链球菌毒力因子的研究进展

关于链球菌毒力因子的研究进展第1页，共26页，2022年，5月20日，12点13分，星期六1.简介

1986年Goebel等在研究尿路致病性大肠杆菌染色体上的溶血素基因簇时发现，该基因簇除编码α-溶血素外，还编码一些与该菌尿路致病性有关的毒力因子，首次提出该基因簇命名为毒力岛。

毒力岛(PAI)是指编码细菌毒力基因簇的分子量相对较大的DNA片段。而且还要具备下面讲到的八个特征。

第2页，共26页，2022年，5月20日，12点13分，星期六2.毒力岛的基本特征

第3页，共26页，2022年，5月20日，12点13分，星期六毒力岛具有以下特征

1、编码毒力因子或毒力调控系统a、编码黏附因子、外毒素、分泌系统、外膜蛋白等与致病性密切相关的因子b、毒力岛还可编码重要的毒力调控成分（如双组分信号转导系统），可调控毒力岛乃至整个基因组编码的毒力因子的表达，从而赋予宿主菌新的毒力特征2．存在于致病菌中，而在亲源关系密切的非致病菌或相关菌株中不存在。在我国1998年和2005年爆发的SS2强毒株中，含有89K毒力岛，而其他的弱毒株和无毒株中不含有或只还有不完整的毒力岛片段。第4页，共26页，2022年，5月20日，12点13分，星期六3、往往是相对分子质量较大的DNA片段。大多数毒力岛为数万碱基(20~100kb左右)，但大者可达200kb。4、G+C含量往往与细菌基因组DNA有显著差异，且密码子的偏嗜性也有差异。不过也有例外a、外源DNA的G+C组成本来就与新宿主菌相近b、这种差异在基因水平转移事件后经历了长期的同化作用，碱基组成和同义密码子使用偏嗜性已趋于一致

第5页，共26页，2022年，5月20日，12点13分，星期六5、作为一类独特的可移动基因元件，毒力岛两翼常与16~20bp的正向重复序列（DR）相连，少数DR可达100bp以上。DR可能是毒力岛插入细菌基因组时重组产生，也是酶切割基因时的识别序列，参与毒力岛的丢失过程。6、常与细菌染色体中tRNA等高度保守的基因毗连。原因有两个a、tRNA基因在不同细菌种属之间高度保守，其对称结构为重组酶提供了适宜的结合部位b、tRNA基因3′端与细菌噬菌体的结合位点同源，常常成为质粒和噬菌体的整合热点，而质粒和噬菌体在毒力岛的形成过程中扮演重要的角色

第6页，共26页，2022年，5月20日，12点13分，星期六7．通常具不稳定性。毒力岛常携带多种移动性基因元件，如插入序列（IS）、整合酶、转座酶以及质粒复制起始位点基因，可通过两翼的DR和内在的IS以及可能存在的同源序列而发生同源重组8、常呈现显著的嵌合体特征。毒力岛的嵌合基因特征可能源于前体噬菌体或质粒长期的进化所积累，IS介导的DNA重排也参与了嵌合体的形成。第7页，共26页，2022年，5月20日，12点13分，星期六毒力岛形成过程

在毒力岛形成的过程中，质粒，噬菌体，以及其他可移动遗传元件在基因的水平转移过程中扮演着重要的角色。

毒力基因水平转移重组或整合形成毒力岛样结构域可移动元件形成毒力岛毒力岛基因诱导表达毒力岛进化完善

图2毒力岛形成的流程图第8页，共26页，2022年，5月20日，12点13分，星期六

毒力岛不仅赋予病原菌特殊的致病能力,而且在细菌的适应性进化过程中扮演重要角色。现在已发现毒力岛存在的细菌耶尔森菌幽门螺杆菌金黄色葡萄球菌链球菌霍乱弧菌沙门氏菌大肠杆菌志贺菌毒力岛第9页，共26页，2022年，5月20日，12点13分，星期六随着现代分子生物技术的快速发展，现在许多学者认为毒力岛是细菌进化的结果，毒力岛的形成是细菌在不断的进化过程中细菌毒力由量变到质变的一个节点，以最近国内研究较热的链球菌为例，1998年和2005年我国爆发了罕见的Ss2强毒株，导致了我国将近300人感染，其中死亡59人，研究发现，爆发的强毒株与其他Ss2相比，就是多了一个89kb的基因片段，即PAI89K

其实，毒力岛只是细菌不断进化中的基因组岛的一种，现在人们在细菌基因组上又发现了耐药岛、腐生岛、共生岛、生态岛、固氮岛。第10页，共26页，2022年，5月20日，12点13分，星期六4.猪链球菌2型89K毒力岛4.189k毒力岛来源

1998年和2005年我国江苏省和四川省分别暴发大规模高致病SS2病，而且病人中出现高比例的、国内外罕见的链球菌中毒性休克综合征（STSS）。国家课题组通过对98HAH12、05ZYH33(两株均分离自STSS病人)、05JYS68、以及标准株P1/7的全基因组比较意外地发现一个长度为89kb的大片段，进一步的生物信息学和实验分析表明，该片段为中国强致病株所特有，且完全具备病原菌毒力岛的基本特征，遂命名为PAI89K最近有研究报道，在ss2强毒株上又发现了一个新的毒力岛SSG14不过该毒力岛的研究还处于初级阶段。

第11页，共26页，2022年，5月20日，12点13分，星期六表189K基本特征与毒力岛定义标准对比第12页，共26页，2022年，5月20日，12点13分，星期六目前，对89K毒力岛的研究还不是十分清楚，现在研究相对较清楚的结构有四个，二元信号转导系统，IV型分泌系统，ABC转运蛋白，毒素-抗毒素系统。4.2基本结构

图3PAI89k毒力岛模式图注：int：整合酶，TCSTS：二元传导系统，T4SS：IV型分泌系统，ABC：ABC转运蛋白，TA：毒素-抗毒素系统，Tn916：转座子，etv：其他毒力基因，DR：重复序列第13页，共26页，2022年，5月20日，12点13分，星期六4.21SalK/SalR二元信号转导系统

二元信号转导系统(TCSTS)是广泛存在于细菌中的跨膜信号传导机制。病原菌在感染宿主的过程中,能通过该系统密切感受和响应体内外各种微环境的变化,进而调节各种基因表达以完成其致病过程。研究表明，89k毒力岛上存在两个二元信号转导系统，研究较清楚的是SalK/SalR二元信号转导系统第14页，共26页，2022年，5月20日，12点13分，星期六图4SalK/SalR的结构及GC含量

第15页，共26页，2022年，5月20日，12点13分，星期六SalK/SalR二元信号转导系统的初步研究，其功能有两点

1.SalK/SalR缺失的突变株在活体组织器官中定殖能力显著下降,易被中性粒细胞所杀灭,毒力缺失,而SalK/SalR功能互补的菌株能恢复对动物的强致病性,表明SalK/SalR对于05ZYH33的强致病性是必不可少的。2.基因芯片研究结果显示SalK/SalR的缺失会导致26个基因的转录出现显著的下调,其中有2个是潜在的毒力因子。第16页，共26页，2022年，5月20日，12点13分，星期六4.22

IV型分泌系统

细菌的分泌系统是细菌方面的研究热点问题，目前已经发现的细菌分泌系统有Ⅰ~Ⅵ六种，其与细菌的代谢，致病性，耐药性密切相关，IV型分泌系统(T4SS)是与细菌接合机制有关的一类分泌系统。T4SS是一种跨膜的多亚单位复合物，通常包括一个由菌毛或其他表面纤维或蛋白质组成的分泌通道。T4SS不但可以转运蛋白质，还可以转运一些核糖核蛋白复合物第17页，共26页，2022年，5月20日，12点13分，星期六

图589k毒力岛上的Ⅳ型分泌系统基因结构模式图第18页，共26页，2022年，5月20日，12点13分，星期六图689k毒力岛上的Ⅳ型分泌系统模式图

第19页，共26页，2022年，5月20日，12点13分，星期六89k毒力岛上T4SS的作用1.介导基因水平转移,通过细菌间接合作用,传递抗性基因和毒力基因;间接证明了89k毒力岛是ss2长期基因水平转移的进化结果2.能转运效应蛋白质分子到宿主细胞,参与细菌致病。3.T4SS还可转运效应分子到宿主靶细胞,在激发宿主产生过度的免疫炎症应答中起作用，在我国高致病性ss2引起的罕见的中毒性休克综合征（STSS）中发挥重要作用。第20页，共26页，2022年，5月20日，12点13分，星期六4.23ABC转运蛋白ABC转运蛋白家族负责运输与SS2致病性高度相关的溶血素、蛋白酶、肽类抗生素等,可能参与了引发STSS第21页，共26页，2022年，5月20日，12点13分，星期六4.24SezAT毒素-抗毒素系统

毒素-抗毒素(toxin－antitoxin，TA)系统是在上世纪80年在大肠杆菌的质粒中首次被发现及命名，后来发现其广泛存在于质粒和细菌基因组当中，存在质粒中的TA系统主要发挥稳定低拷贝质粒在宿主中的传代，基因组中的TA系统功能多样，可参与到细菌的多项生理功能。TA系统重要功能就是细菌分裂后杀伤机制，由不稳定的抗毒素蛋白(Antitoxin)与稳定的毒素蛋白(Toxin)共表达组成。毒素蛋白通常抑制机体生长,抗毒素蛋白与其形成复合体以中和毒性。在营养缺乏等不良生长条件下,不稳定的抗毒素蛋白减少,导致细菌的生长抑制和死亡，菌群正是通过这种损失部分群体以保存整体的机制以适应环境变化。近年研究发现TA可参与到基因组岛的稳定过程当中第22页，共26页，2022年，5月20日，12点13分，星期六89K毒力岛上的SezAT毒素-抗毒素系统的作用

虽然对SezAT毒素-抗毒素系统的功能还不是很清楚，但是学者一致认为89k毒力岛上的SezAT毒素-抗毒素系统有稳定该毒力岛的作用，作用类似于质粒上的TA系统，图7SezAT结构模式图第23页，共26页，2022年，5月20日，12点13分，星期六4.389K毒力岛进化猜测

现在许多学者认为89K毒力岛的进化不同细菌之间基因水平转移的结果，有以下5点支持该观点1.GC含量为36.8%,明显低于全基因组的41.1%2.该基因片段上含有众多与基因移动相关的组分:如转座子、整合酶、切离酶等3.含有分泌系统、信号传导系统和调节系统基因，SS2PAI89K能利用自身的IV型分泌系统瞬时切离形成环状染色质,经转移后又能在整合酶的作用下