综述：利用新一代测序技术和蛋白质组学发现的大肠杆菌致病性与毒力因子

《Frontiers in Bacteriology》：Pathogenicity and virulence factors of Escherichia coli discovered using next generation sequencing technologies and proteomics

本综述系统阐述了新一代测序（NGS）和蛋白质组学技术如何推动大肠杆菌（E. coli）致病机制及毒力因子研究，重点揭示了其多样化的病原型（如DEC、ExPEC）、关键毒力因子（如黏附素、毒素、铁获取系统）及其在肠道和肠外疾病中的作用，为开发新型防治策略提供了重要见解。

1 引言

大肠杆菌（Escherichia coli）是一种胃肠道细菌，传统上被认为是人类消化系统中的共生菌，其在水源中的存在常被用作粪便污染的指标。然而，作为机会致病菌，它也能引起多种疾病。目前已发现数百种大肠杆菌菌株，其中九种病原型可导致人类腹泻和肠外疾病。七个肠道致病类型包括：肠致病性大肠杆菌（EPEC）、肠出血性大肠杆菌（EHEC）、肠产毒性大肠杆菌（ETEC）、肠侵袭性大肠杆菌（EIEC）、肠集聚性大肠杆菌（EAEC）、弥散粘附性大肠杆菌（DAEC）以及新发现的粘附侵袭性大肠杆菌（AIEC）。这些病原型通过表达毒力因子基因引发疾病，其致病机制和毒力特征由特定基因簇决定。

2 大肠杆菌的致病性与毒力因子

致病性大肠杆菌主要分为两类：肠道致病性大肠杆菌（DEC）和肠外致病性大肠杆菌（ExPEC）。ExPEC可引起败血症、新生儿脑膜炎和尿路感染（UTI），其分泌的毒素包括溶血素A（HlyA）、细胞毒性坏死因子1（CNF1）及细胞膨胀毒素（CDT）。HlyA通过形成膜孔溶解红细胞和免疫细胞，并可诱导肾上皮细胞Ca²⁺振荡，增加IL-6和IL-8的产生。DEC的六种主要病原型是儿童和旅行者腹泻的主要病原体，例如EAEC产生热稳定肠毒素EAST1（由astA基因编码），可能与分泌性腹泻有关。

3 比较基因组学与大肠杆菌致病性的分子基础

比较基因组学方法旨在系统分析不同病原型、系统群和毒力因子类别中的主要毒力因子。基因组测序技术产生了大量数据集，揭示了大肠杆菌的基因组结构和基因多样性，促进了对致病机制的理解和病原变体的分类。研究发现，存在携带混合毒力基因的杂交菌株（如同时含有STEC和ETEC毒力基因的菌株），这凸显了传统病原型定义的局限性，并表明需借助NGS和蛋白质组学深入探索大肠杆菌病原型与致病性的关联。

4 利用NGS技术发现的大肠杆菌致病性与毒力因子

NGS技术能够测定细菌全基因组序列，提供耐药性、毒力和分型信息，对疫情调查尤其重要。不同病原型拥有独特的致病机制和毒力因子集合，涉及黏附、侵袭、铁获取、运动和毒素活性等功能。毒力因子可分为四大类：定植、适应度、毒素和效应因子。毒力基因通过抑制宿主免疫系统和掠夺宿主营养增强致病性。系统发育分析显示，致病毒株主要属于B2和D群，而共生菌株多属于A和B1群。全基因组测序（WGS）已成为疫情调查的金标准，例如在血流感染研究中，不同序列型（ST）和血清型的大肠杆菌携带不同的毒力基因谱。

4.1 推动大肠杆菌致病性研究的NGS重要研究

在NGS技术之前，研究者依赖实时PCR、微阵列和培养方法探索大肠杆菌毒力因子。DNA-DNA杂交（DDH）曾用于菌株分类。近年来，NGS研究揭示了毒力岛（PAIs）的水平基因转移，例如ExPEC中的PAIs可通过接合传播，促进宿主定植和侵袭。

4.2 利用RNA-seq转录组学发现的大肠杆菌致病相关基因

RNA测序（RNA-Seq）可捕获生物体在特定条件下的全局转录反应，分析未知基因组区域，优于微阵列和qRT-PCR。该方法已用于分析人类疾病相关细菌的转录组，例如研究铜绿假单胞菌的群体感应调节子和ETEC的全局调控因子，但针对EPEC的转录组研究仍有缺乏。

4.3 利用蛋白质组学方法发现的大肠杆菌致病蛋白

蛋白质组学全面研究生物体产生的蛋白质组。质谱（MS）技术取代传统凝胶和抗体方法，生成大量蛋白质数据。典型流程包括蛋白质提取、胰酶消化、肽段色谱分离和MS分析。研究发现，致病性大肠杆菌的黏附素（如UPEC和EHEC的intimin）等表面蛋白可触发信号转导或细胞骨架重排。蛋白质-蛋白质相互作用（PPIs）研究揭示了病原体如何逃避宿主免疫防御，例如通过抵消宿主氧化应激增强定植能力。

5 总结与结论

肠道大肠杆菌病原型具有多样的致病机制和毒力因子，对公共卫生和食品安全构成重大威胁。新病原型的出现（如STEC）强调了健全监测系统的必要性。这些病原型影响宿主细胞的蛋白质合成、基因转录、分子分泌、细胞骨架重排、凋亡和信号转导等功能。利用NGS和蛋白质组学准确获取毒力谱信息至关重要。尽管已识别众多毒力因子，仍需进一步研究以开发新的控制方法、治疗手段和免疫策略。