劉燕霏，楊建德

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病原菌感染適應(yīng)宿主相關(guān)機(jī)制研究進(jìn)展

劉燕霏，楊建德通信作者

（天津農(nóng)學(xué)院 動(dòng)物科學(xué)與動(dòng)物醫(yī)學(xué)學(xué)院，天津 300384）

病原菌造成感染，首先要克服宿主的先天性免疫和適應(yīng)性免疫機(jī)制。為了適應(yīng)周圍環(huán)境的壓力，病原菌和宿主相互作用，細(xì)菌不斷發(fā)生基因和表型改變，來求得生存。本文對(duì)病原菌適應(yīng)宿主機(jī)制進(jìn)行闡述，包括基因改變中毒力因子下調(diào)策略，細(xì)菌表型改變，還涉及細(xì)菌的耐藥性、運(yùn)動(dòng)性和密度感應(yīng)系統(tǒng)等改變。

病原菌；適應(yīng)機(jī)制；毒力下調(diào)；表型改變；密度感應(yīng)系統(tǒng)

病原菌要引起感染，首先要克服宿主的免疫系統(tǒng)識(shí)別和排除反應(yīng)。病原微生物和宿主間相互作用是一個(gè)復(fù)雜過程，它們相互斗爭(zhēng)也相互適應(yīng)，也彼此改變。免疫系統(tǒng)包括先天性及適應(yīng)性免疫，病原菌要顛覆這些殺傷機(jī)制要不斷發(fā)生基因和表型改變，以適應(yīng)周邊環(huán)境的壓力。某些病原菌在繁殖過程中基因復(fù)制出錯(cuò)恰好獲得更好的適應(yīng)宿主的能力而生存下來。 毒力因子或決定簇往往是非病原菌必需的，但如果失去，會(huì)不可避免地導(dǎo)致毒力降低。細(xì)菌毒力因子通常與宿主直接接觸，或參與病原體逃避免疫系統(tǒng)識(shí)別[1]。例如，外膜蛋白（OMP）是細(xì)菌黏附、定殖、侵襲、抗菌素耐藥性和細(xì)胞間信息交流所必需，具有較強(qiáng)的免疫原性。此外，細(xì)菌脂多糖（LPS）和莢膜具有抗免疫逃避所需的抗吞噬特性，還可參與免疫識(shí)別和宿主炎癥反應(yīng)。菌體外泌蛋白可參與宿主與細(xì)菌的相互作用和組織損傷。為了定植生存，病原菌需要適應(yīng)宿主環(huán)境并在宿主內(nèi)進(jìn)化。為了更好在宿主體內(nèi)生存、增殖，避免宿主免疫系統(tǒng)的識(shí)別及摧毀，許多病原菌下調(diào)毒力因子和病原體相關(guān)分子模式（PAMPS）的表達(dá)[2-3]。本文將從細(xì)菌基因變化、細(xì)菌表型、耐藥性、運(yùn)動(dòng)性和密度感應(yīng)系統(tǒng)等方面對(duì)適應(yīng)宿主機(jī)制加以論述。

1 宿主體內(nèi)細(xì)菌基因的變化

病原菌基因組通過點(diǎn)突變、基因轉(zhuǎn)換和重排、外源DNA插入和基因缺失，使細(xì)菌適應(yīng)宿主環(huán)境。在一個(gè)單獨(dú)宿主內(nèi)，一個(gè)病原菌克隆可以進(jìn)化形成多種不同的種群。此外，遺傳信息可以通過水平的基因轉(zhuǎn)移機(jī)制在病原體之間實(shí)現(xiàn)共享，進(jìn)一步促進(jìn)一些機(jī)會(huì)致病菌適應(yīng)環(huán)境。基因組序列分析研究表明，銅綠假單胞菌和金黃色葡萄球菌隨著在宿主體內(nèi)定植時(shí)間的增加，毒力降低。在多年的感染宿主體內(nèi)，銅綠假單胞菌經(jīng)過自然選擇的作用下毒力因子表達(dá)下降。最近的一個(gè)分離株出現(xiàn)MutS突變，MutS是DNA錯(cuò)配修復(fù)基因，與突變率增加有關(guān)，這可能對(duì)長(zhǎng)期慢性感染有益[4]。在一項(xiàng)金黃色葡萄球菌慢性感染的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)了23次基因點(diǎn)突變和15次基因缺失。由于選擇壓力導(dǎo)致毒力因子基因調(diào)控突變，這對(duì)體內(nèi)細(xì)菌生存有益[5]。

2 宿主體內(nèi)細(xì)菌表型變化

2.1 外膜蛋白（OMP）

OMP是革蘭氏陰性菌在宿主內(nèi)起適應(yīng)作用的關(guān)鍵成分。大多數(shù)OMP是由8-22個(gè)反向平行β-鏈單體或三聚桶狀結(jié)構(gòu)組成，這些膜蛋白參與鐵離子的吸收，為細(xì)菌生存及毒力所必需。細(xì)菌具有適應(yīng)宿主體內(nèi)含鐵含量低的組織器官如肺臟，通過產(chǎn)生鐵載體或鐵螯合化合物將宿主鐵裂解然后利用。在含鐵量稀少的宿主環(huán)境，尤其是慢性感染過程中利用宿主鐵離子呈現(xiàn)上調(diào)。蛋白質(zhì)組學(xué)表達(dá)的研究表明，洋蔥伯克霍爾德菌對(duì)這些鐵螯合化合物的攝取隨著時(shí)間的推移而增加。洋蔥伯克霍爾德菌OMP缺失會(huì)導(dǎo)致毒力下降，這表明OMP在細(xì)菌毒力因子的重要作用[6]。外膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白如tonB和tonB依賴性蛋白質(zhì)，有在低濃度鐵宿主環(huán)境中吸收鐵的功能。細(xì)菌外膜蛋白在宿主中具有抵抗血清作用，使細(xì)菌逃避補(bǔ)體介導(dǎo)的殺傷作用。Nakamura等認(rèn)為，流感嗜血桿菌適應(yīng)下呼吸道感染時(shí)發(fā)生的炎癥，宿主通過調(diào)節(jié)和基因表達(dá)來降低抗體的識(shí)別[7]。

2.2 脂多糖（LPS）

LPS是一種重要的糖脂類病原體相關(guān)分子，它嵌入在革蘭氏陰性細(xì)菌的外層結(jié)構(gòu)。它一旦結(jié)合TLR4和CD14、TLR2，會(huì)引起一系列應(yīng)答反應(yīng)包括發(fā)熱、血小板聚集和細(xì)胞因子產(chǎn)生等。LPS組分也有抵抗血清作用[3]。LPS由有毒性高酰基類脂A、中心核心寡糖和O抗原三部分構(gòu)成。LPS可增加細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性，以及隨后的LPS與二價(jià)陽離子交聯(lián)，降低親水劑的滲透性，增加對(duì)天然抗生素的抵抗力。在慢性銅綠假單胞菌感染中，LPS結(jié)構(gòu)改變，O抗原丟失或產(chǎn)生減少，這種現(xiàn)象常見于慢性疾病后期[8]。與O抗原相關(guān)免疫刺激的特性具有選擇優(yōu)勢(shì)，缺乏這種結(jié)構(gòu)的細(xì)胞的選擇性優(yōu)勢(shì)。事實(shí)上，這種現(xiàn)象在銅綠假單胞菌慢性感染中血液分離菌株O抗原的結(jié)構(gòu)改變并不常見。有研究表明，在洋蔥伯克霍爾德菌后續(xù)分離株中O-抗原合成減少。在感染后期，像銅綠假單胞菌、洋蔥伯克霍爾德菌分離菌株可以減少免疫刺激O-抗原和脂質(zhì)的產(chǎn)生，這可能對(duì)體內(nèi)致病菌有益。研究發(fā)現(xiàn)，在土拉弗朗西斯菌菌體表面高分子量的碳水化合物（HWMC）的多少與宿主感染適應(yīng)有關(guān)，在非宿主適應(yīng)菌株HWMC減少甚至丟失，而適應(yīng)宿主的菌株增多，這可以保護(hù)細(xì)菌免受抗體、補(bǔ)體和TLR2的識(shí)別[1]。

2.3 胞外多糖（EPS）

一些細(xì)菌產(chǎn)生黏液型菌落在呼吸道感染中也是重要的適應(yīng)機(jī)制，如銅綠假單胞通常過多產(chǎn)出細(xì)胞外多糖藻膠，在最初感染分離菌株是典型的非黏液型，而后期的分離菌株則由于突變多是黏液型。在臨床上常常分離出銅綠假單胞菌黏液型菌株，表明隨時(shí)間毒力減弱，而非黏液型菌株在體內(nèi)毒力可能較強(qiáng)，不易為機(jī)體所清除。銅綠假單胞菌的這種黏液型-非黏液型的轉(zhuǎn)換可能與機(jī)體的功能狀態(tài)和抗EPS抗體有關(guān)。研究表明，銅綠假單胞菌的非海藻酸鈉EPS與海藻酸鈉EPS同樣重要。在后續(xù)的研究中發(fā)現(xiàn)，非黏液型洋蔥伯克霍爾德菌分離株伴有毒力因子的表達(dá)升高。洋蔥伯克霍爾德菌分離菌株的基因與EPS和O抗原的合成有關(guān)，而隨著感染延續(xù)銅綠假單胞菌與O抗原合成減少的和基因出現(xiàn)突變，這表明不同病原為適應(yīng)不同組織器官的感染采取相同的策略進(jìn)化。此外，多噬伯克霍爾德菌也呈黏液到非黏液型轉(zhuǎn)換，與上述兩種細(xì)菌相比，隨著時(shí)間的推移毒力減弱，非黏液型比黏液菌分離株毒力更低，細(xì)菌個(gè)體和群集運(yùn)動(dòng)能力、IV型分泌系統(tǒng)、溶血素蛋白分泌和EPS生產(chǎn)均下降。研究表明，洋蔥伯克霍爾德菌通過產(chǎn)生EPS來抑制中性粒細(xì)胞趨化作用和活性氧作用，賦予菌體適應(yīng)性的優(yōu)勢(shì)。在金黃色葡萄球菌慢性感染后期，分離株比感染早期分離株莢膜多糖表達(dá)明顯減少，這可能與體內(nèi)持久性感染有關(guān)。金黃色葡萄球菌的幾種慢性感染模型表明，隨著定殖的推移毒力因子的表達(dá)會(huì)有所改變。與宿主的相互作用蛋白（FBP1）升高，而致病蛋白溶血素表達(dá)下降，潛在增加了定殖感染并逃避免疫識(shí)別[9]。

3 耐藥性（resistance）

產(chǎn)生耐藥性是許多慢性感染的病原菌適應(yīng)宿主的重要特征。在體內(nèi)，病原菌獲得不同的耐藥機(jī)制并利用它們保護(hù)自己，包括外排泵、膜孔蛋白、改變細(xì)胞膜透性和改變酶活性。在體內(nèi)感染過程中，這些耐藥機(jī)制當(dāng)暴露于一系列的抗菌藥物情況下可發(fā)生改變。據(jù)報(bào)道，多種病原體對(duì)多種抗生素的耐藥性隨體內(nèi)治療時(shí)間的推移而增加。在慢性感染過程中，銅綠假單胞菌耐藥性與LPS的修飾、生物被膜形成和密度感應(yīng)系統(tǒng)的突變有密切關(guān)系。OMP特別是多藥外排泵可以增加耐藥性，這些蛋白質(zhì)賦予宿主內(nèi)菌體抵抗多種抗生素的能力。在治療銅綠假單胞菌感染過程中，編碼β-內(nèi)酰胺酶和外排蛋白基因可發(fā)生突變，使細(xì)菌獲得更大的耐藥性。臨床上銅綠假單胞的分離株隨著時(shí)間的推移表現(xiàn)出更強(qiáng)的耐藥性。耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）也是獲得性肺炎常見的病原體，其中小菌落變種（SCV）金黃色葡萄球菌是一種常見的耐藥性表型，尤其是氨基糖苷類抗生素。由于SCV缺乏有效的電子傳遞系統(tǒng)，該系統(tǒng)為抗菌素進(jìn)入細(xì)胞所必需。因此，金黃色葡萄球菌SCV在宿主細(xì)胞的生存可降低對(duì)這種病原體的抗菌素治療效果[1，10-11]。

4 運(yùn)動(dòng)性（motility）

20年前就有報(bào)道，銅綠假單胞菌從一個(gè)有鞭毛運(yùn)動(dòng)性表型突變成為沒有鞭毛不能運(yùn)動(dòng)的表型。其鞭毛的喪失與包括、、和在內(nèi)的鞭毛基因突變有關(guān)，這可能由于在體內(nèi)巨噬細(xì)胞無法吞噬無鞭毛銅綠假單胞菌菌株而具有潛在適應(yīng)宿主的能力。近來從慢性感染病人新分離的銅綠假單胞菌運(yùn)動(dòng)性和積聚能力下降，細(xì)菌的運(yùn)動(dòng)性及積聚能力與細(xì)菌生物被膜形成相關(guān)。細(xì)菌運(yùn)動(dòng)性下降引起炎性物質(zhì)及抗細(xì)菌的IL-1β應(yīng)答降低，這就解釋了病原菌進(jìn)化出逃避免疫攻擊的策略。與早期分離株比較發(fā)現(xiàn)，多噬伯克霍爾德菌的最近臨床分離株與運(yùn)動(dòng)及趨化相關(guān)的基因轉(zhuǎn)錄均下降[12]。

5 生物被膜（biofilm，Bf）

Bf是一個(gè)結(jié)構(gòu)化的細(xì)菌群體，包裹在由多糖、蛋白質(zhì)和DNA組成的自產(chǎn)聚合物基質(zhì)中。Bf導(dǎo)致慢性感染，因?yàn)樗鼈儽憩F(xiàn)出對(duì)抗生素、消毒劑、吞噬作用及機(jī)體的其他防御系統(tǒng)成分的耐受性增強(qiáng)。例如，與異物有關(guān)的葡萄球菌感染的持久性是由于Bf的形成。同樣，慢性銅綠假單胞菌肺部感染是由于具有Bf的粘液樣菌株。從Bf頂部至底部，存在養(yǎng)分和氧氣的梯度差異，這些梯度變化與細(xì)菌的代謝活性下降和細(xì)菌世代時(shí)間增加有關(guān)；正是這些或多或少的不活躍或休眠細(xì)菌是產(chǎn)生抗生素耐受性的原因。Bf生長(zhǎng)與突變水平的提高與群體感應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)制相關(guān)聯(lián)。傳統(tǒng)的耐藥機(jī)制如β-內(nèi)酰胺酶、上調(diào)外排泵和抗生素靶向分子突變可促進(jìn)Bf細(xì)菌的生存。可以通過早期積極的抗生素預(yù)防或治療，或通過慢性抑制治療來預(yù)防Bf的形成。利用一些酶類能溶解Bf基質(zhì)（例如DNase和褐藻膠裂解酶）及群體感應(yīng)抑制劑，來提高Bf對(duì)抗生素的敏感性，這是一個(gè)很有希望的戰(zhàn)略[1，13]。

6 密度感應(yīng)系統(tǒng)（Quorum Sense，QS）

原核生物在低群體密度時(shí)通常表現(xiàn)為單細(xì)胞微生物，但一旦形成生物被膜它們能感知群體密度。QS使得細(xì)菌通過小信號(hào)分子或自體誘導(dǎo)物進(jìn)行交流，引起致病所需的不同毒力基因的表達(dá)。QS中l(wèi)asR和rhlR基因突變，在臨床銅綠假單胞菌分離株QS丟失，這種QS突變株出現(xiàn)具有慢性感染的優(yōu)勢(shì)，由于毒力因子通常是針對(duì)在體內(nèi)慢性感染過程，作為QS控制多種毒力因子的表達(dá)，在體內(nèi)慢性染感QS機(jī)制可能對(duì)細(xì)菌具有潛在危害。與銅綠假單胞菌不同的是，洋蔥伯克霍爾德菌很少出現(xiàn)QS丟失的突變菌株，QS功能喪失也不能為其提供體內(nèi)的生存優(yōu)勢(shì)。金黃色葡萄球菌采用輔助基因調(diào)節(jié)子（）QS控制其致病性、Bf形成及黏附，LuxS系統(tǒng)也與Bf形成有關(guān)。在慢性感染中，agr突變菌株常常出現(xiàn)，其毒力減弱且沒有溶血性[14]。

7 結(jié)語

革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌在宿主的適應(yīng)機(jī)制涉及多種復(fù)雜毒力因子的共同作用，包括有與宿主相互作用的細(xì)菌表面組分，諸如黏附素、OMP和LPS，還涉及細(xì)菌耐藥性、運(yùn)動(dòng)性、密度感應(yīng)系統(tǒng)等因素。在選擇壓力作用下，菌體調(diào)控這些毒力因子突變以便更好地適應(yīng)宿主環(huán)境。這種適應(yīng)進(jìn)化非常復(fù)雜，不能理解為單一因素的進(jìn)化軌跡。更合理的解釋是多種同時(shí)平行的突變使得細(xì)菌更適合其生存環(huán)境。宿主環(huán)境、共同感染的微生物和細(xì)胞特異性因素都有助于這些病原體的多樣性，多樣的病原體有一個(gè)共同的目標(biāo)，通過逃避宿主防御和抗微生物治療來在宿主內(nèi)存活[2，11，15]。進(jìn)一步采用分子生物學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和表型的研究將有助于對(duì)細(xì)菌致病機(jī)制和演化機(jī)理的理解，為消除這些常見耐藥性病原菌提供潛在的治療靶點(diǎn)。

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責(zé)任編輯：張愛婷

Research advance on related mechanism of adaptation of bacterial infection to its host

LIU Yan-fei, YANG Jian-deCorresponding Author

（College of Animal Science and Veterinary Medicine, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China）

The pathogenic bacteria causing infection, first overcomes host innate and adaptive immunity. In order to adapt to the pressure of the surrounding environment, bacteria interact with host with genetic and phenotypic changing constantly to survive. The mechanism of adapting to host pathogen are described, including genetically altered virulence factor reduction strategy, bacterial phenotype changes such as outer membrane protein, lipopolysaccharide and exopolysaccharide, also changes of bacterial resistance, motility and the quorum sensing.

pathogenic bacteria; adaptation mechanism; virulence down regulation; phenotypic change; quorum sensing

S852.61

A

1008-5394（2018）01-0090-04

10.19640/j.cnki.jtau.2018.01.020

2017-09-14

天津市自然基金項(xiàng)目（07JCYBJC16000）；天津農(nóng)學(xué)院附屬動(dòng)物醫(yī)院關(guān)鍵技術(shù)集成與學(xué)生綜合能力提升項(xiàng)目（ZH004901）

劉燕霏（1970-），女，副教授，碩士，研究方向?yàn)轭A(yù)防獸醫(yī)學(xué)。E-mail：674383573@qq.com。

楊建德（1969-），男，教授，博士，主要從事預(yù)防獸醫(yī)學(xué)方面的教學(xué)與研究。E-mail：jiandeyang@126.com。