鏈球菌毒力因子的研究進(jìn)展

關(guān)于鏈球菌毒力因子的研究進(jìn)展1.簡介

1986年Goebel等在研究尿路致病性大腸桿菌染色體上的溶血素基因簇時發(fā)現(xiàn)，該基因簇除編碼α-溶血素外，還編碼一些與該菌尿路致病性有關(guān)的毒力因子，首次提出該基因簇命名為毒力島。

毒力島(PAI)是指編碼細(xì)菌毒力基因簇的分子量相對較大的DNA片段。而且還要具備下面講到的八個特征。

第2頁,共26頁，2024年2月25日，星期天2.毒力島的基本特征

第3頁,共26頁，2024年2月25日，星期天毒力島具有以下特征

1、編碼毒力因子或毒力調(diào)控系統(tǒng)a、編碼黏附因子、外毒素、分泌系統(tǒng)、外膜蛋白等與致病性密切相關(guān)的因子b、毒力島還可編碼重要的毒力調(diào)控成分（如雙組分信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)），可調(diào)控毒力島乃至整個基因組編碼的毒力因子的表達(dá)，從而賦予宿主菌新的毒力特征2．存在于致病菌中，而在親源關(guān)系密切的非致病菌或相關(guān)菌株中不存在。在我國1998年和2005年爆發(fā)的SS2強(qiáng)毒株中，含有89K毒力島，而其他的弱毒株和無毒株中不含有或只還有不完整的毒力島片段。第4頁,共26頁，2024年2月25日，星期天3、往往是相對分子質(zhì)量較大的DNA片段。大多數(shù)毒力島為數(shù)萬堿基(20~100kb左右)，但大者可達(dá)200kb。4、G+C含量往往與細(xì)菌基因組DNA有顯著差異，且密碼子的偏嗜性也有差異。不過也有例外a、外源DNA的G+C組成本來就與新宿主菌相近b、這種差異在基因水平轉(zhuǎn)移事件后經(jīng)歷了長期的同化作用，堿基組成和同義密碼子使用偏嗜性已趨于一致

第5頁,共26頁，2024年2月25日，星期天

5、作為一類獨(dú)特的可移動基因元件，毒力島兩翼常與16~20bp的正向重復(fù)序列（DR）相連，少數(shù)DR可達(dá)100bp以上。DR可能是毒力島插入細(xì)菌基因組時重組產(chǎn)生，也是酶切割基因時的識別序列，參與毒力島的丟失過程。6、常與細(xì)菌染色體中tRNA等高度保守的基因毗連。原因有兩個a、tRNA基因在不同細(xì)菌種屬之間高度保守，其對稱結(jié)構(gòu)為重組酶提供了適宜的結(jié)合部位b、tRNA基因3′端與細(xì)菌噬菌體的結(jié)合位點(diǎn)同源，常常成為質(zhì)粒和噬菌體的整合熱點(diǎn)，而質(zhì)粒和噬菌體在毒力島的形成過程中扮演重要的角色

第6頁,共26頁，2024年2月25日，星期天7．通常具不穩(wěn)定性。毒力島常攜帶多種移動性基因元件，如插入序列（IS）、整合酶、轉(zhuǎn)座酶以及質(zhì)粒復(fù)制起始位點(diǎn)基因，可通過兩翼的DR和內(nèi)在的IS以及可能存在的同源序列而發(fā)生同源重組8、常呈現(xiàn)顯著的嵌合體特征。毒力島的嵌合基因特征可能源于前體噬菌體或質(zhì)粒長期的進(jìn)化所積累，IS介導(dǎo)的DNA重排也參與了嵌合體的形成。第7頁,共26頁，2024年2月25日，星期天毒力島形成過程

在毒力島形成的過程中，質(zhì)粒，噬菌體，以及其他可移動遺傳元件在基因的水平轉(zhuǎn)移過程中扮演著重要的角色。

毒力基因水平轉(zhuǎn)移重組或整合形成毒力島樣結(jié)構(gòu)域可移動元件形成毒力島毒力島基因誘導(dǎo)表達(dá)毒力島進(jìn)化完善

圖2毒力島形成的流程圖第8頁,共26頁，2024年2月25日，星期天

毒力島不僅賦予病原菌特殊的致病能力,而且在細(xì)菌的適應(yīng)性進(jìn)化過程中扮演重要角色?，F(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)毒力島存在的細(xì)菌耶爾森菌幽門螺桿菌金黃色葡萄球菌鏈球菌霍亂弧菌沙門氏菌大腸桿菌志賀菌毒力島第9頁,共26頁，2024年2月25日，星期天隨著現(xiàn)代分子生物技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)在許多學(xué)者認(rèn)為毒力島是細(xì)菌進(jìn)化的結(jié)果，毒力島的形成是細(xì)菌在不斷的進(jìn)化過程中細(xì)菌毒力由量變到質(zhì)變的一個節(jié)點(diǎn)，以最近國內(nèi)研究較熱的鏈球菌為例，1998年和2005年我國爆發(fā)了罕見的Ss2強(qiáng)毒株，導(dǎo)致了我國將近300人感染，其中死亡59人，研究發(fā)現(xiàn)，爆發(fā)的強(qiáng)毒株與其他Ss2相比，就是多了一個89kb的基因片段，即PAI89K

其實(shí)，毒力島只是細(xì)菌不斷進(jìn)化中的基因組島的一種，現(xiàn)在人們在細(xì)菌基因組上又發(fā)現(xiàn)了耐藥島、腐生島、共生島、生態(tài)島、固氮島。第10頁,共26頁，2024年2月25日，星期天4.豬鏈球菌2型89K毒力島4.189k毒力島來源

1998年和2005年我國江蘇省和四川省分別暴發(fā)大規(guī)模高致病SS2病，而且病人中出現(xiàn)高比例的、國內(nèi)外罕見的鏈球菌中毒性休克綜合征（STSS）。國家課題組通過對98HAH12、05ZYH33(兩株均分離自STSS病人)、05JYS68、以及標(biāo)準(zhǔn)株P(guān)1/7的全基因組比較意外地發(fā)現(xiàn)一個長度為89kb的大片段，進(jìn)一步的生物信息學(xué)和實(shí)驗(yàn)分析表明，該片段為中國強(qiáng)致病株所特有，且完全具備病原菌毒力島的基本特征，遂命名為PAI89K最近有研究報道，在ss2強(qiáng)毒株上又發(fā)現(xiàn)了一個新的毒力島SSG14不過該毒力島的研究還處于初級階段。

第11頁,共26頁，2024年2月25日，星期天表189K基本特征與毒力島定義標(biāo)準(zhǔn)對比第12頁,共26頁，2024年2月25日，星期天目前，對89K毒力島的研究還不是十分清楚，現(xiàn)在研究相對較清楚的結(jié)構(gòu)有四個，二元信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)，IV型分泌系統(tǒng)，ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，毒素-抗毒素系統(tǒng)。4.2基本結(jié)構(gòu)

圖3PAI89k毒力島模式圖注：int：整合酶，TCSTS：二元傳導(dǎo)系統(tǒng)，T4SS：IV型分泌系統(tǒng)，ABC：ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，TA：毒素-抗毒素系統(tǒng)，Tn916：轉(zhuǎn)座子，etv：其他毒力基因，DR：重復(fù)序列第13頁,共26頁，2024年2月25日，星期天4.21SalK/SalR二元信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)

二元信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)(TCSTS)是廣泛存在于細(xì)菌中的跨膜信號傳導(dǎo)機(jī)制。病原菌在感染宿主的過程中,能通過該系統(tǒng)密切感受和響應(yīng)體內(nèi)外各種微環(huán)境的變化,進(jìn)而調(diào)節(jié)各種基因表達(dá)以完成其致病過程。研究表明，89k毒力島上存在兩個二元信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)，研究較清楚的是SalK/SalR二元信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)第14頁,共26頁，2024年2月25日，星期天圖4SalK/SalR的結(jié)構(gòu)及GC含量

第15頁,共26頁，2024年2月25日，星期天SalK/SalR二元信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的初步研究，其功能有兩點(diǎn)

1.SalK/SalR缺失的突變株在活體組織器官中定殖能力顯著下降,易被中性粒細(xì)胞所殺滅,毒力缺失,而SalK/SalR功能互補(bǔ)的菌株能恢復(fù)對動物的強(qiáng)致病性,表明SalK/SalR對于05ZYH33的強(qiáng)致病性是必不可少的。2.基因芯片研究結(jié)果顯示SalK/SalR的缺失會導(dǎo)致26個基因的轉(zhuǎn)錄出現(xiàn)顯著的下調(diào),其中有2個是潛在的毒力因子。第16頁,共26頁，2024年2月25日，星期天4.22

IV型分泌系統(tǒng)

細(xì)菌的分泌系統(tǒng)是細(xì)菌方面的研究熱點(diǎn)問題，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的細(xì)菌分泌系統(tǒng)有Ⅰ~Ⅵ六種，其與細(xì)菌的代謝，致病性，耐藥性密切相關(guān)，IV型分泌系統(tǒng)(T4SS)是與細(xì)菌接合機(jī)制有關(guān)的一類分泌系統(tǒng)。T4SS是一種跨膜的多亞單位復(fù)合物，通常包括一個由菌毛或其他表面纖維或蛋白質(zhì)組成的分泌通道。T4SS不但可以轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白質(zhì)，還可以轉(zhuǎn)運(yùn)一些核糖核蛋白復(fù)合物第17頁,共26頁，2024年2月25日，星期天

圖589k毒力島上的Ⅳ型分泌系統(tǒng)基因結(jié)構(gòu)模式圖第18頁,共26頁，2024年2月25日，星期天圖689k毒力島上的Ⅳ型分泌系統(tǒng)模式圖

第19頁,共26頁，2024年2月25日，星期天89k毒力島上T4SS的作用1.介導(dǎo)基因水平轉(zhuǎn)移,通過細(xì)菌間接合作用,傳遞抗性基因和毒力基因;間接證明了89k毒力島是ss2長期基因水平轉(zhuǎn)移的進(jìn)化結(jié)果2.能轉(zhuǎn)運(yùn)效應(yīng)蛋白質(zhì)分子到宿主細(xì)胞,參與細(xì)菌致病。3.T4SS還可轉(zhuǎn)運(yùn)效應(yīng)分子到宿主靶細(xì)胞,在激發(fā)宿主產(chǎn)生過度的免疫炎癥應(yīng)答中起作用，在我國高致病性ss2引起的罕見的中毒性休克綜合征（STSS）中發(fā)揮重要作用。第20頁,共26頁，2024年2月25日，星期天4.23ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族負(fù)責(zé)運(yùn)輸與SS2致病性高度相關(guān)的溶血素、蛋白酶、肽類抗生素等,可能參與了引發(fā)STSS第21頁,共26頁，2024年2月25日，星期天4.24SezAT毒素-抗毒素系統(tǒng)

毒素-抗毒素(toxin－antitoxin，TA)系統(tǒng)是在上世紀(jì)80年在大腸桿菌的質(zhì)粒中首次被發(fā)現(xiàn)及命名，后來發(fā)現(xiàn)其廣泛存在于質(zhì)粒和細(xì)菌基因組當(dāng)中，存在質(zhì)粒中的TA系統(tǒng)主要發(fā)揮穩(wěn)定低拷貝質(zhì)粒在宿主中的傳代，基因組中的TA系統(tǒng)功能多樣，可參與到細(xì)菌的多項(xiàng)生理功能。TA系統(tǒng)重要功能就是細(xì)菌分裂后殺傷機(jī)制，由不穩(wěn)定的抗毒素蛋白(Antitoxin)與穩(wěn)定的毒素蛋白(Toxin)共表達(dá)組成。毒素蛋白通常抑制機(jī)體生長,抗毒素蛋白與其形成復(fù)合體以中和毒性。在營養(yǎng)缺乏等不良生長條件下,不穩(wěn)定的抗毒素蛋白減少,導(dǎo)致細(xì)菌的生長抑制和死亡，菌群正是通過這種損失部分群體以保存整體的機(jī)制以適應(yīng)環(huán)境變化。近年研究發(fā)現(xiàn)TA可參與到基因組島的穩(wěn)定過程當(dāng)中第22頁,共26頁，2024年2月25日，星期天89K毒力島上的SezAT毒素-抗毒素系統(tǒng)的作用

雖然對SezAT毒素-抗毒素系統(tǒng)的功能還不是很清楚，但是學(xué)者一致認(rèn)為89k毒力島上的SezAT毒素-抗毒素系統(tǒng)有穩(wěn)定該毒力島的作用，作用類似于質(zhì)粒上的TA系統(tǒng)，圖7SezAT結(jié)構(gòu)模式圖第23頁,共26頁，2024年2月25日，星期天4.389K毒力島進(jìn)化猜測

現(xiàn)在許多學(xué)者認(rèn)為89K毒力島的進(jìn)化不同細(xì)菌之間基因水平轉(zhuǎn)移的結(jié)果，有以下5點(diǎn)支持該觀點(diǎn)1.GC含量為36.8%,明顯低于全基因組的41.1%2.該基因片段上含有眾多與基因移動相關(guān)的組分:如轉(zhuǎn)座子、整合酶、切離酶等3.含有分泌系統(tǒng)、信號傳導(dǎo)系統(tǒng)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)基因，SS2PAI89K能利用自身的IV型分泌系統(tǒng)瞬時切離形成環(huán)狀染色質(zhì),經(jīng)轉(zhuǎn)移后又能在整合酶的作用下在基因組特異性位