臧雅婷，嚴(yán)玉霖，高 洪，高利波，趙 汝，李祥峰，邵志勇，盧 琴，崔艷艷

（云南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，云南昆明650201）

強(qiáng)毒力島 （high-pathogeniticity island，HPI），首次發(fā)現(xiàn)于耶爾森菌屬，所以始稱耶爾森菌強(qiáng)毒力島，HPI主要含有與鐵攝取有關(guān)的毒力基因簇，編碼參與合成及攝取鐵載體耶爾森菌素（yersiniabactin）的鐵抑制蛋白 （iron-repressible protein，irp）基因及其調(diào)控基因，行使鐵攝取功能。它是賦予耶爾森菌致病性和毒力的重要因素，介導(dǎo)著感染過程。但HPI也在其他腸桿菌科細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)，如致病性大腸埃希菌、枸櫞酸桿菌、沙門菌、克雷伯菌等。本文就致病性大腸埃希菌HPI的研究現(xiàn)狀做一綜述。

1 基本特征

HPI首先在耶爾森菌屬中發(fā)現(xiàn)，具有毒力島的基本特征：①載有致病性大腸埃希菌毒力相關(guān)性的編碼基因；②僅存在于強(qiáng)毒株，如腸外致病性大腸埃希菌；③G＋C mol%與大腸埃希菌染色體有明顯差異（一般高于）；④片段約為102kb，主要的結(jié)構(gòu)基因有irp1、irp2和fyuA，其中irp2是HPI的標(biāo)志基因［1］；⑤為一緊密、明確的遺傳學(xué)單位；⑥一側(cè)外緣與asn tRNA基因相連；⑦載有“可移動(dòng)”的基因及整合酶基因。

據(jù)其基本特征，對(duì)大腸埃希菌的分子生物學(xué)鑒定方法如下：成功提取大腸埃希菌的基因組DNA，應(yīng)用特異性引物（irp2或者fyuA），以大腸埃希菌基因組DNA為模板，PCR法擴(kuò)增出特異條帶后，大小與預(yù)期結(jié)果基本一致，表明成功擴(kuò)增并檢測(cè)到大腸埃希菌的irp2基因和fyuA基因，可判定為HPI［2］。

2 流行病學(xué)特征

HPI是在耶爾森菌屬中首先發(fā)現(xiàn)，隨后發(fā)現(xiàn)在克雷伯菌和枸櫞酸桿菌等腸道菌群中存在。在93% 的黏附集聚性大腸埃希菌（EAEC），80% 的分離自血液標(biāo)本的大腸埃希菌、產(chǎn)志賀毒素的非O157大腸埃希菌和尿道致病大腸埃希菌，以及30% 的非致病大腸埃希菌中都具有irp2-fyuA 基因簇［3］。irp2-irp1-irp3-irp4-irp5-fyuA基因簇簡(jiǎn)稱fyuA-irp2基因簇，被認(rèn)為是參與由鐵載體耶爾森菌素介導(dǎo)的鐵攝取功能的主要基因成分，fyuA基因編碼產(chǎn)物是一個(gè)具有雙重受體功能分子質(zhì)量為73.7ku的鐵抑制外膜蛋白，被稱作含鐵耶爾森菌素吸收毒力基因［4］。通過測(cè)序發(fā)現(xiàn)，腸聚集性大腸埃希菌與小腸結(jié)腸炎耶爾森菌（Yen）、鼠疫耶爾森菌（Ype）和假結(jié)核耶爾森菌（Yps）的irp2和fyuA基因約有99%的同源性；腸聚集性大腸埃希菌與Yps的fyuA基因由于核苷酸替代作用導(dǎo)致氨基酸錯(cuò)配，但兩者G＋C mol%相近；因而推斷irp2-fyuA基因簇可以在腸道細(xì)菌間水平轉(zhuǎn)移。姜桂香等［5］在2000年分離到10株帶有irp2基因的菌株，并提醒攜帶此基因的大腸埃希菌對(duì)人類健康的威脅應(yīng)該引起重視。在不到10年的時(shí)間內(nèi)，該毒力基因已迅速擴(kuò)散，造成的危害不容忽視。

通過致病性細(xì)菌的水平基因轉(zhuǎn)移及染色體的重構(gòu)，特殊大腸埃希菌菌株能夠獲得毒力基因，并且能夠?qū)е氯思皠?dòng)物的廣泛的腸內(nèi)及腸外感染［6-7］。腸內(nèi)致病性大腸埃希菌主要導(dǎo)致人及動(dòng)物腹瀉，在西南戰(zhàn)區(qū)腹瀉患者1 352例腹瀉病人中檢出36個(gè)屬種594株病原菌，檢出36株攜帶耶爾森菌HPI irp2基因大腸埃希菌，檢出率為2.66%［8］。腸外致病性大腸埃希菌引起人及家養(yǎng)動(dòng)物的不同種類的感染［9-10］，禽致病性大腸埃希菌主要引起氣囊炎、心包炎、敗血癥等；可導(dǎo)致家畜慢性乳腺感染，在豬和牛中，大部分導(dǎo)致新生兒敗血癥及泌尿道感染［11］。

近年來，在許多疾病中，致病性大腸埃希菌HPI毒力因子可能影響著疾病的進(jìn)程。如嬰兒猝死綜合征（Sudden infant death syndrome，SIDS），與毒血癥發(fā)病機(jī)理相似，其感染的關(guān)鍵機(jī)制可能與大腸埃希菌的參與有關(guān)。試驗(yàn)證明，攜帶有irp2基因的大腸埃希菌在SIDS嬰兒中具有很高的比例。遺傳因素影響著大腸埃希菌與宿主之間的相互作用，因此，HPI可能是引起SIDS多重因素之一［12］。再如，在深受免疫抑制患者例如移植接受患者中引起菌血癥的大腸埃希菌菌株，大部分流行毒力基因?yàn)閒yuA（yersiniabactin system：70%）和iutA （aerobactin system：63%）。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，致病性大腸埃希菌HPI毒力因子fyuA可以解釋腹部源菌血癥患者處于免疫功能低下狀態(tài)，且該原因占據(jù)主導(dǎo)地位［13］。

綜上所述，致病性大腸埃希菌HPI的相關(guān)基因在不同的疾病過程中起到非常重要的作用，在疾病的流行中，相關(guān)毒力因子會(huì)通過各種形式影響著疾病的進(jìn)程。HPI在我國(guó)養(yǎng)殖場(chǎng)大腸埃希菌中普遍存在，大腸埃希菌是一種重要的人獸共患病病原，動(dòng)物源大腸埃希菌常常通過食物鏈等途徑對(duì)環(huán)境及人類健康造成嚴(yán)重的危害。HPI毒力島可通過質(zhì)粒水平傳播到另一株細(xì)菌的特性，使得這些毒力因子有可能在各種菌株、動(dòng)物和人類之間互相傳播，且HPI已廣泛地分布于人的致病性腸桿菌中，對(duì)腸道外感染發(fā)揮重要作用［14］，這將對(duì)人類的健康和公共衛(wèi)生安全帶來很大的問題和威脅。大腸埃希菌感染成為影響我國(guó)養(yǎng)殖業(yè)健康發(fā)展的重大細(xì)菌病之一，給養(yǎng)殖業(yè)帶來的經(jīng)濟(jì)損失越來越嚴(yán)重。

3 HPI的獲得機(jī)理

細(xì)菌的多樣性，是由不同的遺傳機(jī)制引起的，包括點(diǎn)突變，基因重組和基因水平轉(zhuǎn)移（horizontal gene transfer，HGT），所有這些都代表細(xì)菌進(jìn)化的推動(dòng)力量。點(diǎn)突變和基因重組不會(huì)創(chuàng)造新的遺傳因素，只是導(dǎo)致緩慢的進(jìn)化發(fā)展，而HGT可產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的基因組，其中大量的DNA被引入，并從染色體中刪除。因此，HGT能夠有效改變細(xì)菌種類的生活方式。對(duì)于細(xì)菌病原體，毒力與水平轉(zhuǎn)移獲取的毒力決定因素有關(guān)，細(xì)菌毒力的進(jìn)化可能被視作一個(gè)能夠致病的適應(yīng)過程。

目前，雖然HPI獲得的機(jī)制尚不清楚，但HPI具有的整合模型特征支持了其通過位點(diǎn)特異性重組獲得的假設(shè)。簡(jiǎn)單的說，在整合酶的作用下，質(zhì)粒、噬菌體等可流動(dòng)的DNA成分參與毒力島序列向目標(biāo)位點(diǎn)的整合。通過位點(diǎn)特定重組，噬菌體整合到目標(biāo)DNA黏附位點(diǎn)。tRNA基因的3′端常作為黏附位點(diǎn)，因?yàn)閠RNA在菌種間高度保守且常呈過剩存在，整合到tRNA基因的3′端仍可保持tRNA基因的功能。整合機(jī)制的結(jié)果是，插入DNA序列的兩端有重復(fù)序列形成，并且整合酶基因插入到與tRNA插入位點(diǎn)臨近的位置，但轉(zhuǎn)錄方向與tRNA相反。這些特點(diǎn)HPI均具備［15］。

雖然毒力島的確切來源尚無明確定論，但其典型的結(jié)構(gòu)特征和廣泛的水平分布都支持了毒力島基因水平轉(zhuǎn)移獲得的假設(shè)。在Schuber T等［16］將HPI作為模型來研究毒力島轉(zhuǎn)移機(jī)制，利用多位點(diǎn)序列分析（MLST）的方法，建立系統(tǒng)進(jìn)化樹，研究HPI在大腸埃希菌基因中的分布，此研究證明了HPI是與供體菌株HPI側(cè)面DNA區(qū)域一起被轉(zhuǎn)移整合的，第一次表明了可接合轉(zhuǎn)移和同源DNA重組在大腸埃希菌HPI的水平轉(zhuǎn)移中起著重要作用?；驆u的水平轉(zhuǎn)移是導(dǎo)致毒力島在致病菌中呈現(xiàn)鑲嵌模式的可能原因，是新的病原菌產(chǎn)生的重要機(jī)理之一。盧珊等［17］研究發(fā)現(xiàn)，攜帶HPI的大腸埃希菌同時(shí)還攜帶部分O島和其他毒力島成分，為這一學(xué)說提供了支持性證據(jù)。

綜合起來，毒力島的水平轉(zhuǎn)移在細(xì)菌進(jìn)化過程中扮演重要角色，它可能與新發(fā)現(xiàn)的病原菌及細(xì)菌的毒力進(jìn)化有關(guān)。

4 HPI與致病性的關(guān)系

致病性大腸埃希菌是導(dǎo)致許多畜禽傳染病的原因，如家禽氣囊炎，豬和奶牛的急性乳腺炎，新生兒敗血癥，尿路感染。在它們的動(dòng)物宿主中，致病性大腸埃希菌不得不與低效的鐵競(jìng)爭(zhēng)。致病性大腸埃希菌菌株通過利用不同的策略能夠重新獲得分離于宿主蛋白的鐵，以增加細(xì)菌的致病性。這些策略之一是利用鐵載體，小的分泌分子具有對(duì)鐵高吸引力。而鐵載體合成的基因簇又與HPI某些基因簇有一定聯(lián)系。致病性大腸埃希菌能夠合成不同類型的鐵載體，如腸菌素，耶爾森菌素［18］。

鐵在先天免疫系統(tǒng)中扮演著重要的角色。除了為數(shù)不多的游離鐵，在哺乳動(dòng)物中大部分的鐵發(fā)現(xiàn)于包含入復(fù)雜分子中，如血紅素，或者結(jié)合于轉(zhuǎn)鐵蛋白及乳鐵蛋白。通過鐵載體獲取鐵的步驟包括鐵載體在細(xì)胞之中合成、鐵載體分泌、鐵-鐵載體反應(yīng)、鐵-鐵載體細(xì)胞內(nèi)攝作用、鐵在細(xì)胞之中釋放［19］。大腸埃希菌利用鐵載體提供的額外的鐵，使自身毒力增強(qiáng)，同時(shí)使細(xì)菌的致病性增強(qiáng)。雖然大腸埃希菌HPI使細(xì)菌增強(qiáng)的機(jī)理還未準(zhǔn)確闡明，但Paauw A等［20］在耶爾森菌素降低先天免疫細(xì)胞的氧化應(yīng)激的研究中，通過對(duì)HPI編碼的鐵載體的研究，證明含HPI的耶爾森菌毒力更強(qiáng)?？梢酝茰y(cè)，大腸埃希菌的HPI基因簇很可能具有與鼠疫耶爾森菌相同的功能，而鼠疫耶爾森菌的HPI可以合成鐵攝取系統(tǒng)有關(guān)的耶爾森菌素［21］。從HPI轉(zhuǎn)移機(jī)制和細(xì)菌的分化角度來推測(cè)，大腸埃希菌很可能基于某種選擇壓力先獲得完整的HPI，在分化成各種菌的不斷進(jìn)化過程中發(fā)生結(jié)構(gòu)上的缺失，使得其功能失活，但在進(jìn)化過程中對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性改變?nèi)阅苁辜?xì)菌本身生存下來。水平轉(zhuǎn)移的復(fù)雜過程也可能是造成其相對(duì)不完整性的一種可能的解釋。

每個(gè)鐵載體具有特殊的性能，可以被不同的因素所調(diào)節(jié)，提供不同的優(yōu)勢(shì)，允許致病性大腸埃希菌適應(yīng)不同環(huán)境條件或者去克服宿主先天免疫。由鐵載體獲取鐵在致病性大腸埃希菌毒力方面起著重要作用，因?yàn)樗枰饽な荏w，對(duì)于疫苗的發(fā)展構(gòu)成了重要的方向，這個(gè)疫苗可能被用來限制一定數(shù)量家畜由于致病性大腸埃希菌感染的傳染病。

5 小結(jié)及展望

致病性大腸埃希菌的HPI具有耶爾森菌HPI功能，編碼鼠疫菌素和耶爾森菌素雙受體功能FyuA蛋白以及特殊攝鐵系統(tǒng)；但耶爾森菌素FyuA受體僅在一部分HPI陽性菌株中表達(dá)，而且大多數(shù)FyuA-HMWP陽性株對(duì)鼠疫菌素并不敏感。這可能是大腸埃希菌中fyuA基因的部分缺失或點(diǎn)突變以及其它原因，如轉(zhuǎn)譯后，F(xiàn)yuA蛋白的修飾作用所致，也可能是由于耶爾森菌素?cái)z鐵系統(tǒng)并不是擁有強(qiáng)毒力島HPI最重要的優(yōu)勢(shì)。HPI缺失會(huì)單獨(dú)影響fyuA基因表達(dá)，但關(guān)于fyuA基因表達(dá)不同的原因仍不明確，這也是HPI要重點(diǎn)研究的內(nèi)容之一。

另外，雖然已有研究表明通過水平轉(zhuǎn)移可使HPI轉(zhuǎn)移至大腸埃希菌及其種屬中，但是其轉(zhuǎn)移機(jī)制的細(xì)節(jié)及其在種屬間的分布仍然不很透徹。致病性大腸埃希菌HPI所導(dǎo)致疾病的主要毒力基因及其機(jī)制，以及該基因在不同動(dòng)物中所致疾病的種類，這些都是有待于進(jìn)一步研究和探討的問題。相信隨著人們對(duì)致病性大腸埃希菌HPI研究的不斷深入，這些問題將逐步被解決，人們對(duì)其認(rèn)識(shí)也將更加清晰。

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