病原菌感染适应宿主相关机制研究进展

刘燕霏，杨建德



病原菌感染适应宿主相关机制研究进展

刘燕霏，杨建德通信作者

（天津农学院 动物科学与动物医学学院，天津 300384）

病原菌造成感染，首先要克服宿主的先天性免疫和适应性免疫机制。为了适应周围环境的压力，病原菌和宿主相互作用，细菌不断发生基因和表型改变，来求得生存。本文对病原菌适应宿主机制进行阐述，包括基因改变中毒力因子下调策略，细菌表型改变，还涉及细菌的耐药性、运动性和密度感应系统等改变。

病原菌；适应机制；毒力下调；表型改变；密度感应系统

病原菌要引起感染，首先要克服宿主的免疫系统识别和排除反应。病原微生物和宿主间相互作用是一个复杂过程，它们相互斗争也相互适应，也彼此改变。免疫系统包括先天性及适应性免疫，病原菌要颠覆这些杀伤机制要不断发生基因和表型改变，以适应周边环境的压力。某些病原菌在繁殖过程中基因复制出错恰好获得更好的适应宿主的能力而生存下来。 毒力因子或决定簇往往是非病原菌必需的，但如果失去，会不可避免地导致毒力降低。细菌毒力因子通常与宿主直接接触，或参与病原体逃避免疫系统识别[1]。例如，外膜蛋白（OMP）是细菌黏附、定殖、侵袭、抗菌素耐药性和细胞间信息交流所必需，具有较强的免疫原性。此外，细菌脂多糖（LPS）和荚膜具有抗免疫逃避所需的抗吞噬特性，还可参与免疫识别和宿主炎症反应。菌体外泌蛋白可参与宿主与细菌的相互作用和组织损伤。为了定植生存，病原菌需要适应宿主环境并在宿主内进化。为了更好在宿主体内生存、增殖，避免宿主免疫系统的识别及摧毁，许多病原菌下调毒力因子和病原体相关分子模式（PAMPS）的表达[2-3]。本文将从细菌基因变化、细菌表型、耐药性、运动性和密度感应系统等方面对适应宿主机制加以论述。

1 宿主体内细菌基因的变化

病原菌基因组通过点突变、基因转换和重排、外源DNA插入和基因缺失，使细菌适应宿主环境。在一个单独宿主内，一个病原菌克隆可以进化形成多种不同的种群。此外，遗传信息可以通过水平的基因转移机制在病原体之间实现共享，进一步促进一些机会致病菌适应环境。基因组序列分析研究表明，铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌随着在宿主体内定植时间的增加，毒力降低。在多年的感染宿主体内，铜绿假单胞菌经过自然选择的作用下毒力因子表达下降。最近的一个分离株出现MutS突变，MutS是DNA错配修复基因，与突变率增加有关，这可能对长期慢性感染有益[4]。在一项金黄色葡萄球菌慢性感染的调查中发现，出现了23次基因点突变和15次基因缺失。由于选择压力导致毒力因子基因调控突变，这对体内细菌生存有益[5]。

2 宿主体内细菌表型变化

2.1 外膜蛋白（OMP）

OMP是革兰氏阴性菌在宿主内起适应作用的关键成分。大多数OMP是由8-22个反向平行β-链单体或三聚桶状结构组成，这些膜蛋白参与铁离子的吸收，为细菌生存及毒力所必需。细菌具有适应宿主体内含铁含量低的组织器官如肺脏，通过产生铁载体或铁螯合化合物将宿主铁裂解然后利用。在含铁量稀少的宿主环境，尤其是慢性感染过程中利用宿主铁离子呈现上调。蛋白质组学表达的研究表明，洋葱伯克霍尔德菌对这些铁螯合化合物的摄取随着时间的推移而增加。洋葱伯克霍尔德菌OMP缺失会导致毒力下降，这表明OMP在细菌毒力因子的重要作用[6]。外膜转运蛋白如tonB和tonB依赖性蛋白质，有在低浓度铁宿主环境中吸收铁的功能。细菌外膜蛋白在宿主中具有抵抗血清作用，使细菌逃避补体介导的杀伤作用。Nakamura等认为，流感嗜血杆菌适应下呼吸道感染时发生的炎症，宿主通过调节和基因表达来降低抗体的识别[7]。

2.2 脂多糖（LPS）

LPS是一种重要的糖脂类病原体相关分子，它嵌入在革兰氏阴性细菌的外层结构。它一旦结合TLR4和CD14、TLR2，会引起一系列应答反应包括发热、血小板聚集和细胞因子产生等。LPS组分也有抵抗血清作用[3]。LPS由有毒性高酰基类脂A、中心核心寡糖和O抗原三部分构成。LPS可增加细胞膜结构的不对称性，以及随后的LPS与二价阳离子交联，降低亲水剂的渗透性，增加对天然抗生素的抵抗力。在慢性铜绿假单胞菌感染中，LPS结构改变，O抗原丢失或产生减少，这种现象常见于慢性疾病后期[8]。与O抗原相关免疫刺激的特性具有选择优势，缺乏这种结构的细胞的选择性优势。事实上，这种现象在铜绿假单胞菌慢性感染中血液分离菌株O抗原的结构改变并不常见。有研究表明，在洋葱伯克霍尔德菌后续分离株中O-抗原合成减少。在感染后期，像铜绿假单胞菌、洋葱伯克霍尔德菌分离菌株可以减少免疫刺激O-抗原和脂质的产生，这可能对体内致病菌有益。研究发现，在土拉弗朗西斯菌菌体表面高分子量的碳水化合物（HWMC）的多少与宿主感染适应有关，在非宿主适应菌株HWMC减少甚至丢失，而适应宿主的菌株增多，这可以保护细菌免受抗体、补体和TLR2的识别[1]。

2.3 胞外多糖（EPS）

一些细菌产生黏液型菌落在呼吸道感染中也是重要的适应机制，如铜绿假单胞通常过多产出细胞外多糖藻胶，在最初感染分离菌株是典型的非黏液型，而后期的分离菌株则由于突变多是黏液型。在临床上常常分离出铜绿假单胞菌黏液型菌株，表明随时间毒力减弱，而非黏液型菌株在体内毒力可能较强，不易为机体所清除。铜绿假单胞菌的这种黏液型-非黏液型的转换可能与机体的功能状态和抗EPS抗体有关。研究表明，铜绿假单胞菌的非海藻酸钠EPS与海藻酸钠EPS同样重要。在后续的研究中发现，非黏液型洋葱伯克霍尔德菌分离株伴有毒力因子的表达升高。洋葱伯克霍尔德菌分离菌株的基因与EPS和O抗原的合成有关，而随着感染延续铜绿假单胞菌与O抗原合成减少的和基因出现突变，这表明不同病原为适应不同组织器官的感染采取相同的策略进化。此外，多噬伯克霍尔德菌也呈黏液到非黏液型转换，与上述两种细菌相比，随着时间的推移毒力减弱，非黏液型比黏液菌分离株毒力更低，细菌个体和群集运动能力、IV型分泌系统、溶血素蛋白分泌和EPS生产均下降。研究表明，洋葱伯克霍尔德菌通过产生EPS来抑制中性粒细胞趋化作用和活性氧作用，赋予菌体适应性的优势。在金黄色葡萄球菌慢性感染后期，分离株比感染早期分离株荚膜多糖表达明显减少，这可能与体内持久性感染有关。金黄色葡萄球菌的几种慢性感染模型表明，随着定殖的推移毒力因子的表达会有所改变。与宿主的相互作用蛋白（FBP1）升高，而致病蛋白溶血素表达下降，潜在增加了定殖感染并逃避免疫识别[9]。

3 耐药性（resistance）

产生耐药性是许多慢性感染的病原菌适应宿主的重要特征。在体内，病原菌获得不同的耐药机制并利用它们保护自己，包括外排泵、膜孔蛋白、改变细胞膜透性和改变酶活性。在体内感染过程中，这些耐药机制当暴露于一系列的抗菌药物情况下可发生改变。据报道，多种病原体对多种抗生素的耐药性随体内治疗时间的推移而增加。在慢性感染过程中，铜绿假单胞菌耐药性与LPS的修饰、生物被膜形成和密度感应系统的突变有密切关系。OMP特别是多药外排泵可以增加耐药性，这些蛋白质赋予宿主内菌体抵抗多种抗生素的能力。在治疗铜绿假单胞菌感染过程中，编码β-内酰胺酶和外排蛋白基因可发生突变，使细菌获得更大的耐药性。临床上铜绿假单胞的分离株随着时间的推移表现出更强的耐药性。耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）也是获得性肺炎常见的病原体，其中小菌落变种（SCV）金黄色葡萄球菌是一种常见的耐药性表型，尤其是氨基糖苷类抗生素。由于SCV缺乏有效的电子传递系统，该系统为抗菌素进入细胞所必需。因此，金黄色葡萄球菌SCV在宿主细胞的生存可降低对这种病原体的抗菌素治疗效果[1，10-11]。

4 运动性（motility）

20年前就有报道，铜绿假单胞菌从一个有鞭毛运动性表型突变成为没有鞭毛不能运动的表型。其鞭毛的丧失与包括、、和在内的鞭毛基因突变有关，这可能由于在体内巨噬细胞无法吞噬无鞭毛铜绿假单胞菌菌株而具有潜在适应宿主的能力。近来从慢性感染病人新分离的铜绿假单胞菌运动性和积聚能力下降，细菌的运动性及积聚能力与细菌生物被膜形成相关。细菌运动性下降引起炎性物质及抗细菌的IL-1β应答降低，这就解释了病原菌进化出逃避免疫攻击的策略。与早期分离株比较发现，多噬伯克霍尔德菌的最近临床分离株与运动及趋化相关的基因转录均下降[12]。

5 生物被膜（biofilm，Bf）

Bf是一个结构化的细菌群体，包裹在由多糖、蛋白质和DNA组成的自产聚合物基质中。Bf导致慢性感染，因为它们表现出对抗生素、消毒剂、吞噬作用及机体的其他防御系统成分的耐受性增强。例如，与异物有关的葡萄球菌感染的持久性是由于Bf的形成。同样，慢性铜绿假单胞菌肺部感染是由于具有Bf的粘液样菌株。从Bf顶部至底部，存在养分和氧气的梯度差异，这些梯度变化与细菌的代谢活性下降和细菌世代时间增加有关；正是这些或多或少的不活跃或休眠细菌是产生抗生素耐受性的原因。Bf生长与突变水平的提高与群体感应调节机制相关联。传统的耐药机制如β-内酰胺酶、上调外排泵和抗生素靶向分子突变可促进Bf细菌的生存。可以通过早期积极的抗生素预防或治疗，或通过慢性抑制治疗来预防Bf的形成。利用一些酶类能溶解Bf基质（例如DNase和褐藻胶裂解酶）及群体感应抑制剂，来提高Bf对抗生素的敏感性，这是一个很有希望的战略[1，13]。

6 密度感应系统（Quorum Sense，QS）

原核生物在低群体密度时通常表现为单细胞微生物，但一旦形成生物被膜它们能感知群体密度。QS使得细菌通过小信号分子或自体诱导物进行交流，引起致病所需的不同毒力基因的表达。QS中lasR和rhlR基因突变，在临床铜绿假单胞菌分离株QS丢失，这种QS突变株出现具有慢性感染的优势，由于毒力因子通常是针对在体内慢性感染过程，作为QS控制多种毒力因子的表达，在体内慢性染感QS机制可能对细菌具有潜在危害。与铜绿假单胞菌不同的是，洋葱伯克霍尔德菌很少出现QS丢失的突变菌株，QS功能丧失也不能为其提供体内的生存优势。金黄色葡萄球菌采用辅助基因调节子（）QS控制其致病性、Bf形成及黏附，LuxS系统也与Bf形成有关。在慢性感染中，agr突变菌株常常出现，其毒力减弱且没有溶血性[14]。

7 结语

革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌在宿主的适应机制涉及多种复杂毒力因子的共同作用，包括有与宿主相互作用的细菌表面组分，诸如黏附素、OMP和LPS，还涉及细菌耐药性、运动性、密度感应系统等因素。在选择压力作用下，菌体调控这些毒力因子突变以便更好地适应宿主环境。这种适应进化非常复杂，不能理解为单一因素的进化轨迹。更合理的解释是多种同时平行的突变使得细菌更适合其生存环境。宿主环境、共同感染的微生物和细胞特异性因素都有助于这些病原体的多样性，多样的病原体有一个共同的目标，通过逃避宿主防御和抗微生物治疗来在宿主内存活[2，11，15]。进一步采用分子生物学、蛋白质组学和表型的研究将有助于对细菌致病机制和演化机理的理解，为消除这些常见耐药性病原菌提供潜在的治疗靶点。

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责任编辑：张爱婷

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

天津市自然基金项目（07JCYBJC16000）；天津农学院附属动物医院关键技术集成与学生综合能力提升项目（ZH004901）

刘燕霏（1970-），女，副教授，硕士，研究方向为预防兽医学。E-mail：674383573@qq.com。

杨建德（1969-），男，教授，博士，主要从事预防兽医学方面的教学与研究。E-mail：jiandeyang@126.com。