“病原微生物遗传学研究进展专刊”编者寄语

谢建平，岑山，刘钢



“病原微生物遗传学研究进展专刊”编者寄语

谢建平1，岑山2，刘钢3

1.西南大学生命科学学院现代生物医药研究所，重庆 400715；2.中国医学科学院医药生物技术研究所，北京 100050；3.中国科学院微生物研究所，北京 100101

在整个人类文明史上，微生物与人类如影随形，恩怨情仇不断。作为人类的朋友，微生物为我们的奶酪、面包、泡菜、啤酒、葡萄酒、抗生素以及免疫系统的发育等提供了重要的资源和动力。另一方面，人类文明的发展史浓缩了与瘟疫的历次战役，如鼠疫、霍乱、流感、非典、埃博拉等。1845年至1852年间，致病疫霉()感染导致爱尔兰人的主要粮食马铃薯腐烂，造成了历史上著名的爱尔兰饥荒，并对爱尔兰的社会、文化、人口产生深远影响。其他动物疾病如口蹄疫病毒、鸡瘟病毒等都曾给畜牧业造成过巨大损失。

在生命科学和生物医学史上，微生物功勋卓著。微生物是现代生物学重大基础理论建立的重要工具，如阐明DNA是主要遗传物质，中心法则的建立和完善，微生物都是主力工具。今天，无论是合成生物学还是表观基因组学，微生物仍然作为先锋，如人工合成脊髓灰质炎病毒，或者创造性的细菌物种“Synthia”，为其他生物的研究提供借鉴。基因组编辑工具的革命性创新，仍然受到微生物的启发或者是微生物的直接产物。如转录激活样效应因子核酸酶(Transcription activator-like effector nuclease, TALEN)技术源自黄单胞菌(sp.)侵袭植物所需的经III型分泌系统分泌的TAL效应因子(TAL effector, TALE)，CRISPR-Cas9系统与产脓链球菌()等细菌的免疫系统有关。在肿瘤新治疗措施方面，工程改造的兼性厌氧的单核细胞增生李斯特氏菌()与放射性元素如铼偶联，动物实验证明可控制转移性胰腺癌。诺维氏梭菌()的孢子可以治疗犬软组织肉瘤。

抗生素是20世纪最伟大的医学发现之一，其发现对人寿命的延长至少贡献了10岁。但是，抗生素耐药问题日益严峻，几乎每种抗生素都有耐药菌。从1987年以后，再也没有真正意义上的新抗生素上市。世界卫生组织(WHO)2014年发布了关于抗生素危机的报告，包括6种传染病和7种耐药菌。6种传染病是：肺结核、伤寒、淋病、梅毒、白喉，以及克雷伯氏菌所导致的感染如肺炎、尿道感染、败血症、脑膜炎和腹泻等。7种耐药菌为：耐第三代头孢菌素和氟喹诺酮类抗生素的大肠杆菌，能耐第三代碳青霉烯类抗生素的肺炎克雷伯氏菌，耐甲氧苯青霉素的金黄色葡萄球菌，耐青霉素的肺炎链球菌，耐氟喹诺酮类抗生素的非伤寒沙门氏菌和志贺氏菌(俗称痢疾杆菌)，耐第三代碳青霉烯类抗生素的淋球菌。我们将可能进入“后抗生素时代”，人们将死于以前可治愈的普通感染。为此，已有300年历史的英国设奖悬赏1000万英镑，以期找到解决抗生素耐药性问题的对策。但某种意义上，抗生素耐药性的威胁可能也是一个永无止境的挑战。即使没有抗生素作为选择压力，耐药突变也会出现。永久冻土层中发现的细菌耐药基因早已证实了这一点。微生物快速复制和变异的进化优势，以及抗生素的普遍使用和过度滥用，进一步加重了耐药问题。在与致病微生物的博弈中，人类需要斗智斗勇。

本期专刊就是在与病原微生物的斗争中，基础研究与临床医生密切合作，寻找病原微生物致病和耐药的分子遗传机理，并积极转化为感染性疾病预防、诊断和治疗的工具的部分体现。本期涉及主要的病毒、细菌和真菌性疾病，也涉及基因组编辑 工具。

CRISPR-Cas9 基因编辑技术是基于细菌或古细菌CRISPR 介导的获得性免疫系统衍生而来，由一段RNA通过碱基互补配对识别DNA，指导Cas9 核酸酶切割识别的双链DNA，诱发同源重组或非同源末端链接，进而实现在目的DNA 上进行编辑。病毒通过特异的受体侵染细胞，其基因组在细胞内发生复制、转录、翻译等过程完成其生活周期，某些DNA 病毒或逆转录病毒基因组会整合到宿主基因组中。基因治疗是病毒感染疾病治疗的新趋势。因此，基因编辑技术在持续感染的病毒或潜伏感染病毒疾病治疗中具有重大的潜在意义。殷利眷等总结了CRISPR-Cas9 作用机制以及在病毒感染疾病治疗中的应用（详见第412~418页）。

人类免疫缺陷病毒(Human immunodeficiency virus type 1, HIV-1)引起的人获得性免疫缺陷综合征(Acquired immunodeficiency syndrome, AIDS)(简称艾滋病)，是一种危害严重的病毒传染性疾病。联合国艾滋病规划署估计，2012 年，全球约有3530万名艾滋病患者，其中新增感染人数为230 万人，另有160 万人死于与艾滋病相关的疾病。尽管高效抗逆转录病毒治疗(Highly active antiretroviral therapy, HAART)提高了艾滋病患者的生活质量，延长了患者的生命。但由于HIV-1 高变异等问题，到目前为止还没有治愈艾滋病的方法和疫苗。自HIV-1 发现以来，了解病毒的传播机制、发展阻断传播与感染的策略是广泛关注的焦点。HIV-1 在粘膜传播过程中，病毒的遗传多样性显著减少，甚至会减少到一个或少数几个病毒。这些病毒会首先建立感染，并最终发展成为系统感染，上述病毒被称为初始传播病毒(Transmitted/founder virus, T/F virus)，该发现为阐明病毒传播过程中严重的“遗传瓶颈(Genetic bottleneck)”效应和有限的早期进化现象提供了重要的理论支撑。岑山等综述了初始传播病毒的发现、初始传播病毒的进化特征以及感染后初期宿主的免疫反应等。病毒蛋白R(Vpr)是HIV-1 的辅助蛋白之一，在病毒复制过程中起重要作用（详见第419~425页）。

手足口病尚无上市疫苗和抗病毒药物，主要依赖对症治疗。人肠道病毒71 血清型(Enterovirus 71, EV71)是手足口病(Hand, foot and mouth disease, HFMD)的主要病原体之一。对EV71 的分子流行病学和分子进化研究对手足口病的监测和防控具有重要意义。桂娟娟等总结人肠道病毒71 型基因型的分类、时空分布、进化特征和模式以及所造成的代表性疫情，为EV71 致病机制、抗病毒药物和疫苗的研究以及对手足口病疫情的监测和防控提供启发（详见第426~435页）。

每年新生隐球菌能够引发致命的隐球菌病和真菌脑膜炎而死亡的超过60 万人。新生隐球菌是进化最为成功的环境真菌之一，在自然界中的分布极为广泛。细胞–细胞交流、细胞形态转换和细胞异质性等重要环境适应行为在协调新生隐球菌的致病性方面都扮演了重要的角色。王琳淇等从致病菌-自然栖居环境-人类宿主3方的关系解析了新生隐球菌环境适应策略，影响毒力的机制及相关进化动机，并对其潜在的研究前景和临床应用提出了一些思考（详见第436~441页）。

金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)是医院内获得性感染的重要病原菌，也是社区获得性感染中引起皮肤和软组织等感染的主要原因。耐甲氧西林的金葡菌 (Methicillin-resistant S. aureus, MRSA)迅速传播和蔓延至世界各个角落，成为全球感染性病原微生物。携带mec基因簇的葡萄球菌盒式染色体(Staphylococcal chromosome cassette mec, SCCmec)遗传元件的获得是耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(Methicillin-resistant Staphylococcus aureus, MRSA)耐药的主要原因。饶贤才等介绍了SCCmec元件的结构和功能，以及基于SCCmec的MRSA 分型研究（详见第442~451页）

万古霉素耐药肠球菌已逐渐发展成为重要的医院感染病原菌。它们携带的万古霉素耐药基因簇编码产物可催化合成与万古霉素、替考拉宁等糖肽类抗生素亲和力极低的细胞壁前体导致耐药。徐晓刚等综述了肠球菌中万古霉素耐药基因簇的类型、基因构成及传播特性（详见第452~457页）。

艰难梭菌(Clostridium difficile)是医疗保健相关性腹泻最主要的病原菌。2002年起欧美地区艰难梭菌感染发病率和病死率均明显增高，耐药艰难梭菌的出现和传播更给临床治疗和预防带来了挑战。绝大多数临床分离菌对甲硝唑及万古霉素仍呈高度敏感，但已有异质性耐药或最低抑菌浓度上升的报道；对红霉素和莫西沙星等其他抗菌药物的耐药率在不同国家和地区则有较大差异。艰难梭菌对甲硝唑或万古霉素敏感性下降产生的耐药机制尚不明确，而对红霉素、氟喹诺酮类、四环素和利福霉素形成的耐药机制主要是因为作用靶点发生了改变。黄海辉等总结了近年来国际上艰难梭菌耐药性及耐药机制方面的研究进展（详见第458~464页）。

我国仍然是乙型肝炎高负担国家。乙型肝炎病毒(Hepatitis B virus, HBV)病毒准种特征与其致病特性紧密相连， HBV 病毒Core 基因区富含免疫表位，该区域的准种特征直接反映病毒变异与病毒应对宿主免疫压力间的动态过程。儿童与成人慢性乙型肝炎患者的临床特征差异明显。龙泉鑫等通过扩增170 名儿童慢性乙型肝炎患者及121 名成人慢性乙型肝炎患者病毒Core 基因区，按照病毒基因型以及病毒e 抗原(Hepatitis B virus e antigen, HBeAg)状态进行分组，使用序列复杂度、多样性、非同义突变率(Non-synonymous substitution ratio，dN)、同义突变率(Synonymous substitution ratios , dS)等指标衡量不同组别之间的病毒准种特征，从分子进化角度揭示了儿童与成人慢性乙型肝炎病例体内病毒Core基因区序列准种差异，为两类病人显著不同的临床表征提供了群体遗传学的解释（详见第465~472页）。

伤寒由伤寒沙门氏菌()引发，至今在发展中国家仍是备受关注的重要公共卫生问题。彭哲慧等通过敲除伤寒菌脂多糖合成途径中O-抗原连接酶基因，转入含脑膜炎奈瑟球菌()蛋白糖基化途径中糖基转移酶的表达载体，以及改构的重组铜绿假单胞菌()外毒素A(rEPAN29)的表达载体，使细胞内能够诱导合成以伤寒O 特异性多糖(O-specific polysaccharides, OPS)为目标抗原、以rEPAN29 为载体蛋白的伤寒OPS-rEPAN29 糖蛋白复合物，并对纯化所得复合物进行了免疫原性评价。为生物法制备多糖-蛋白结合疫苗提供了新思路（详见第473~479页）。

研究初始传播病毒Vpr基因遗传变异与生物学特征对于阐明病毒建立感染的关键环节具有重要意义。岑山等利用流式细胞术分析了C 亚型HIV-1 初始传播病毒株与慢性感染株MJ4的Vpr蛋白诱导细胞G2期阻滞和细胞凋亡的能力。研究发现：初始传播病毒可能在病毒感染早期，通过Vpr基因的遗传突变，提升病毒诱导细胞停滞G2期和细胞凋亡的能力，进而促进病毒在宿主体内的复制和传播（详见第480~486页）。

密度感应系统调节细菌应答反应的发生，这些应答反应与细胞密度有关。与大肠杆菌()序列比较，志贺氏菌(spp.)属密度感应系统操纵子普遍存在丢失或突变。徐萍等利用哈氏弧菌()BB170 作为指示菌，证明弗氏志贺菌(可以分泌有活性的AI-2，作为密度感应系统信号分子。构建回补菌株和双向电泳发现，密度感应系统基因可以在志贺菌中表达，并鉴定到了其他一些与应激反应相关的差异表达蛋白, 如Hsp60、GroEL、SodB（详见第487~493页）。

炭疽芽胞杆菌()、蜡样芽胞杆菌()和苏云金芽胞杆菌()均属于蜡样芽胞杆菌群，在遗传学上有很高的相似性。PlcR(Phospholipase C regulator)在蜡样芽胞杆菌中是十分重要的调控因子，但plcR基因在炭疽芽胞杆菌中发生一个无义突变导致在炭疽芽胞杆菌中产生一个截短PlcR蛋白。为了研究plcR基因对炭疽芽胞杆菌功能的影响，贾晓琳等以蜡样芽胞杆菌CMCC6330 基因组为模板，构建重组表达质粒pBE2A-plcR 后导入炭疽芽胞杆菌疫苗株A16R 中获得重组菌株，对其进行表型分析发现：将蜡样芽胞杆菌的plcR基因导入炭疽芽胞杆菌后，可以直接激活神经鞘磷脂酶活性（详见第494~498页）。