毒力岛和细菌毒力的进化

毒力岛和细菌毒力的进化

中华微生物学和免疫学杂志 1999年第2期第19卷 综述

作者：徐建国

单位：102206 北京，中国预防医学科学院流行病学微生物学研究所，卫生部分子医学细菌学重点实验室

　　近年来，在医学细菌学领域出现了一个新名词——毒力岛（Pathogenicity island）^〔1〕。 毒力岛的发现和研究对了解细菌致病性和毒力因子具有重要的意义。 毒力岛最早是用来描述泌尿道致病性大肠杆菌的两个相对分子质量很大的、编码许多毒力相关基因的、不稳定的染色体DNA片段^〔1〕。 近年来人们发现在许多病原性细菌中都存在着毒力岛，毒力岛的定义也有了较大的改变。

　　毒力岛具有以下特点^〔1-7〕：1. 编码细菌毒力基因簇的一个相对分子质量较大的(20～100kb左右)染色体DNA片段；2.一些毒力岛的两侧具有重复序列和插入元件, 但是也可以没有；3.毒力岛往往位于细菌染色体的tRNA基因位点内或附近, 或者位于与噬菌体整合有关的位点，肠致病性大肠杆菌(EPEC)的LEE毒力岛就位于转运RNA selC位点^〔2，5〕；4.毒力岛DNA片段的G+C mol % 、密码使用和宿主细菌染色体有明显差异， 有的比宿主细胞的G+C mol% 明显高， 有的 明显低； 5.毒力岛编码的基因产物许多是分泌性蛋白和细胞表面蛋白, 如溶血素、菌毛和血红素结合因子， 一些毒力岛编码细菌的分泌系统（如Ⅲ型分泌系统）、信息传导系统和调节系统； 6. 一种病原菌可以有一个或几个毒力岛； 7. 一部分学者认为, 细菌的毒力岛应该包括位于噬菌体和质粒上的、与细菌的毒力有关的、其G+C百分比和密码使用与宿主细胞明显不同的DNA片段；8.毒力岛可能与新发现的病原性细菌有关。

　　细菌毒力岛的发现使我们对细菌致病性的认识发生了很大的变化。 过去, 人们往往认为细菌的毒力是单因素的, 或者说其中的某一个毒力因子发挥着决定性的作用。 例如, 过去认为霍乱弧菌的毒力主要是产生毒素的能力, 不产生毒素的细菌就是无毒的。毒力岛的发现使我们认识到细菌的毒力比我们想象的要复杂的多^〔8〕。目前已经发现的毒力岛有10多个(表1)。 沙门氏菌就具有5个毒力岛, 编码Ⅲ型分泌系统、对肠道上皮细胞的侵袭力、细菌在巨噬细胞内的存活能力等^〔3-7〕。 已经在耶尔森氏菌中发现了4个毒力岛。 鼠疫耶尔森氏菌具有一个相对分子质量为102kb的毒力岛。 其中一个区域编码血红素储存基因, 其G+C mol%与宿主细胞相似。另一个区域编码耶尔森菌菌素和铁调节蛋白, 其G+C百分比比宿主细胞要高得多。 这个毒力岛可以完全缺失^〔9〕。

　　　表1　几个细菌的毒力岛及其特征

细菌	插入位点	毒力岛的特点
UPEC 　　Pai Ⅰ	82'sleC位点	70kb, 在临界部分有16bp的同向重复序列,编码α-溶血素 I 　　肠道普通大肠杆菌没有Pai I 毒力岛
Pai Ⅱ	97'	190kb,位于染色体97'位置, 在临界部分有同向重复序列,编码α-溶血素II和菌毛，肠道普通大肠杆菌中没有Pai II毒力岛
EPEC	82' selC位点内	LEE毒力岛: 35kb, 在临界部分没有发现有重复序列和插入元件, 　　介导AE损伤, 编码Ⅲ型分泌系统，不产生AE损伤的大肠杆菌没有LEE毒力岛
沙门氏菌
SPI-1	63’	40kb,在部分血清型的沙门氏菌中的毒力岛的临界部分发现有IS3, 　　介导沙门氏菌对上皮细胞的侵袭力, 编码Ⅲ型分泌系统
SPI-2	tRNA val	编码一个Ⅲ型分泌系统
SPI-3	82' selC	与巨噬细胞内存活和在镁离子不足的条件下存活有关
SPI-4	92'在ssb和soxSR之间	25kb，编码18个开放阅读框架。与type 1 分泌系统和巨噬细胞内存活有关
SPI-5	serT	编码 pipA, pipB, pipC, pipD等基因，不具有与全身感染有关的基因
O139霍乱弧菌		OtnA OtnB毒力岛: 35 kb, 在侧翼含有两个不同的插入元件, 　　编码荚膜和O抗原的合成
耶尔森氏菌 　　HPI		102 kb,在临界部分为IS100序列,编码血红素和刚果红结合、 　　鼠疫菌素敏感性、铁获取能力等功能
幽门螺杆菌		Cag毒力岛: 40 kb, 具有31 bp 的同向重复序列, 在一侧具有IS605,介导 　　IL-8分泌, 和环境感应器、转运酶（translocases）、通透酶、菌毛等膜相关蛋白

　　与慢性胃炎和胃癌有着非常密切关系的幽门螺杆菌（Helicobacter pylori）有一个40 kb的毒力岛, 编码cagA等毒力基因。具有这个毒力岛的菌株是谓一类菌株, 与胃炎和胃癌的关系可能更为密切^〔7〕。 EPEC的LEE（locus of enterocyte effacement）毒力岛,与AE（attaching and effacing）损伤有关,相对分子质量为35 kb, G+C mol % 和宿主细胞明显不同（42% / 52%）。 不产生AE损伤的大肠杆菌没有LEE毒力岛, 如实验室菌株K12和肠道普通大肠杆菌^〔2〕。

　　在金黄色葡萄球菌中也发现了一个编码TSST-I毒素、超抗原等基因的毒力岛。 在这个毒力岛的两侧具有一个17 bp的重复序列。使用噬菌体技术可以将这个毒力岛环化或切除，也可以很高的频率进行转导。 不具有可检测的噬菌体样的基因等特点。 在金黄色葡萄球菌中有2个类似的结构被命名为毒力岛SaPI1 和SaPI2^〔10〕。

　　有意思的是， 在固氮微生物中也发现了一个相对分子质量为500kb的毒力岛样的结构， 与细菌的共生有关， 插入在细菌染色体的phe-tRNA位点， 被命名为共生岛(symbiosis island)。共生岛的发现提示毒力岛样结构在非病原性细菌中也可能是广泛存在的^〔11〕。

　　在细菌毒力岛的两端具有插入元件和重复序列的结构特点, 提示DNA重组的可能性是存在的。 这也可能是细菌进化的一个重要的推动力量^〔1，2〕。 另外, 毒力岛和宿主细胞的G+C mol % 、密码使用的明显差异, 也充分说明这个毒力岛可能是外源 性的, 是从其它细胞获得的, 而不是宿主细胞所固有的。 细菌毒力基因的G+C mol %和密码使用与宿主细胞明显不同的现象, 在很久以前就发现了，如肠产毒性大肠杆菌（entero-toxingenic E.coli, ETEC）的CFA/I菌毛的编码基因的G+C百分比就比宿主细胞要低得多。

　　新发现的病原性微生物和重新抬头的病原性微生物是目前世界卫生界应予重视的一个重大问题。 近几年新出现的病原性细菌有嗜肺军团菌、伯氏疏螺旋体、O139霍乱弧菌、O157∶H7大肠杆菌等。 既然细菌毒力岛的结构特点决定了DNA重组的可能性, 就意味着毒力岛可能在新病原性细菌出现的过程中可能发挥着作用。 目前认为O139霍乱弧菌的出现就与它获得了一个毒力岛有关。 这个插入的DNA片段取代了一部分O1菌株的O抗原基因簇 。 O157∶H7大肠杆菌属于肠出血性大肠杆菌（entero-hemorrhagic E.coli，EHEC）, 也是一种新发现的病原菌, 引起出血性肠炎和肾脏溶血性尿毒综合症。EHEC的致病性和它产生的志贺样毒素（Shiga-like-toxin,SLT）有关。而SLT的基因位于噬菌体上, 噬菌体具有转移和整合到染色体上的能力。推论基因转移可能形成新的病原性微生物^〔10〕。

　　关于新病原性细菌的来源问题目前有几种观点。一种观点认为与进化有关，细菌为适应环境的改变而不断进化，原来是非病原性的细菌由于进化而变成了病原菌。 这是一个缓慢的过程，主要与点状突变等有关。 一种观点认为与基因重组有关， 是一种水平性的基因转移。 毒力岛的发现， 使基因重组学说得到了广泛的支持^〔12〕。 而对沙门氏菌毒力岛和进化关系的研究发现， 上述两种可能性都是存在的^〔13-15〕。

　　在沙门氏菌中已经发现了5个毒力岛。如果鼠伤寒沙门氏菌的 SPI-1毒力岛发生了突变， 经口感染，对小鼠的毒力可降低15～50倍。 但是如果经过腹腔途径感染， 则毒力没有明显降低。这说明， SPI-1毒力岛主要与肠道粘附和侵袭有关。经过腹腔途径感染，使鼠伤寒沙门氏菌逃避了肠道屏障， SPI-1毒力岛的作用就表现不出来。 而SPI-2毒力岛则不同。如果 SPI-2毒力岛发生了突变， 即使经过腹腔途径感染， 伤寒沙门氏菌对小鼠的毒力也降低了10　000倍， 就不能够引起全身性感染^〔13-15〕。

　　根据免疫学、毒力岛、系统发生学等的研究结果，Baumler等提出了一个学说， 认为沙门氏菌是从大肠杆菌进化来的。如果把沙门氏菌毒力的进化分为3个相的话， 在第一相，大肠杆菌进化为沙门氏菌， 并且通过质粒或噬菌体介导的水平转移，获得了SPI-1毒力岛，细菌能够感染侵袭肠道上皮细胞。SPI-1毒力岛编码肠道上皮细胞侵袭力、中性粒细胞聚集和肠道液体分泌。几乎所有的沙门氏菌种系发生学谱系都有SPI-1毒力岛。在第二相， 沙门氏菌通过点状突变等机制进化为2个谱系：Salmonella bongori 和Salmonella enterica 。并且通过水平性转移方式获得了毒力基因，产生了Salmonella bongori。在第二相，Salmonella enterica获得了SPI-2毒力岛，而S. bongori没有。 目前有人认为， 在Salmonella enterica 从S. bongori 分枝以后获得了SPI-2毒力岛。 肠沙门氏菌进一步进化, 形成了肠沙门氏菌亚种Ⅰ、Ⅱ、Ⅲa、Ⅲb、Ⅳ、Ⅵ、Ⅶ。肠沙门氏菌亚种Ⅰ对温血脊椎动物的宿主适应性是此相的特征^〔15〕。 鉴于SPI-3、SPI-4、SPI-5等毒力岛新近才发现， 有关它们在沙门氏菌毒力进化过程中的作用还不得而知。

　　自然， 沙门氏菌毒力进化还与宿主细胞的选择性压力有关。沙门氏菌的血清型很多，可达2　100多个。 有些只感染冷血动物，只有很少一部分对人有致病性。 根据宿主范围的不同， 可以把沙门氏菌分为3类。广宿主范围血清变种〔能够感染温血和冷血动物， 如鼠伤寒沙门氏菌（S.typhimurium）等〕；有限宿主范围血清变种〔能够感染人和猪等，如猪霍乱沙门氏菌（ S.choleraesuis）〕；宿主专一性血清变种， 如伤寒沙门氏菌（S.typhi）。

　　沙门氏菌毒力岛和毒力进化的研究进展对研究和理解新发现的病原微生物的发生机理提供了一个很好的启示， 对正确理解新发现的和重新抬头的传染病问题也有一定的启发。看来在病原性细菌中毒力岛是普遍存在的，类似的结构也可能和细菌的其它功能有关。基于毒力岛的结构特点和水平性转移的可能，人类和病原性细菌的斗争还有很长的路要走^{〔12，16〕}。参考文献

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(收稿：1998-11-26)