閆 瑞,鈕 冰,楊捷琳*
(1.上海大學生命科學學院,上海 200444;2.上海出入境檢驗檢疫局,上海 200135)
克羅諾桿菌屬(Cronobacterspp.),原阪崎腸桿菌(Enterobacter sakazakii),隸屬于腸桿菌科,由7 個種和3 個亞種組成[1-3]。屬內(nèi)菌株不同分型種類與臨床相關性存在較大差異,其中多數(shù)臨床分離株為阪崎克羅諾桿菌(C. sakazakii)和丙二酸鹽陽性克羅諾桿菌(C. malonaticus)。據(jù)報道,多數(shù)菌株易感染嬰幼兒和老年人等免疫力低下人群,可導致嚴重疾?。▔乃佬孕∧c結腸炎、敗血癥和腦膜炎),且致死率非常高(40%~80%)[4-6]。隨著克羅諾桿菌在不同食品尤其是嬰幼兒配方奶粉中被檢出,嬰幼兒配方奶粉(powdered infant formula,PIF)的污染因與疾病爆發(fā)密切相關而受到食品和衛(wèi)生監(jiān)管部門的高度重視[7-8]。
至今,分類學依舊是關于克羅諾桿菌研究的主題,因為準確的細菌分類對于可靠的監(jiān)管控制至關重要,而準確的細菌分類則依賴于有效的分型方法。同時,無論是克羅諾桿菌的流行病學研究還是分子溯源方法的建立都必須基于對目標生物多樣性的透徹理解。盡管研究人員已從食品、環(huán)境和臨床上分離到大量菌株,也對其分類有了較為清晰的認識;但是隨著越來越多克羅諾桿菌全基因組測序的完成,研究發(fā)現(xiàn)過去基于單個或多個基因的分型方法誤將許多無關菌株劃分到了一起[9-10]。因此利用全基因組測序數(shù)據(jù)并采用合適的分型方法來準確地鑒定和快速識別不同來源的克羅諾桿菌顯得尤為重要。此外,在克羅諾桿菌流行病學與毒力機制研究方面發(fā)現(xiàn),菌株間致病性存在較大差異,毒力具有多樣性,致病機制復雜多變[11-14]。進一步深入研究克羅諾桿菌屬內(nèi)各菌株的致病機制,從分子角度闡明相關致病機制和毒力特征,并選用合適的動物模型對該屬菌株進行毒力驗證性實驗是當前克羅諾桿菌研究的主要方向之一。
克羅諾桿菌的分型方法對于克羅諾桿菌的分類學研究起到至關重要的作用。從最初的Farmer[15]、Iversen[16]等采用表型分型方法建議將黃色陰溝腸桿菌改名為阪崎腸桿菌,并依據(jù)生化譜將實驗菌株劃分為15 個生物群,后擴展至16 個生物群;再到2007年—2008年Iversen等[1-2]采用多種新的分型方法(DNA-DNA雜交、核糖體分型和全長16S rRNA基因序列分析等)建議建立一個新屬即克羅諾桿菌屬代替先前的單一物種阪崎腸桿菌。這一新屬當時由5 個新種、1 個基因種(Cronobacter genomospecies1)組成。直到Joseph等[3]進一步結合基于7 個管家基因的分型方法建議將C. genomospecies1命名為C. universalissp. nov.(尤尼沃斯克羅諾桿菌新種),其同時發(fā)現(xiàn)了一個新的種C. condimentisp. nov.(康迪蒙提克羅諾桿菌新種),最終形成了包含7 個種的克羅諾桿菌屬??肆_諾桿菌分類地位變化并不僅僅依賴于1 種新的分型方法,而是多種傳統(tǒng)分型方法與新分型方法的結合應用(表1)。這些分型方法不僅為克羅諾桿菌的準確分類提供了依據(jù),同時也為克羅諾桿菌的分子溯源及毒力機制研究奠定了基礎。
表 1 克羅諾桿菌分類地位變化及分型方法Table 1 Changes in taxonomic status of Cronobacter and typing methods
最初,F(xiàn)armer等[15]采用DNA雜交、生化測試、黃色菌落產(chǎn)物以及抗生素敏感性等系列方法對57 株阪崎腸桿菌進行分類實驗,建議將“黃色陰溝腸桿菌”更名為阪崎腸桿菌,并建議將其另立為腸桿菌屬下的一個新種。同時基于10 個生化測試定義了15 個克羅諾桿菌生物群,并用于菌株的形態(tài)鑒定和區(qū)分。然而,基于DNA序列的方法所描述的菌株形態(tài)表明,這種生物分型方法存在嚴重缺陷,僅有不超過50%的菌株被正確分配到克羅諾桿菌[16]。因此,生物分型方法對于菌株的形態(tài)鑒定及準確定義被認為是不可靠的。此外,生物群與單獨的克羅諾桿菌種之間也沒有準確的相關性。盡管生理生化分型方法存在較多弊端,但因其普遍的適用性和基礎的鑒定能力,可作為經(jīng)典的分析方法。目前研究人員主要利用API 20E生化鑒定系統(tǒng)來進行生化分型,該方法基于多種不同的生理生化指標能夠將克羅諾桿菌鑒定至屬的水平,若要鑒定至種的水平則需要進一步增加生理生化實驗。
早期在對克羅諾桿菌感染的流行病學分析中,使用兩種限制性酶(XbaI和SpeI)的脈沖場凝膠電泳(pulsed-field gel electrophoresis,PFGE)是最常用的溯源分型方法[6,17,21]。常用于奶粉和嬰幼兒配方奶粉中微生物污染源的追蹤[22-25],該方法穩(wěn)定、可重復性強,應用基礎廣泛扎實,但該方法仍存在不能鑒定菌株和無法確定菌株的相關性;另外,由于固有DNA酶的活性使得某些菌株不能生成具有明顯特征的PFGE圖譜,故不能達到準確區(qū)分菌株的目的。因此,PFGE方法正在被逐步取代,全世界的疾病預防控制中心都正在轉向使用全基因組測序方法作為國際食源性疾病監(jiān)測分子分型網(wǎng)絡(https://www.cdc.gov/pulsenet/index.html)監(jiān)測的基礎,同時推廣基于全基因組序列的分型方法[26-27]。
基于序列的細菌鑒定方法是從單基因座測序開始的,通常能夠鑒定至種水平。如克諾羅桿菌的16S rRNA、ompA、dnaG、rpsU、cgcA、fliC、rpoB和fusA基因分型[19,28-30]。其中16S rRNA基因因其種間的高度相似性(97.8%~99.7%)而存在一定局限性[20]。2008年,Iversen等[2]發(fā)現(xiàn)C. malonaticussp. nov.并不是C. sakazakii的亞種,主要是因為16S rRNA序列分析不能將這兩個種區(qū)分開,但DNA-DNA雜交實驗顯示這兩個種的DNA相關性小于70%,所以把生物群1~4、7、8、11和13歸為阪崎克羅諾桿菌,生物群5、9和14劃分到丙二酸鹽陽性克羅諾桿菌。此外,后續(xù)針對克羅諾桿菌中的ompA、dnaG和rpoB等基因設計的分型方法均存在類似的局限性,一部分費時耗力,一部分則未經(jīng)過涵蓋克羅諾桿菌7 個種大量菌株的分型驗證[31]。其中,fusA等位基因與克羅諾桿菌的系統(tǒng)發(fā)育一致,可用于克羅諾桿菌屬菌種的鑒定。該方法能夠成功地將克羅諾桿菌的7 個種區(qū)分開,但對于克羅諾桿菌屬同種菌株間的研究則存在較大限制。
早期的血清分型方法是使用在動物體內(nèi)產(chǎn)生的抗體進行血清分型,隨著聚合酶鏈式反應(polymerase chain reaction,PCR)引物可以被設計用于O-血清型(rfb基因座)的PCR擴增,然后對PCR擴增產(chǎn)物進行限制酶消化以產(chǎn)生可識別的條帶圖案,血清分型便不再需要使用動物。這種方法被許多研究人員用于Cronobacterspp.研究[32-34]。但Sun Yamin等[35]因使用該方法將一些C. malonaticus菌株誤認為C. sakazakii,并且錯誤地確定了C. sakazakii的血清型。其次,可能由于O-血清型中的變體區(qū)域發(fā)生在PCR引物的目標區(qū)域之外,故PCR檢測分型并不能覆蓋所有C. sakazakii所產(chǎn)生的O-血清型的擴增產(chǎn)物[32-33]。因此O-血清型分型的PCR-引物方法逐漸被位于rfb區(qū)域側面的等位基因gnd和galF的分析方法所取代,這種基于DNA序列的方法用于確定O-血清型則更可靠,操作也更簡便,同時增加了克羅諾桿菌中可定義血清型的數(shù)量范圍(24~34 種)[36]。
MLST主要是將能夠反映全基因組系統(tǒng)發(fā)育關系的多個看家基因的測序數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中已登記數(shù)據(jù)進行比對分析從而獲得相應序列型。該方法能夠將高度相似的菌株進行有效區(qū)分。克羅諾桿菌MLST通常需要7 個管家基因:atpD、fusA、glnS、gltB、gyrB、infB和ppsA。這些基因座最初是用特別設計的引物單獨測序的,所需成本非常高。隨著下一代測序技術(next generation sequencing,NGS)的發(fā)展,使得全基因組測序成本的大大降低,同時促進了克羅諾桿菌基因序列數(shù)據(jù)庫(Pub-MLST)的建立和發(fā)展[9,31,37]。Forsythe[9]和Ogrodzki等[10]詳細綜述了1 600多株克羅諾桿菌的MLST結果。截止2018年11月5日,在數(shù)據(jù)庫中分離菌株已達2 600多株,這些克羅諾桿菌屬內(nèi)菌株的詳細測序數(shù)據(jù)(來源、分布、菌種構成、序列類型和克隆復合物等)和研究進展均可在線獲得(http://pubmlst.org/cronobacter/)。
對于克羅諾桿菌屬各菌株之間的研究,MLSA已被證實是一個非常有用工具。2009年Baldwin等[18]利用MLSA成功將C. sakazakii和C. malonaticus兩個種區(qū)分開。此外,MLST顯示C. sakazakiiST4菌株為優(yōu)勢菌株(22/60)。2012年Joseph等[19]采用MLST方法對325 株克羅諾桿菌的系統(tǒng)發(fā)育關系進一步證實了7 個種的存在,同時發(fā)現(xiàn)種內(nèi)變異從C. sakazakii的低多樣性到一些種的廣泛多樣性,從而推測物種之間可能存在基因轉換。此外,還發(fā)現(xiàn)C. sakazakii是臨床來源的優(yōu)勢菌種,C. sakazakiiST4是腦膜炎病例腦脊液分離株的主要序列類型。2014年Forsythe等[9]通過采用更具辨別力的編碼核糖體蛋白基因的多位點序列分析(ribosomal-MLST,rMLST)和基于直系同源基因簇核心基因的多位點序列(clusters of orthologous genes-core gene MLST,COG-cgMLST)分析方法對107 個克羅諾桿菌全基因組數(shù)據(jù)進行分析,進一步證實C. sakazakiiCC4克隆譜系非常穩(wěn)健。盡管MLST克隆識別對于克羅諾桿菌病原體的鑒定是有效的,但它對于微生物溯源可能會因相同序列類型(senquence type,ST)當中包含大量不相關菌株(地理來源、分離時間、宿主等)而適得其反[31]。這一點在COG-cgMLST分析結果的ST4聚類中也能夠得到印證,其中ST4包含了大量不相關菌株,這或許是該聚類存在大量分枝的原因。另外,這或許也可以解釋不相關的臨床C. sakazakii菌株卻具有相同的PFGE脈沖型這一現(xiàn)象。為了解決這一問題,單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphism,SNP)分析和規(guī)律成簇的間隔短回文重復序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats,CRISPR)分型在近幾年已被應用于相同ST的Cronobacter.spp.全基因組研究中。
單核苷酸多態(tài)性能夠反映分離株之間相當大的系統(tǒng)發(fā)育距離,Masood等[38]采用基于全基因組序列的SNP分型技術對1994年法國新生兒重癥監(jiān)護中心的C. sakazakii相同ST菌株進行了溯源分析,其結果顯示SNP分型方法可以對相同序列型菌株進一步分型,來自不同基因型簇的阪崎腸桿菌分離株具有共感染新生兒的能力,然而爆發(fā)來源尚未確定。此外,Guo Qingyan等[39]也通過類似方法對源自乳品的32 株C. sakazakiiST13菌株進行溯源分析,發(fā)現(xiàn)雖然部分C. sakazakiiST13菌株表現(xiàn)出地理位置的聚簇性,但整體來看SNP聚簇與原產(chǎn)地及乳制品產(chǎn)品類型之間沒有明顯的相關性。雖然SNP分型方法具有高度分辨性,但對參考菌株的選取較為敏感,即選取不同參考菌株SNP分型結果存在差異。SNP分析為計算密集型,因此可能分析時間較長。對于分析大型序列集,必須訪問高性能計算。此外,應用該方法進行分析需要大量的生物信息學知識[27]。
CRISPR-cas陣列反映了菌株對噬菌體和質粒的暴露,通常,CRISPR-cas系統(tǒng)可具有多達3 個區(qū)段:cas基因、陣列上游的富含AT的前導序列、由兩個重復序列(24~48 個核苷酸)組成且中間插入長度相似的間隔區(qū)的短CRISPR陣列,這些間隔區(qū)通常來自移動遺傳區(qū),如噬菌體和質粒等。間隔物在引導端依次添加,并且給定的間隔物具有高度特異性。由于對噬菌體和質粒的不同暴露,CRISPR-cas陣列在密切相關的菌株之間可能不同,導致間隔序列的變化。這些基因座可用作分子亞型的替代靶標,并且可提供比MLST(7 個位點)和PFGE更高的菌株分辨率。因此,該方案可能是對于高克隆生物如克羅諾桿菌有用的分型工具[10,31]。Ogrodzki等[40]曾將CRISPR-cas陣列應用于分析C. sakazakii4 個致病型:CC1、CC4、ST8和ST12。結果顯示該方法能夠根據(jù)菌株的間隔基因陣列將同一ST中的菌株進行區(qū)分。此外,他們進一步將該方法應用于克羅諾桿菌其余6 個種相同序列型菌株的研究,并證明了CRISPR-cas分析用于流行病學目的有用性。
隨著克羅諾桿菌全基因組測序數(shù)據(jù)的增加,一方面使得Pub-MLST數(shù)據(jù)庫中菌株ST、CC數(shù)據(jù)大規(guī)模增加;另一方面也使得對大量相同序列型菌株進行更全面的全基因組比較分析成為可能。這不僅有助于克羅諾桿菌屬內(nèi)相同ST菌株的進一步細分,而且有利于大量的毒力因子的揭示,從而為該菌的毒力機制研究奠定基礎。
最初克羅諾桿菌因與新生兒感染相關而被人們所關注,現(xiàn)已被公認為主要引起成人感染。克羅諾桿菌屬的7 個種可根據(jù)其臨床相關性進行分組:第1組包括C. sakazakii和C. malonaticus,構成了所有年齡組的大多數(shù)臨床分離株;第2組包括C. turicensis和C. universalis,很少被報道;其他3 種C. dublinensis、C. muytjensii和C. condimenti主要是環(huán)境共生物,可能很少或沒有臨床意義。因此,克羅諾桿菌毒力機制的研究主要集中于C. sakazakii和C. malonaticus[9,12,36,41-45]。其中,與特定新生兒和成人感染相關的致病型分別是:C. sakazakiiCC4、ST12與新生兒感染有關,C. malonaticusCC7與成人感染相關。其他的潛在致病性研究,如分離自嬰幼兒配方奶粉的C. sakazakiiST83菌株通過感染斑馬魚的實驗結果顯示其致死率非常高(90%~100%)[14]。過去,開展動物實驗通常選用的菌株為C. muytjensiiATCC 51329T,這是前阪崎腸桿菌物種的PreceptrolTM菌株[46]。然而,鮮有報道關于該物種的臨床病例,因此研究的相關性尚不確定。近期也有研究人員通過采用全基因組測序的方法針對代表性菌株如C. sakazakiiBAA-894進行致病性和毒力特征的深入研究。
由于發(fā)達國家和一些發(fā)展中國家的報告標準不同,甚至會出現(xiàn)漏報的情況,造成感染病例較少、病例報告不足的現(xiàn)狀,以至于目前克羅諾桿菌的流行病學仍是不完整的、模糊不清的?,F(xiàn)已知患病新生兒的主要癥狀有壞死性小腸結腸炎、敗血癥和腦膜炎。前者是非侵入性的,而在敗血癥和腦膜炎中,病原體可能通過腸上皮層細胞附著并侵入宿主。同時,關于C. sakazakiiCC4在新生兒腦膜炎病例中占主導地位的原因尚不清楚,這可能與該克隆譜系菌株的環(huán)境適應能力較強及潛在的毒力因子有關。C. sakazakiiCC4菌株已從嬰兒配方奶粉[22,24,47-50]和多數(shù)國家的奶粉生產(chǎn)廠中分離出來,因此可能代表一種穩(wěn)定持久的變異菌株,導致了新生兒感染的增加。C. sakazakiiST12與壞死性小腸結腸炎病例有關而非新生兒腦膜炎或敗血癥[38]。需要注意的是,NEC是新生兒常見的多因素胃腸道疾病,它不單與Cronobacterspp.有關,可由多種細菌病原體引起。關于成人的克諾羅桿菌感染報道指出[9,44],C. malonaticusCC7似乎與成人病例相關。成人的克羅諾桿菌感染表現(xiàn)出多種癥狀:結膜炎、膽汁性敗血癥、尿膿毒癥、闌尾炎、傷口感染和肺炎??赡苡捎谘X屏障的成熟,成人病例較少發(fā)生敗血癥和腦膜炎。另外,成人感染的來源尚不明確,發(fā)病率增加的原因也尚不清楚。
目前關于克羅諾桿菌感染所引發(fā)的高死亡率的詳細機制仍然知之甚少,其中阪崎克羅諾桿菌主要毒力因子和感染致病機制模型可參見圖1[12]。
如圖1所示,該致病菌能夠編碼多個與致病過程密切相關的毒力因子,這些毒力因子在包括黏附于宿主表面、穿過、侵入和破壞腸上皮細胞內(nèi)的腸屏障等致病過程中起到了重要的作用。據(jù)報道,阪崎克羅諾桿菌不僅能夠從宿主細胞頂端侵入,而且也能夠從基底外側侵入,從而轉移到大鼠更深的器官(脾臟和肝臟)[51-52]。由于克羅諾桿菌的致病研究還比較分散,沒有形成系統(tǒng)性。因此,克羅諾桿菌毒力因子列表僅列舉了部分與發(fā)病機制相關的主要毒力因子(表2)。
圖 1 假設的阪崎克羅諾桿菌感染和發(fā)病機制模型[12]Fig. 1 Proposed model for Cronobacter sakazakii infection and pathogenesis[12]
克羅諾桿菌可以侵入人體腸道細胞,在巨噬細胞中復制,并侵入血腦屏障[51-52]。體外研究表明,克羅諾桿菌在對哺乳動物腸細胞的附著和侵襲,巨噬細胞中的存活率及對血清的抗性方面與E. cloacae(陰溝腸桿菌)和Citrobacter freundii(弗氏檸檬酸桿菌)相當,但是低于Salmonella typhimurium(鼠傷寒沙門氏菌)。外膜蛋白A(OmpA)和外膜蛋白X(OmpX)可能在克羅諾桿菌穿透血腦屏障中起作用,盡管導致腦細胞破壞的機制尚不清楚,并且部分可能是宿主反應[53-54]。C. sakazakii產(chǎn)生的外膜囊泡,可能會導致宿主細胞產(chǎn)生細胞病變作用[55]。近期,也有研究人員通過基因芯片技術來研究與外膜蛋白致病密切相關的外膜囊泡。結果顯示,外膜囊泡可能參與外膜蛋白的包裝和轉運過程[56]。
C. sakazakii和一些C. turicensis菌株可以利用外源唾液酸作為生長的碳源,這或許具有臨床意義。這可能是一個主要的進化宿主適應機制,因為唾液酸存在于母乳、黏蛋白和神經(jīng)節(jié)苷脂中[57]。由于唾液酸與大腦發(fā)育相關,因此其也是嬰幼兒配方奶粉的一種成分。C. sakazakii也能夠在神經(jīng)節(jié)苷脂GM1上生長,其中唾液酸是唯一的碳源[58]。
質粒攜帶的毒力因子是一種重要的潛在毒力因子,如克羅諾桿菌纖溶酶原激活物(Cronobacterplasminogen activator,CPA),僅在C. sakazakii和C. universalis中編碼一種外膜蛋白酶[59]。另外,Eshwar等[13]進行了以斑馬魚為動物模型的克羅諾桿菌感染實驗,他們的實驗不僅證實了RepF1B樣質粒在克羅諾桿菌中作為“毒力質?!钡淖饔?,同時鞏固了兩種推定的毒力因子cpa和zpx在體內(nèi)發(fā)病機制中的重要性。此外,Chase等[14]通過采用全基因組測序和系統(tǒng)發(fā)育分析的方法發(fā)現(xiàn)C. sakazakiiH322和其它ST83菌株都存在pESA3-樣毒力質粒,其中一株存在pESA2-樣毒力質粒,同時還發(fā)現(xiàn)了pCS1-樣毒力質粒。這些結果表明ST83菌株可能具有高的致病性。
表 2 克羅諾桿菌主要的已知毒力因子特征Table 2 Characteristics of major known virulence factors of Cronobacter
克羅諾桿菌的測序基因組揭示了一系列的黏附素,如外膜蛋白、外排系統(tǒng)、鐵吸收機制、溶血素和VI型分泌系統(tǒng)等[60-63],這可能有助于進一步全面了解該菌的毒力機制。其他候選毒力決定因素包括用于巨噬細胞存活的超氧化物歧化酶、鞭毛、金屬蛋白酶、腸毒素[52,64-67]。如何選取合適的新生動物模型對上述潛在毒力因子進行有效驗證是當前克羅諾桿菌毒力機制研究的主要方向之一。
從克羅諾桿菌的研究歷程來看,克羅諾桿菌的分類地位隨著分型方法的改進在不斷的發(fā)生著變化,直到2012年克羅諾桿菌才形成較為明確的分類。近幾年的研究則主要基于這一分類基礎,進一步對不同種菌株進行MLST研究,然而通過全基因組測序和比較基因組分析發(fā)現(xiàn)Pub-MLST數(shù)據(jù)庫已登記的MLST結果中因包含了大量不相關菌株而很難將這些分型結果應用于克羅諾桿菌的溯源分析[9-10,30]。同時,克羅諾桿菌分類形成之前的一些關于阪崎腸桿菌的毒力機制研究則需進一步的驗證。本文著重介紹的分型方法,也是當前全基因組分型中較為常用的分析策略。其中API 20E可作為克羅諾桿菌屬的初步鑒定,而PFGE正在被逐步取代轉向基于全基因組序列的分型方法?;趩位蛉鏵usA的分型可用于種水平的鑒定,其他單基因分型則有助于對克羅諾桿菌功能及毒力基因的研究。進一步采用基于gnd和galF基因及MLST分型則可獲得更多關于菌株血清型,ST和CC型信息,從而能夠進行系統(tǒng)發(fā)育關系、菌株致病相關性、流行病學等研究。在此基礎之上從全基因組層面對相同ST克羅諾桿菌進行深度解析如COG-cgMLST、SNP和CRISPR-cas分析,則可為確定菌株來源、獲取更多與菌株流行病學特性及毒力因子相關信息奠定基礎。克羅諾桿菌的毒力機制研究尚缺乏統(tǒng)一結論,研究較為分散。一方面需要我們不斷完善其流行病學信息,從而獲得更多確切的致病信息;另一方面隨著基因分型的發(fā)展,菌株分類更加清晰,先前與毒力機制相關的一些結果可能存在缺陷需要再次驗證。綜上所述,結合克羅諾桿菌Pub-MLST數(shù)據(jù)庫從全基因組層面對屬內(nèi)不同來源菌株進行剖析,選取合適的新生動物模型對基因測序揭示的毒力因子進行驗證,不但可以促進該菌的溯源研究,而且對于詳細闡明其毒力機制有著深遠影響。