yen HPI和Yps HPI所共有的部分,包括從intB到fyuA共12個基因,編碼產(chǎn)物主要參與耶爾森桿菌素的合成、調(diào)節(jié)和攝取,故稱為HPI的“功能核心區(qū)”。功能核心區(qū)的G+Cmol%為57.5%,高于該菌染色體其它部分,提示HPI來源于一個G+Cmol%較高的遺傳元件。

圖2-4  Yen HPI的結(jié)構(gòu)示意圖

(注:→代表ORF的位置和轉(zhuǎn)錄方向)

(2)可變區(qū):為AT富含區(qū),大小為12.8kb,包含4個插入序列(IS1328、IS1329、IS1400、IS1222)和另外7個開放閱讀框,功能不明,僅知其中3個插入序列編碼6種轉(zhuǎn)座酶。

功能  鐵是許多致病菌生長不可缺少的微量元素,細(xì)菌從宿主體內(nèi)獲取鐵的能力是致病成功的關(guān)鍵因素之一。在人體內(nèi),鐵主要以血紅蛋白、肌紅蛋白和轉(zhuǎn)鐵蛋白(transferrin)等形式存在,細(xì)菌不能直接利用,而體液中游離鐵的含量在10-8以內(nèi),明顯低于細(xì)菌正常生長所必需的鐵量,因此,細(xì)菌必須啟動一些有效的鐵攝取系統(tǒng)來獲得鐵以維持其生長與繁殖。

小腸結(jié)腸炎耶氏菌強(qiáng)毒株Yen HPI攜帶與鐵攝取有關(guān)的基因簇,包括耶爾森桿菌素(yersiniabactin,Ybt)的合成基因(irps)、攝取基因(fyuA)和調(diào)節(jié)基因(ybtA),組成耶爾森桿菌素介導(dǎo)鐵攝取系統(tǒng),這是小鼠致死表型表達(dá)必不可少的遺傳單元。具體地說,在鐵缺乏條件下,小腸結(jié)腸炎耶氏菌強(qiáng)毒株HPI能合成低分子量的高鐵螯合物,即鐵載體Ybt,從宿主轉(zhuǎn)鐵蛋白分子上奪取鐵,然后通過外膜受體(Psn/FyuA)等,將鐵轉(zhuǎn)運(yùn)至菌體內(nèi),供細(xì)菌生長利用。

也有人提出,HPI編碼的鐵攝取系統(tǒng)有利于耶爾森菌的最適生存,并不直接與感染和損傷宿主有關(guān),可能并非真正的毒力島。

穩(wěn)定性  Yen HPI至少存在4個重復(fù)序列(IS1328,IS1329,RS3和RS4),它們可能與毒力島的穩(wěn)定性有關(guān)。除了島的左端15kb,特別是重復(fù)序列聚集的區(qū)域外,島的大部分是保守的。YenHPI兩端為17bp的同向重復(fù)序列DR17,與天冬酰胺tRNA基因asnT-tRNA 3'端不完全重復(fù),與其緊鄰的為一滅活的整合酶基因intB,因閱讀框內(nèi)單個堿基突變(由GAA變成TAA),導(dǎo)致intB過早出現(xiàn)終止密碼子而滅活,故YenHPI似乎比Yps HPI穩(wěn)定。Yen-HPI 雖可發(fā)生不完全缺失,但缺失的頻率比Yps HPI低得多。

二、鼠疫耶氏菌和假結(jié)核耶氏菌的HPI

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)  YpsHPI是存在于鼠疫耶氏菌和假結(jié)核耶氏菌O1血清型染色體上的毒力基因簇,內(nèi)含合成與攝取耶爾森桿菌素的基因及其調(diào)節(jié)基因,行使鐵攝取功能。圖2-5為Yps HPI的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2-5  Yps HPI的結(jié)構(gòu)示意圖

(注:→代表ORF的位置和轉(zhuǎn)錄方向)

Yps HPI亦由兩個區(qū)域組成,其中“功能核心區(qū)”的基因序列和排列與Yen HPI相同,而fyuA基因下游的AT富含區(qū)則與YenHPI完全不同,該區(qū)較小,只有5.6kb,僅包含1個插入元件IS100和另外幾個功能未明的編碼序列。因此,Yps HPI比Yen HPI小,約35kb,不如YenHPI 穩(wěn)定,可以10-5的頻率發(fā)生完全缺失。與Yen HPI不同,Yps HPI可以隨意整合在3個asn-tRNA基因的任一處,而且其中的整合酶(int)基因完整,未被終止密碼子干擾。

鼠疫耶氏菌和假結(jié)核耶氏菌HPI的比較  雖然鼠疫耶氏菌和假結(jié)核耶氏菌O1血清型的HPI高度保守,但兩者存在一些差異,主要表現(xiàn)為:

(1)HPI在染色體上的定位不同:在鼠疫耶氏菌中,HPI和約為68kb的色素沉積區(qū)(pigmentationsegment)緊密連鎖,共同組成不穩(wěn)定的102kb的Pgm位點(diǎn),假結(jié)核耶氏菌O1血清型沒有Pgm位點(diǎn)。hms基因編碼產(chǎn)物具有聚積血紅素(色素沉著)能力,提示鼠疫耶氏菌在蚤類的消化道內(nèi)聚積大量含鐵的血紅素。當(dāng)該菌通過蚤類叮咬進(jìn)入哺乳動物體內(nèi),自身就攜帶著大量為生長所必需的鐵元素,故可在感染的早期即可大量繁殖。

(2)HPI的切除或缺失的結(jié)局不同:在鼠疫耶氏菌中,HPI不能發(fā)生精確切除,通常是經(jīng)Pgm位點(diǎn)兩側(cè)的IS100之間的同源重組而自發(fā)缺失;而在假結(jié)核耶氏菌O1血清型中,HPI可被精確切除,很可能是通過HPI兩側(cè)17bp的同向重復(fù)序列間同源重組。

在鼠疫耶氏菌HPI的一端,還發(fā)現(xiàn)了與噬菌體P4和P2蛋白相關(guān)的編碼序列,這為HPI是通過噬菌體水平轉(zhuǎn)移而獲得的假設(shè)提供了強(qiáng)有力的證據(jù)。此外,有93%腸聚集型大腸埃希菌、27%侵襲型大腸埃希菌、5%腸產(chǎn)毒型大腸埃希菌和腸致病型大腸埃希菌亦攜帶了HPI毒力島,提示耶爾森菌屬與其它細(xì)菌之間可能存在高效的HPI水平轉(zhuǎn)移。事實(shí)上,毒力相關(guān)基因在不同種屬間的水平轉(zhuǎn)移已是司空見慣?梢姡钊胩接懚玖u的來源、移動和獲得機(jī)制,將有助于了解新現(xiàn)病原菌的起源與細(xì)菌的進(jìn)化。

第四節(jié)  幽門螺桿菌的毒力島

幽門螺桿菌(H.pylori,以下簡稱HP)是引起急慢性胃炎消化性潰瘍的重要病原菌,是胃癌的危險因素之一。對幽門螺桿菌Ⅰ型(cagA、vacA)和Ⅱ型菌株(cagA、vacA)的遺傳學(xué)差異與致病性關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn),Ⅰ型菌株含有1個約40kb的特殊基因片段,具有毒力島的典型特征,稱之為cag毒力島,它負(fù)責(zé)編碼細(xì)胞毒素相關(guān)蛋白(cytotoxin-associatedprotein,CagA)等毒力因子。CagA是Hp表面的免疫蛋白,與胃和十二指腸疾病的進(jìn)展有關(guān),例如,從消化性潰瘍和腸型胃癌患者中分離的Hp菌株大部分?jǐn)y帶cagA基因(cytotoxin-associatedgene A),而從無癥狀的Hp感染者中分離的菌株則缺乏該基因。在西方國家,大約50%~70%的Hp臨床分離株攜帶該基因。因此,對cag毒力島的分析有助于了解Hp的致病機(jī)制。

一、cag毒力島的結(jié)構(gòu)

cag毒力島具有以下結(jié)構(gòu)特點(diǎn):

(1)存在于致病菌株,弱毒株或無毒株中不存在或很少見。5%~10%的Hp菌株可發(fā)生cag毒力島的部分缺失。

(2)含有編碼細(xì)菌毒力的基因簇。cag毒力島由2個部分組成(圖2-6),即上游的cagⅡ區(qū),包含14個基因(亦有學(xué)者認(rèn)為有15個基因);下游的cagⅠ區(qū),包含16個基因。多數(shù)Hp菌株中的cag毒力島呈連續(xù)狀態(tài)存在,而在部分Hp菌株中,cagⅡ區(qū)和cagⅠ區(qū)被插入序列IS605隔開。

(3)cag毒力島的兩側(cè)為31bp的同向重復(fù)序列,在cagA菌株的染色體上也存在一個同樣的拷貝。有的Hp菌株含有IS605,它編碼與基因重排有關(guān)的轉(zhuǎn)座酶(transposase,Tnp)A和B。tnpA與大腸埃希菌tnp基因IS200核心序列明顯相似,tnpB與嗜熱細(xì)菌PS3中tnp基因同源性也甚高,提示cag毒力島的獲得或丟失可能通過由同向重復(fù)序列參與的位點(diǎn)特異性重組或普遍性重組而實(shí)現(xiàn)。

(4)cag毒力島并未插入在任何tRNA基因處,離最近的tRNA基因也相差數(shù)個kb,而是插入在染色體上的谷氨酸消旋酶(glutamatase racemase) 基因中。因此,cag毒力島可能是Hp在進(jìn)化過程中一次性獲得的。如果cag毒力島為可移動的元件,那么這一獨(dú)特定位提示其插入機(jī)制與其它已知的毒力島不同。

(5)G+C mol%平均為35%,低于Hp染色體DNA平均G+C mol%(38%~45%),提示cag毒力島可能是從外界獲得的。

圖2-6  幽門螺桿菌cag毒力島的結(jié)構(gòu)示意圖

二、cag毒力島的功能

計(jì)算機(jī)分析顯示,cag毒力島的編碼產(chǎn)物與蛋白酶、轉(zhuǎn)座酶、傳感器、透性酶、菌毛和鞭毛裝配蛋白及分泌相關(guān)蛋白存在一定的同源性。cag毒力島所攜帶的一些基因與編碼Ⅳ型分泌系統(tǒng)的基因存在同源性,提示cag毒力島編碼的蛋白主要起泵出大分子的功能,涉及細(xì)菌與宿主細(xì)胞的相互作用。

cag毒力島可能通過蛋白的分泌、轉(zhuǎn)位來干擾宿主的信號轉(zhuǎn)導(dǎo),使宿主蛋白磷酸化、細(xì)胞骨架重排。研究發(fā)現(xiàn),幽門螺桿菌通過Ⅳ型分泌系統(tǒng),將CagA蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)至胃粘膜上皮細(xì)胞中,CagA蛋白被酪氨酸磷酸化后,可誘導(dǎo)處于酪氨酸磷酸化狀態(tài)的各種細(xì)胞蛋白的改變,這一發(fā)現(xiàn)為人們認(rèn)識Hp與宿主細(xì)胞之間相互作用提供了新的途徑。

cag毒力島編碼的外膜蛋白中至少有6種可激活核轉(zhuǎn)錄因子-κB(NF-κB),從而增強(qiáng)炎癥細(xì)胞因子如IL-8的表達(dá),引起嚴(yán)重的炎癥反應(yīng)。在cagⅡ區(qū),發(fā)現(xiàn)4個VirB基因和1個VirD基因的同源序列,其編碼產(chǎn)物與許多原核細(xì)胞起分泌功能的蛋白質(zhì)相似,包括Ⅳ型分泌系統(tǒng),參與物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)出細(xì)胞外膜或在細(xì)菌表面的表達(dá)。這些基因的突變或缺失會降低Hp介導(dǎo)上皮細(xì)胞產(chǎn)生IL-8的能力。因此,該分泌系統(tǒng)可能轉(zhuǎn)運(yùn)1種或多種能刺激上皮細(xì)胞產(chǎn)生IL-8的因子。

另外,如果cag毒力島的一些基因發(fā)生突變或缺失,Hp會喪失或減低破壞上皮細(xì)胞基底層及細(xì)胞骨架的能力,同時該菌在體外生長的能力亦受影響。

可見,cag毒力島所編碼的蛋白(或酶)的功能可能包括:①介導(dǎo)Hp與宿主細(xì)胞粘附;②誘導(dǎo)宿主細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo);③構(gòu)成分泌系統(tǒng),將細(xì)菌蛋白質(zhì)(或酶)轉(zhuǎn)運(yùn)至宿主細(xì)胞中。

Hp是一個極易變異的細(xì)菌,菌株之間的遺傳差異決定感染的臨床結(jié)局。具有cag毒力島的菌株與胃炎和胃癌的關(guān)系更為密切。感染攜帶cag毒力島的菌株,其臨床結(jié)局可能較為嚴(yán)重。因此,應(yīng)對cag毒力島在Hp的定居、持續(xù)感染和致病中的作用加以深入研究。

三、cag毒力島與細(xì)菌進(jìn)化

cag毒力島的獲得及隨后的染色體重排在Hp的進(jìn)化中起重要作用。cag毒力島兩端具有重復(fù)序列和插入元件,提示可能由水平轉(zhuǎn)移的方式獲得,經(jīng)基因重組,將完整的cag毒力島插入染色體的谷氨酸消旋酶基因(glr)3'端。幽門螺桿菌獲得cag毒力島后,在該島二側(cè)31bp重復(fù)序列和插入序列IS605的參與下,進(jìn)行染色體重排,導(dǎo)致多種中間菌型的產(chǎn)生。研究發(fā)現(xiàn),33%Hp菌株含有一個8.1kb的質(zhì)粒,其G+Cmol%與cag毒力島非常接近,提示Hp可能通過以質(zhì)粒為基礎(chǔ)的水平轉(zhuǎn)移獲取毒力島,并通過基因重排,推動其進(jìn)化。

cag毒力島的獲得可促使空泡/細(xì)胞毒素vacA基因的進(jìn)化。vacA基因在Ⅰ型和Ⅱ型菌株中都存在,但在Ⅱ型菌株中可能不表達(dá),說明vacA的表達(dá)與cagA存在緊密的聯(lián)系。含有cag毒力島的Ⅰ型菌株毒力增強(qiáng),而缺乏cag毒力島的Ⅱ型菌株毒力減弱。有人推測,VacA的活性可能是在一個尚未發(fā)現(xiàn)的、與cag毒力島有關(guān)的另一個毒力島編碼的分泌器裝置的控制之下。

總之,深入探討cag毒力島與細(xì)菌在胃粘膜上的定居、停留和致病的關(guān)系,cag毒力島在不同人群中的流行情況,cag毒力島缺失程度與致病的關(guān)系等問題,將有助于揭示幽門螺桿菌的致病機(jī)制。

第五節(jié)  霍亂弧菌的毒力島

霍亂弧菌是引起霍亂的病原菌。根據(jù)菌體(O)抗原不同,目前可將該菌分為200多個血清群,但只有O1群古典生物型(classicalbiotype)、埃爾托生物型(EI Tor biotype)和O139群霍亂弧菌能引起霍亂暴發(fā)流行。研究表明,古典生物型、埃爾托生物型、O139群霍亂弧菌之所以能成為病原菌,原因在于這些菌株染色體基因組上攜帶CTX毒力單元,能產(chǎn)生霍亂腸毒素,并攜帶毒力島VPI(V.choleraepathogenity island)。

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)  VPI毒力島大小為39.5kb,含整合酶和轉(zhuǎn)座酶基因,兩側(cè)分別為20bp的att附著位點(diǎn),插入在10SrRNA基因(ssrA)附近,主要包含aldA基因、tagA~D基因簇、TCP基因簇和ACF基因簇(圖2-7)。VPI毒力島G+Cmol%為35%,明顯低于細(xì)菌染色體DNA的G+C mol%(47%~49%)。

編碼產(chǎn)物及其功能  主要編碼毒素協(xié)同調(diào)節(jié)菌毛(toxincoregulated pilus,Tcp)和輔助定居因子(accessory colonization factor,Acf)等毒力因子(表2-4)。

表2-4  霍亂弧菌毒力島上基因及其編碼產(chǎn)物

基   因

編碼產(chǎn)物

功 能

x

y

aldA

tagA

TCP基因簇

  tcpA

  tcpB~F

tcpJ

  tcpC

  tcpT、tcpE

  tcpN

toxT

ACF基因簇

acfB、CA、D

tagE

int基因

解旋酶相關(guān)蛋白

轉(zhuǎn)錄激活子

醛糖還原酶Ald

脂蛋白TagA

TcpA

TcpB~F

TcpJ(前導(dǎo)肽)

脂蛋白TcpC

TcpT和TcpE

調(diào)控蛋白TcpN

ToxT

輔助定居因子

TagE蛋白

整合酶

可能與VPIф組裝有關(guān)

可能與VPIф組裝有關(guān)

可能與菌毛生物合成有關(guān)

粘附定居因子(Ⅳ型菌毛)的主要組分

不影響TcpA合成,但影響菌毛結(jié)構(gòu)

與TcpA分泌有關(guān)

具有血清抗性

可能與Tcp分泌有關(guān)

與Tcp的合成和組裝有關(guān)

激活ToxR調(diào)控的基因的表達(dá)

與霍亂弧菌的粘附定植有關(guān)

可能與細(xì)胞壁合成有關(guān)

與VPI毒力島的轉(zhuǎn)移和整合有關(guān)

toxT位于TCP基因簇中tcpF tcpJ之間,編碼蛋白ToxT能調(diào)控一些基因(包括tcpA、tcpC、tcpI、ctxABACF基因簇、aldA)的表達(dá)

VPI毒力島與細(xì)菌進(jìn)化  VPI毒力島可以絲狀噬菌體的形式存在,該噬菌體稱為VPIф,其基因組為單鏈DNA,在宿主細(xì)胞內(nèi)可以雙鏈的質(zhì)粒復(fù)制形式存在。TcpA亞單位可作為VPIф的衣殼蛋白。VPIф可感染無CTX毒力單元和VPI毒力島的霍亂弧菌,并整合到染色體基因組上,使之成為病原菌。研究表明,并非所有攜帶VPI毒力島的霍亂弧菌均可被誘導(dǎo)出VPIф,也不是所有不攜帶VPI毒力島的霍亂弧菌均可感染VPIф,原因不清。

霍亂弧菌染色體基因組上的CTX毒力單元,也可以質(zhì)粒形式存在,亦可形成噬菌體分泌到菌體外,該噬菌體簡稱為CTXφ。CTXφ可在霍亂弧菌間水平轉(zhuǎn)移,即以VPI毒力島合成的Tcp菌毛為受體,感染無CTX毒力單元但攜帶VPI毒力島的霍亂弧菌,并通過attRS位點(diǎn)整合到受體菌的染色體上,從而形成新的霍亂產(chǎn)毒株。

1996年印度出現(xiàn)的霍亂弧菌O139菌株是一種新的流行株,攜帶兩種不同的CTXφ基因組并串聯(lián)整合在染色體上:一種是以前出現(xiàn)在埃爾托生物型菌株中的CTXETφ;另一種是新發(fā)現(xiàn)的CTXCalcφ。這兩種噬菌體均能將ctxAB基因轉(zhuǎn)移到非產(chǎn)毒株中。

第六節(jié)  毒力島在細(xì)菌進(jìn)化中的意義

一、毒力島的獲得與細(xì)菌毒力的進(jìn)化

點(diǎn)突變、基因的水平轉(zhuǎn)移和基因重組是細(xì)菌進(jìn)化的主要推動力。但點(diǎn)突變僅導(dǎo)致“緩慢”進(jìn)化,而較大基因片段的獲得與缺失則可使細(xì)菌基因迅速發(fā)生遺傳上“量的飛躍”(quantum leap)。噬菌體、質(zhì)粒、轉(zhuǎn)座子和毒力島參與了這些快速進(jìn)化過程,基因轉(zhuǎn)移途徑包括裸露DNA的轉(zhuǎn)化、噬菌體轉(zhuǎn)導(dǎo)、質(zhì)粒介導(dǎo)的接合轉(zhuǎn)移等,從而產(chǎn)生新的變異菌株,如新現(xiàn)致病菌O139群霍亂弧菌、腸出血性大腸埃希菌O157∶H7等。

噬菌體、質(zhì)粒和轉(zhuǎn)座子是可移動的遺傳元件,可編碼細(xì)菌毒力因子,例如,志賀樣毒素、霍亂腸毒素、白喉毒素和肉毒毒素由噬菌體編碼;一些革蘭陰性致病菌(如福氏志賀菌、沙門菌和耶爾森菌)及革蘭陽性菌(如傷風(fēng)梭菌)的重要毒力因子由質(zhì)粒編碼;大腸埃希菌的耐熱腸毒素基因是轉(zhuǎn)座子的一部分。這些毒力因子隨著其載體移動,決定著宿主菌的致病性,因此,質(zhì)粒、噬菌體或轉(zhuǎn)座子的水平轉(zhuǎn)移可能與新現(xiàn)病原菌的產(chǎn)生有關(guān)。

毒力島在細(xì)菌毒力的進(jìn)化中扮演更為重要的角色,主要證據(jù)有:①毒力島存在于眾多細(xì)菌中;②毒力島的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了DNA重組的可能性,可能在新病原菌產(chǎn)生的過程中發(fā)揮作用。例如,O139群霍亂弧菌的出現(xiàn)與獲得VPI毒力島有關(guān),E.coliO157:H7亦獲得一個編碼Ⅲ型分泌系統(tǒng)和效應(yīng)蛋白的毒力島;③毒力島與質(zhì)粒和噬菌體關(guān)系密切,主要表現(xiàn)為:毒力島所攜帶的基因也存在于噬菌體和質(zhì)粒上(后兩者稱為前毒力島);具有與噬菌體和質(zhì)粒相似的特征,這一現(xiàn)象在鏈霉菌中較常見,可能是染色體以外的遺傳成分共整合的反映;④某些致病菌具有較高的基因突變率和重組效率,可能為毒力島的產(chǎn)生與獲得提供條件。例如,流感嗜血桿菌和假單胞鏈球菌中,固有的遺傳潛能、高頻率的突變和重組是其產(chǎn)生新型致病菌株的前提。一些腸道致病菌包括鼠傷寒沙門菌和大腸埃希菌,指導(dǎo)DNA修復(fù)的muts基因常為缺陷型。鼠傷寒沙門菌和大腸埃希菌中存在多個毒力島亦支持這一觀點(diǎn)。

毒力島的發(fā)現(xiàn)豐富了細(xì)菌進(jìn)化理論,但毒力島的獲得能否使細(xì)菌成為致病菌,仍取決于多個因素,如毒力島基因、受體菌的狀態(tài)和被感染宿主的特征。有些基因(如霍亂腸毒素基因、LEE毒力島)的獲得足以使細(xì)菌成為致病菌。細(xì)菌毒力進(jìn)化還與宿主細(xì)胞的選擇壓力有關(guān)。

噬菌體、質(zhì);蚨玖u轉(zhuǎn)移至新的宿主菌后,有二個遺傳過程最為重要,即新獲得的基因元件的穩(wěn)定性和最優(yōu)化表達(dá)。細(xì)菌獲得毒力島后,常會發(fā)生一些突變,在毒力島上可移動的基因中出現(xiàn)終止密碼子,如Yen HPI中編碼整合酶的intB基因,因其起始密碼子后第415位堿基發(fā)生突變,由G變成T,出現(xiàn)終止密碼子TAA,從而被滅活,這可能是新現(xiàn)致病菌的遺傳穩(wěn)定過程,目的在于避免丟失新基因,使優(yōu)勢基因保守。另外,如果毒力島的特異性基因不能接受宿主菌調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)控制,那么這些基因?qū)⒉荒芮‘?dāng)表達(dá)。例如,產(chǎn)單核細(xì)胞李氏菌的毒力島雖然存在于染色體上,但因prf調(diào)節(jié)基因啟動子區(qū)異常而不能正常表達(dá)。

有趣的是,毒力島不僅攜帶結(jié)構(gòu)基因,而且攜帶調(diào)節(jié)元件,如小腸結(jié)腸炎耶氏菌HPI的ybtA調(diào)節(jié)子和霍亂弧菌毒力島的toxT基因,這可能對建立毒力島與宿主菌調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)調(diào)作用大有裨益。

二、tRNA位點(diǎn)和毒力島的其它邊緣序列

毒力島的邊緣通常為tRNA基因位點(diǎn)、同向重復(fù)序列或插入元件,其中,同向重復(fù)序列可能作為特異性重組的靶位點(diǎn),并促進(jìn)重排;插入元件在毒力島的切除和整合中起一定執(zhí)業(yè)獸醫(yī)的作用。

許多毒力島位于tRNA基因附近,如UPEC和EPEC的毒力島編碼完全不同的毒力因子,但都插入在selC-tRNA基因的相同堿基處,這一現(xiàn)象強(qiáng)烈提示特異性基因重組導(dǎo)致毒力島的整合。事實(shí)上,在許多細(xì)菌如大腸埃希菌、假單胞菌,甚至是真核細(xì)胞中,tRNA基因是外源DNA和噬菌體整合到染色體的靶位,許多噬菌體還攜帶tRNA基因特異性序列。此外,tRNA也參與不同基因的表達(dá), 提示該位點(diǎn)可能在毒力島和噬菌體特異基因的調(diào)節(jié)中另有作用。因此,tRNA基因可作為基因組中外源遺傳單位和調(diào)節(jié)元件的標(biāo)記。

雖然毒力島獲得的機(jī)制還不是很清楚,但許多毒力島的特征符合經(jīng)噬菌體整合酶將其整合入靶位點(diǎn)的模型。整合酶可由可移動的DNA元件,如接合性質(zhì);蚴删w所編碼。噬菌體通過位點(diǎn)特異性重組整合在其靶DNA附著位點(diǎn)。tRNA基因的3'端通常作為附著位點(diǎn),這一現(xiàn)象被認(rèn)為具有進(jìn)化優(yōu)勢。因?yàn)榧?xì)菌的tRNA基因不僅保守,而且過剩,其3'端的重組仍保留了tRNA的功能。

位點(diǎn)特異性重組具有二個主要特征:①插入DNA片段的兩側(cè)為同向重復(fù);②整合酶基因插入在tRNA基因附近。毒力島與tRNA基因的密切聯(lián)系表明:tRNA位點(diǎn)在致病菌進(jìn)化中起著關(guān)鍵作用。

三、毒力島的缺失與細(xì)菌對環(huán)境的適應(yīng)性

從進(jìn)化的觀點(diǎn)來看,毒力島的獲得和缺失都是基因組可塑性或彈性(plasticity)的重要原則。有的細(xì)菌或真菌在特定條件下,為適應(yīng)新的環(huán)境并朝著更有利的生存方式發(fā)展,也可能丟失原有的毒力島。例如,在鏈霉菌中,有一大至800kb的DNA缺失,缺失部分的兩側(cè)通常為完全或不完全重復(fù)序列,后者可能在異常重組中起作用。鏈霉菌基因缺失變異株比野生株適應(yīng)環(huán)境的能力可能更強(qiáng)。

在其它細(xì)菌如枯草芽胞桿菌中,存在干擾編碼區(qū)的DNA片段的缺失。枯草桿菌基因組中42kb片段的缺失,干擾了孢子形成(spo)基因, 并使后者發(fā)生融合,產(chǎn)生具有功能和活性的孢子形成決定子,這是一個很好的“進(jìn)化性”缺失的例子。另外,鏈霉菌、福氏志賀菌和腸侵襲性大腸埃希菌中也存在染色體上質(zhì)粒的整合和切除。由此推測,致病菌毒力島或其它基因片段的位點(diǎn)特異性切除或隨后的缺失,可能在細(xì)菌適應(yīng)外界環(huán)境方面起一定的作用。某些毒力島缺失的頻率為10-5~10-4證實(shí)了這一點(diǎn)。

第七節(jié)  如何發(fā)現(xiàn)新的毒力島

通過分子流行病學(xué)研究鑒定致病菌的新變異株,是檢測新毒力島的基礎(chǔ)。首先采用傳統(tǒng)的流行病學(xué)原理和方法,確定研究現(xiàn)場和研究對象,采集標(biāo)本分離相關(guān)菌株,然后利用分子生物學(xué)原理和技術(shù),如基因序列分析、分子進(jìn)化分析和單鏈構(gòu)象多態(tài)性,檢測和鑒定新的遺傳變異株。

依據(jù)毒力島的結(jié)構(gòu)和功能特征,識別和鑒定細(xì)菌未知毒力基因,是發(fā)現(xiàn)未知毒力島的基本方法。目前,已有很多方法用于毒力島的研究,其基本思路主要有正向和反向二種方式:

(1)正向方式:表現(xiàn)為從結(jié)構(gòu)到功能,是從比較基因組的角度出發(fā),首先用常規(guī)方法鑒定新病原菌,然后根據(jù)其毒力特征,將其基因組與相關(guān)細(xì)菌的基因組進(jìn)行比較,找出特異的基因成分,最后分析它是否與細(xì)菌的毒力性質(zhì)相關(guān),并證實(shí)其功能。

(2)反向方式:表現(xiàn)為從功能到結(jié)構(gòu),是在對現(xiàn)有毒力島和其他毒力因子了解的基礎(chǔ)上,采用轉(zhuǎn)座子插入、定向缺失等技術(shù),滅活致病菌染色體上某些基因成分,觀察細(xì)菌毒力特性的改變,找出滅活基因和毒力喪失之間的關(guān)系,利用分子生物學(xué)手段得到該段毒力相關(guān)基因,分析是否具有已知毒力島的特點(diǎn)。再依據(jù)分子Koch原則,將滅活基因恢復(fù)正常狀態(tài),如細(xì)菌毒力同時得以恢復(fù),則認(rèn)為這段毒力相關(guān)基因是一個毒力島。

常用的鑒定細(xì)菌未知毒力基因的的方法有條碼標(biāo)記法(signature tagging)、減法雜交(subtraction hybridization)、特征性差異分析(representationaldifference analysis)、mRNA功能分析(differential display of mRNA)、比較基因組作圖(comparativegenome mapping)、接合介導(dǎo)的DNA插入取代標(biāo)記法(conjugation- mediated direted tagged internalDNA replacement)、粘?寺y序(cosmid cloning combined with sample sequence)、毒力島探查法(islandprobing)等。這些新技術(shù)的應(yīng)用,已成功地發(fā)現(xiàn)了一些毒力島,如沙門菌中第2個毒力島、幽門螺桿菌的cag毒力島和牛結(jié)核分枝桿菌(Mycobacteriumbovis)的毒力島。

但是,細(xì)菌種類繁多,基因組成復(fù)雜多變,弄清細(xì)菌未知的毒力島,還缺乏一個通用易行的有效方法。這就需要我們根據(jù)毒力島本身的一些特點(diǎn),利用已掌握的毒力島知識和分子生物學(xué)新方法,主動地尋找未知的毒力島。

總之,毒力島的發(fā)現(xiàn)使我們對細(xì)菌的致病性和進(jìn)化方式有了新的認(rèn)識。過去,人們往往認(rèn)為細(xì)菌的毒力是單因素的,即某一毒力因子發(fā)揮決定性的作用,事實(shí)上,細(xì)菌在與宿主進(jìn)行生存競爭的進(jìn)化過程中形成的毒力具有非常復(fù)雜的特點(diǎn)。毒力島普遍存在于病原菌中,并可能發(fā)生水平轉(zhuǎn)移,只需一個單一的遺傳重組的步驟就可能使一個非致病菌變成致病菌。對毒力島的深入研究,有助于加深我們對復(fù)雜微生物世界的認(rèn)識,對新現(xiàn)病原菌產(chǎn)生的基礎(chǔ)及進(jìn)化機(jī)制作出新的解釋,闡明病原菌的致病機(jī)制及其與宿主細(xì)胞的相互作用,并推測與毒力島相似的遺傳元件(如分泌島、耐藥島、代謝島)的功能,最終將為人類預(yù)防和控制感染性疾病提供理論依據(jù)。

 (張冬梅 安徽醫(yī)科大學(xué)衛(wèi)生管理學(xué)院)

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