致病性大肠埃希菌HPI研究进展

臧雅婷，严玉霖，高 洪，高利波，赵 汝，李祥峰，邵志勇，卢 琴，崔艳艳

（云南农业大学动物科学技术学院，云南昆明650201）

强毒力岛 （high-pathogeniticity island，HPI），首次发现于耶尔森菌属，所以始称耶尔森菌强毒力岛，HPI主要含有与铁摄取有关的毒力基因簇，编码参与合成及摄取铁载体耶尔森菌素（yersiniabactin）的铁抑制蛋白 （iron-repressible protein，irp）基因及其调控基因，行使铁摄取功能。它是赋予耶尔森菌致病性和毒力的重要因素，介导着感染过程。但HPI也在其他肠杆菌科细菌中发现，如致病性大肠埃希菌、枸橼酸杆菌、沙门菌、克雷伯菌等。本文就致病性大肠埃希菌HPI的研究现状做一综述。

1 基本特征

HPI首先在耶尔森菌属中发现，具有毒力岛的基本特征：①载有致病性大肠埃希菌毒力相关性的编码基因；②仅存在于强毒株，如肠外致病性大肠埃希菌；③G＋C mol%与大肠埃希菌染色体有明显差异（一般高于）；④片段约为102kb，主要的结构基因有irp1、irp2和fyuA，其中irp2是HPI的标志基因［1］；⑤为一紧密、明确的遗传学单位；⑥一侧外缘与asn tRNA基因相连；⑦载有“可移动”的基因及整合酶基因。

据其基本特征，对大肠埃希菌的分子生物学鉴定方法如下：成功提取大肠埃希菌的基因组DNA，应用特异性引物（irp2或者fyuA），以大肠埃希菌基因组DNA为模板，PCR法扩增出特异条带后，大小与预期结果基本一致，表明成功扩增并检测到大肠埃希菌的irp2基因和fyuA基因，可判定为HPI［2］。

2 流行病学特征

HPI是在耶尔森菌属中首先发现，随后发现在克雷伯菌和枸橼酸杆菌等肠道菌群中存在。在93% 的黏附集聚性大肠埃希菌（EAEC），80% 的分离自血液标本的大肠埃希菌、产志贺毒素的非O157大肠埃希菌和尿道致病大肠埃希菌，以及30% 的非致病大肠埃希菌中都具有irp2-fyuA 基因簇［3］。irp2-irp1-irp3-irp4-irp5-fyuA基因簇简称fyuA-irp2基因簇，被认为是参与由铁载体耶尔森菌素介导的铁摄取功能的主要基因成分，fyuA基因编码产物是一个具有双重受体功能分子质量为73.7ku的铁抑制外膜蛋白，被称作含铁耶尔森菌素吸收毒力基因［4］。通过测序发现，肠聚集性大肠埃希菌与小肠结肠炎耶尔森菌（Yen）、鼠疫耶尔森菌（Ype）和假结核耶尔森菌（Yps）的irp2和fyuA基因约有99%的同源性；肠聚集性大肠埃希菌与Yps的fyuA基因由于核苷酸替代作用导致氨基酸错配，但两者G＋C mol%相近；因而推断irp2-fyuA基因簇可以在肠道细菌间水平转移。姜桂香等［5］在2000年分离到10株带有irp2基因的菌株，并提醒携带此基因的大肠埃希菌对人类健康的威胁应该引起重视。在不到10年的时间内，该毒力基因已迅速扩散，造成的危害不容忽视。

通过致病性细菌的水平基因转移及染色体的重构，特殊大肠埃希菌菌株能够获得毒力基因，并且能够导致人及动物的广泛的肠内及肠外感染［6-7］。肠内致病性大肠埃希菌主要导致人及动物腹泻，在西南战区腹泻患者1 352例腹泻病人中检出36个属种594株病原菌，检出36株携带耶尔森菌HPI irp2基因大肠埃希菌，检出率为2.66%［8］。肠外致病性大肠埃希菌引起人及家养动物的不同种类的感染［9-10］，禽致病性大肠埃希菌主要引起气囊炎、心包炎、败血症等；可导致家畜慢性乳腺感染，在猪和牛中，大部分导致新生儿败血症及泌尿道感染［11］。

近年来，在许多疾病中，致病性大肠埃希菌HPI毒力因子可能影响着疾病的进程。如婴儿猝死综合征（Sudden infant death syndrome，SIDS），与毒血症发病机理相似，其感染的关键机制可能与大肠埃希菌的参与有关。试验证明，携带有irp2基因的大肠埃希菌在SIDS婴儿中具有很高的比例。遗传因素影响着大肠埃希菌与宿主之间的相互作用，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症的大肠埃希菌菌株，大部分流行毒力基因为fyuA（yersiniabactin system：70%）和iutA （aerobactin system：63%）。试验发现，致病性大肠埃希菌HPI毒力因子fyuA可以解释腹部源菌血症患者处于免疫功能低下状态，且该原因占据主导地位［13］。

综上所述，致病性大肠埃希菌HPI的相关基因在不同的疾病过程中起到非常重要的作用，在疾病的流行中，相关毒力因子会通过各种形式影响着疾病的进程。HPI在我国养殖场大肠埃希菌中普遍存在，大肠埃希菌是一种重要的人兽共患病病原，动物源大肠埃希菌常常通过食物链等途径对环境及人类健康造成严重的危害。HPI毒力岛可通过质粒水平传播到另一株细菌的特性，使得这些毒力因子有可能在各种菌株、动物和人类之间互相传播，且HPI已广泛地分布于人的致病性肠杆菌中，对肠道外感染发挥重要作用［14］，这将对人类的健康和公共卫生安全带来很大的问题和威胁。大肠埃希菌感染成为影响我国养殖业健康发展的重大细菌病之一，给养殖业带来的经济损失越来越严重。

3 HPI的获得机理

细菌的多样性，是由不同的遗传机制引起的，包括点突变，基因重组和基因水平转移（horizontal gene transfer，HGT），所有这些都代表细菌进化的推动力量。点突变和基因重组不会创造新的遗传因素，只是导致缓慢的进化发展，而HGT可产生动态的基因组，其中大量的DNA被引入，并从染色体中删除。因此，HGT能够有效改变细菌种类的生活方式。对于细菌病原体，毒力与水平转移获取的毒力决定因素有关，细菌毒力的进化可能被视作一个能够致病的适应过程。

目前，虽然HPI获得的机制尚不清楚，但HPI具有的整合模型特征支持了其通过位点特异性重组获得的假设。简单的说，在整合酶的作用下，质粒、噬菌体等可流动的DNA成分参与毒力岛序列向目标位点的整合。通过位点特定重组，噬菌体整合到目标DNA黏附位点。tRNA基因的3′端常作为黏附位点，因为tRNA在菌种间高度保守且常呈过剩存在，整合到tRNA基因的3′端仍可保持tRNA基因的功能。整合机制的结果是，插入DNA序列的两端有重复序列形成，并且整合酶基因插入到与tRNA插入位点临近的位置，但转录方向与tRNA相反。这些特点HPI均具备［15］。

虽然毒力岛的确切来源尚无明确定论，但其典型的结构特征和广泛的水平分布都支持了毒力岛基因水平转移获得的假设。在Schuber T等［16］将HPI作为模型来研究毒力岛转移机制，利用多位点序列分析（MLST）的方法，建立系统进化树，研究HPI在大肠埃希菌基因中的分布，此研究证明了HPI是与供体菌株HPI侧面DNA区域一起被转移整合的，第一次表明了可接合转移和同源DNA重组在大肠埃希菌HPI的水平转移中起着重要作用。基因岛的水平转移是导致毒力岛在致病菌中呈现镶嵌模式的可能原因，是新的病原菌产生的重要机理之一。卢珊等［17］研究发现，携带HPI的大肠埃希菌同时还携带部分O岛和其他毒力岛成分，为这一学说提供了支持性证据。

综合起来，毒力岛的水平转移在细菌进化过程中扮演重要角色，它可能与新发现的病原菌及细菌的毒力进化有关。

4 HPI与致病性的关系

致病性大肠埃希菌是导致许多畜禽传染病的原因，如家禽气囊炎，猪和奶牛的急性乳腺炎，新生儿败血症，尿路感染。在它们的动物宿主中，致病性大肠埃希菌不得不与低效的铁竞争。致病性大肠埃希菌菌株通过利用不同的策略能够重新获得分离于宿主蛋白的铁，以增加细菌的致病性。这些策略之一是利用铁载体，小的分泌分子具有对铁高吸引力。而铁载体合成的基因簇又与HPI某些基因簇有一定联系。致病性大肠埃希菌能够合成不同类型的铁载体，如肠菌素，耶尔森菌素［18］。

铁在先天免疫系统中扮演着重要的角色。除了为数不多的游离铁，在哺乳动物中大部分的铁发现于包含入复杂分子中，如血红素，或者结合于转铁蛋白及乳铁蛋白。通过铁载体获取铁的步骤包括铁载体在细胞之中合成、铁载体分泌、铁-铁载体反应、铁-铁载体细胞内摄作用、铁在细胞之中释放［19］。大肠埃希菌利用铁载体提供的额外的铁，使自身毒力增强，同时使细菌的致病性增强。虽然大肠埃希菌HPI使细菌增强的机理还未准确阐明，但Paauw A等［20］在耶尔森菌素降低先天免疫细胞的氧化应激的研究中，通过对HPI编码的铁载体的研究，证明含HPI的耶尔森菌毒力更强。可以推测，大肠埃希菌的HPI基因簇很可能具有与鼠疫耶尔森菌相同的功能，而鼠疫耶尔森菌的HPI可以合成铁摄取系统有关的耶尔森菌素［21］。从HPI转移机制和细菌的分化角度来推测，大肠埃希菌很可能基于某种选择压力先获得完整的HPI，在分化成各种菌的不断进化过程中发生结构上的缺失，使得其功能失活，但在进化过程中对环境的适应性改变仍能使细菌本身生存下来。水平转移的复杂过程也可能是造成其相对不完整性的一种可能的解释。

每个铁载体具有特殊的性能，可以被不同的因素所调节，提供不同的优势，允许致病性大肠埃希菌适应不同环境条件或者去克服宿主先天免疫。由铁载体获取铁在致病性大肠埃希菌毒力方面起着重要作用，因为它需要外膜受体，对于疫苗的发展构成了重要的方向，这个疫苗可能被用来限制一定数量家畜由于致病性大肠埃希菌感染的传染病。

5 小结及展望

致病性大肠埃希菌的HPI具有耶尔森菌HPI功能，编码鼠疫菌素和耶尔森菌素双受体功能FyuA蛋白以及特殊摄铁系统；但耶尔森菌素FyuA受体仅在一部分HPI阳性菌株中表达，而且大多数FyuA-HMWP阳性株对鼠疫菌素并不敏感。这可能是大肠埃希菌中fyuA基因的部分缺失或点突变以及其它原因，如转译后，FyuA蛋白的修饰作用所致，也可能是由于耶尔森菌素摄铁系统并不是拥有强毒力岛HPI最重要的优势。HPI缺失会单独影响fyuA基因表达，但关于fyuA基因表达不同的原因仍不明确，这也是HPI要重点研究的内容之一。

另外，虽然已有研究表明通过水平转移可使HPI转移至大肠埃希菌及其种属中，但是其转移机制的细节及其在种属间的分布仍然不很透彻。致病性大肠埃希菌HPI所导致疾病的主要毒力基因及其机制，以及该基因在不同动物中所致疾病的种类，这些都是有待于进一步研究和探讨的问题。相信随着人们对致病性大肠埃希菌HPI研究的不断深入，这些问题将逐步被解决，人们对其认识也将更加清晰。

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