大肠埃希菌强毒力岛核心基因fyuA研究进展

王　庄，张泽辉，刘耀川，张德显，刘明春*

(1.沈阳农业大学畜牧兽医学院，辽宁沈阳 110866；2.辽宁省重大动物疫病应急中心，辽宁沈阳 110161)



大肠埃希菌强毒力岛核心基因fyuA研究进展

王庄1，张泽辉1，刘耀川2，张德显1，刘明春1*

(1.沈阳农业大学畜牧兽医学院，辽宁沈阳 110866；2.辽宁省重大动物疫病应急中心，辽宁沈阳 110161)

强毒力岛(HPI)基因最先在耶尔森菌体内检出，是一种负责编码合成、调节和运输铁转运系统相关受体蛋白的基因，可显著提高细菌的毒力。HPI通过水平转移进入大肠埃希菌中，提高大肠埃希菌致病性及生存增殖能力，对食品安全、人类健康造成危害。fyuA基因位于HPI的核心功能区irp2-fyuA基因簇，常作为HPI毒力岛基因检测的标志性基因之一。关于fyuA基因及其表达产物的研究将为大肠埃希菌感染性疾病的治疗与预防提供新思路。

强毒力岛；大肠埃希菌；fyuA

强毒力岛(high pathogenicity island,HPI)最早在耶尔森菌中检出，该毒力岛携带和表达是耶尔森菌表现高毒性表型的必要条件，并与耶尔森菌小鼠致死表型相关。HPI基因长度为35 kb～45 kb，含有编码铁载体耶尔森菌素介导的铁摄取系统以及编码耶尔森菌素受体的基因，其核心功能区为irp2-fyuA基因簇。1997年，Schubert S等[1]首次报道在大肠埃希菌中检测到含有irp2-fyuA基因簇的HPI。之后，在多种致病性大肠埃希菌中均检测出irp2和fyuA基因片段，插入点大多位于asn-tRNA[2]。其中，在B2型和D型大肠埃希菌中HPI检出率最高[3-4]。fyuA基因作为HPI的核心基因之一，其编码产物对于细菌在低铁环境下的生存具有重要意义。

1　HPI对大肠埃希菌的影响

通过比较HPI阳性与阴性致病性大肠埃希菌对小鼠的致死率之间的差异，发现HPI可显著增强致病性大肠埃希菌毒性[5]。HPI基因编码的铁摄取系统中含有3价铁螯合物，该螯合物对于铁元素具有高度亲和性，可以解离与宿主铁结合蛋白结合的铁，从而显著增强细菌的铁摄取功能。同时，编码产物可以抑制宿主的免疫功能，增强细菌在宿主体内的生存能力。

大肠埃希菌中检测出的irp2和fyuA基因片段插入点大多位于asn-tRNA[1-2]。基因序列分析发现，大肠埃希菌与耶尔森菌中的irp2-fyuA基因簇的同源性在98.6%以上。fyuA基因位于HPI核心区irp2-fyuA基因簇的末端，长度为2 022 bp，负责编码合成鼠疫巴氏杆菌素和耶尔森菌素受体蛋白FyuA(ferric yersinia uptake)及细菌膜外3价铁螯合物受体蛋白。随着基因缺失株的成功构建以及基因学研究的深入，fyuA基因编码产物的作用及fyuA基因与其他基因的关联也逐渐清晰。

2　大肠埃希菌中的fyuA基因

随着HPI在各种致病性大肠埃希菌的水平转移，已在猪、禽、牛等多种动物源大肠埃希菌中检出fyuA基因[6-8]。医学临床的流行病学研究发现，女性尿路感染患者体内分离的大肠埃希菌菌株中fyuA检出率高达44.4%[9]。毒力岛基因不稳定的特性导致HPI在耶尔森菌与大肠埃希菌之间水平转移过程中存在基因重组或基因突变的现象。fyuA基因位于HPI核心功能区边缘，在细菌间水平转移的过程中更易发生突变。因此，大肠埃希菌HPI阳性菌中存在fyuA基因缺失的现象[10]。通过基因探针及蛋白质检测发现，在部分携带fyuA基因的致病性大肠埃希菌中fyuA基因无法编码合成FyuA蛋白，原因有待进一步研究。根据Jin H等[11]研究，携带fyuA基因无法保证HPI核心功能区的完整性，而完整的HPI毒力岛核心功能区也并不保证功能性耶尔森菌素的合成。

2.1fyuA基因与大肠埃希菌菌株耐药性的关系

毒力因子和耐药基因是影响致病菌在其宿主体内生存和表现致病性的主要因素。若是某种毒力因子与耐药基因通过同一遗传平台遗传或转移，在药物的遗传选择压力下，易产生高致病性耐药菌株，加重致病菌对人畜健康造成的危害。目前，关于发现fyuA基因的携带与某些耐药性状的表现在数据上呈现正负相关性[12-14]，两者之间基因相关性仍需深入研究。

2.1.1fyuA基因与超广谱β-内酰胺酶耐药基因的关系头孢类药物在临床治疗中广泛使用，产超广谱β-内酰胺酶(extended spectrum β-lactamase,ESBLs)菌株的出现，对β-内酰胺类抗生素的临床有效性提出了挑战。根据多人的研究报道，辽宁、新疆及我国东部地区等多地发现大肠埃希菌对β-内酰胺类抗生素已表现出广泛的耐药性[15-17]。近年来，对于HPI fyuA基因与超广谱β-内酰胺类耐药基因相关性的研究得到了广泛的关注[18]。刘红玉等[19]研究发现，fyuA基因在禽源大肠埃希菌非产ESBLs菌株中检出率达到了14.29%，远大于其在产ESBLs菌株中的检出率。陈伟等[20]关于HPI毒力基因(irp2和fyuA)与β-内酰胺类耐药基因(TEM和SHV)相关性的研究，巢湖流域的动物源性大肠埃希菌中fyuA+TEM以及fyuA+SHV的检出率均为16.2%，并通过irp2基因缺失株证明irp2基因与TEM及SHV基因之间无关联。

2.1.2fyuA基因与生物膜通过对比正常株与单基因敲除株在致病性、黏附能力等方面的差异，可以准确判断目的基因在菌体内的作用。邓聪等[21]成功构建了大肠埃希菌fyuA基因缺失株 ，研究发现，尿路致病性大肠埃希菌fyuA基因缺失株与原菌株在无菌尿液中的生长繁殖能力及生物膜形成方面存在差异。fyuA基因缺失株与原菌株在液体LB培养基中的增殖速率大致相同，但在无菌尿液中培养时基因缺失株的增殖速率明显低于原菌株，表明fyuA基因对于大肠埃希菌在无菌尿液中的增殖具有重要意义。不同于LB培养基中的富铁环境，在无菌尿液中，铁元素含量极低，fyuA基因编码产物可以增强大肠埃希菌的摄铁能力，因此原菌株在无菌尿液中增殖速率要明显高于fyuA基因缺失株。研究同时表明fyuA基因可以增强致病性大肠埃希菌的生物膜形成能力。细菌生物膜的形成有助于细菌在宿主体内的生存，通过生物膜，独立菌株之间产生协同作用，增加免疫逃避的几率。比较fyuA基因缺失株与原菌株的生物膜形成能力，发现fyuA基因的缺失会显著降低大肠埃希菌生物膜的形成能力[22]，具体机理需进一步的研究阐明。

2.1.3fyuA基因与细菌黏附据报道，fyuA基因可以提高APEC黏附DF-1细胞的能力。经过比较，irp2与fyuA双基因敲除株的DF-1细胞黏附能力下降为irp2单基因敲除株的81.1%(4.84/5.97)；同时，irp2与fyuA双基因敲除株中pfs和tsh在内的多个基因的转录水平比在irp2单基因敲除株更加显著地下降，而在单基因敲除株中转录水平显著上升的ibeA和stx2f基因在双敲除菌株中则表现出与原菌株相近的转录水平[23]。

2.2fyuA基因表达产物的免疫学研究

摄铁系统对于尿路致病性大肠埃希菌(UPEC)在低铁的无菌尿液中的增殖具有重要意义。目前，以摄铁系统调节蛋白FyuA为目标抗原的免疫研究取得了一定进展。通过将生化交联后的FyuA与霍乱菌素佐剂作为抗原接种入小鼠体内，Brumbaugh A R等[24]已成功证明FyuA可以刺激小鼠产生以FyuA为目标抗原的免疫球蛋白IgG，显著保护小鼠不受试验条件下的尿路感染(P<0.05)。同时，通过检测特异性免疫血清抗体的水平，印证了对于FyuA蛋白的免疫可以刺激机体产生长期体液免疫。在初次免疫接种且无后续免疫情况下，血清抗体含量可在至少70 d内维持在接近最高水平，因此认为可以产生FyuA特异的长期存活的血清细胞。已证明以IutA、Hma、IreA等3个与UPEC摄铁系统相关的受体蛋白为抗原可以刺激小鼠产生相应抗体，基于UPEC摄铁系统蛋白的疫苗的研究取得长足进展。不过目前各种与摄铁蛋白相关的基因在菌株中的检出率虽高，但单一抗原并不足以保证制备的疫苗可以引起对所有UPEC菌株的免疫反应。

3　展望

有关大肠埃希菌HPI核心基因fyuA的研究已取得了长足的进展，通过基因缺失株的构建初步揭示了该基因对大肠埃希菌致病性的影响及其与耐药性的关系。若fyuA基因表达产物的免疫学研究取得重大突破，必将对大肠埃希菌感染性疾病的防治具有十分重要的意义。

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Progress on HPI Core Gene fyuA in E.coli

WANG Zhuang1,ZHANG Ze-hui1,LIU Yao-chuan2,ZHANG De-xian1,LIU Ming-chun1

(1.College of Animal Science and Veterinary Medicine,Shenyang Agricultural University,Shenyang,Liaoning,110866,China;2.LiaoningEmergencyCenterforSignificantAnimalEpidemicDisease,Shenyang,Liaoning,110161,China)

High pathogenecity island encodes the proteins that synthesize,modulate and transport the iron uptake system and can greatly increase the virulence of bacteria.HPI gets intoE.colithrough horizontal transportation and increase the pathogenicity and reproduction ability ofE.coli,which will threaten food security and welfare of human beings even more.fyuA is a gene located in the irp2-fyuA gene cluster-the functional core gene of HPI,encoding the yersiniabactin and pesticine receptor.fyuA is often targeted as the symbolic gene of HPI.Investigation on the fyuA provides foundation for the treatment and prevention of diseases caused by pathogeneticE.coli.

high pathogenecity island;Escherichiacoli;fyuA

2016-03-24

辽宁省科学技术厅科技特派员、农民技术员培训项目(2013030055-201)

王庄(1993-)，男，山东莱阳人，本科，主要从事细菌毒力因子及耐药性研究。*通讯作者

S852.612

A

1007-5038(2016)08-0079-03