从一名被诊断为难治性精神分裂症患者的唾液中分离出的耐头孢泊肟的Pantoea septica菌株GABEPS69的完整基因组及比较基因组分析

《International Journal of Medical Informatics》：Complete genome and comparative genomic analysis of cefpodoxime resistant Pantoea septica strain GABEPS69 isolated from saliva of a patient diagnosed with treatment resistant schizophrenia

抗多重耐药菌基因组学分析：通过混合测序技术生成Pantoea septica GABEPS69完整基因组，发现其携带Aerobactin毒力岛同源基因及普遍存在的硫肽合成基因簇，对第三代头孢菌素耐药性由class-A β-内酰胺酶介导，并通过抗生素敏感性测试和比较基因组学揭示其耐药与毒力特征。

　　### 研究背景与意义

在微生物学领域，许多细菌被广泛认为是植物的正常共生菌，但近年来，一些原本与植物相关的细菌逐渐显示出对人类的潜在致病性。其中，*Pantoea septica*（以下简称*P. septica*）就是一个典型的例子。尽管该菌种最初被描述为与植物相关，但近年来的研究表明，它也能够引起人类感染，尤其是在免疫功能较弱的患者群体中。*P. septica*最早于2010年从人类粪便样本中被鉴定出来，随后在1971年美国和加拿大多家医院发生的败血症爆发事件中被广泛报道。这一发现引发了对*P. septica*在临床环境中可能扮演的角色的深入研究。

尽管*P. septica*在临床感染中有所报道，但其在人类口腔微生物群中的存在仍缺乏系统的研究。人类口腔微生物群是一个高度复杂的生态系统，包含大量不同种类的细菌，其中一些可能在某些情况下成为病原体。*Pantoea*属的细菌通常不被列为典型的口腔菌群成员，但它们已被检测到出现在与口腔菌群失衡相关的环境中。此外，*Pantoea*属的某些菌种可能影响口腔菌群结构，进而与某些疾病如阻塞性睡眠呼吸暂停（OSA）和牙周炎等有关。因此，*P. septica*在口腔中的潜在致病性及其与宿主免疫系统的相互作用值得进一步探讨。

本研究旨在填补*P. septica*在基因组学领域的空白，通过对从一名服用抗精神病药物氯氮平（clozapine）的治疗抵抗性精神分裂症患者唾液中分离得到的*P. septica*菌株GABEPS69进行全基因组测序和分析，以揭示其基因组结构、抗生素耐药性、毒力因子以及其在口腔微生物群中的潜在作用。这一研究不仅有助于理解*P. septica*的生物学特性，还可能为临床感染的预防和治疗提供新的视角。

### 基因组结构与特征

通过对GABEPS69菌株的基因组测序，研究团队获得了其完整的基因组序列，包括一个约4.1兆碱基（Mb）的染色体和六个质粒。这一全基因组的完成标志着*P. septica*基因组研究的一个重要里程碑，因为在此之前，仅有四份非元基因组组装基因组（MAGs）在NCBI的GenBank数据库中公开，且均处于草稿阶段，限制了对耐药性基因（ARGs）、毒力因子（VFs）和质粒特征的全面分析。

染色体和质粒的基因组结构为研究*P. septica*的遗传信息提供了基础。在基因组分析中，研究团队利用多种生物信息学工具，对染色体和质粒的基因功能进行了分类和注释。基因被归类到不同的簇状同源基因（COG）类别，以揭示其在不同生物学过程中的作用。此外，染色体和质粒的基因组特征，如GC含量、基因排列、重复序列和基因调控机制，也得到了详细的分析。

### 抗生素耐药性与毒力因子

在耐药性方面，GABEPS69菌株表现出对第三代头孢菌素（如头孢克肟）的耐药性，但对其他抗生素则保持敏感。这一耐药性模式可能与染色体中存在的一种类A β-内酰胺酶基因（*bla*_PSE-1）有关。类A β-内酰胺酶是一种常见的抗生素耐药性基因，能够水解多种β-内酰胺类抗生素，包括青霉素和头孢菌素。该基因在*P. septica*的染色体中被发现，可能对GABEPS69的耐药性特征起到关键作用。

除了染色体中的耐药性基因外，研究团队还对GABEPS69的质粒进行了分析，发现其中存在多个与抗生素耐药性相关的基因。这些质粒可能携带额外的耐药性基因，从而增强其在不同环境中的生存能力。值得注意的是，GABEPS69的质粒pGABEPS69_1中检测到一个与增强毒力相关的“aerobactin”毒力岛同源基因。该毒力岛是一种与铁摄取相关的基因簇，能够帮助细菌在铁资源有限的环境中生存，并可能增强其在宿主体内的致病能力。

此外，GABEPS69的基因组中还包含多种与毒力相关的基因，如*ompA*、*fliC*、*luxS*、*entB*和*entE*。这些基因在不同的感染机制中发挥作用，例如*ompA*有助于细菌附着和侵入呼吸道上皮细胞，而*fliC*则与细菌的运动性和定植能力有关。*luxS*基因参与群体感应（quorum sensing），调控毒力因子的表达，而*entB*和*entE*则与铁摄取相关，有助于细菌在宿主组织中的生存和繁殖。

### 金属耐药性与环境适应性

除了抗生素耐药性，GABEPS69还表现出对多种金属的耐受能力。研究团队在该菌株的染色体和质粒中鉴定出173个与金属耐药性相关的基因（MRGs），其中104个位于染色体上，69个位于质粒中。这些MRGs主要编码金属转运蛋白和转录调控因子，如ABC转运蛋白、LysR家族调控因子和多药/精胺转运蛋白。这些基因可能帮助细菌在不同环境中应对金属毒性，例如在含有高浓度重金属的环境中存活。

质粒pGABEPS69_4中特别检测到与砷、铜、铅和银耐药性相关的基因，表明该菌株可能具有在环境中清除重金属的能力。这种能力对于理解*P. septica*在不同生态位中的适应性具有重要意义，尤其是在与人类宿主相互作用时，可能影响其在宿主体内的存活和传播。

### 质粒分析与基因水平转移

研究团队对GABEPS69的六个质粒进行了详细的分析，发现其中两个质粒（pGABEPS69_1和pGABEPS69_2）可能是非可移动的（non-mobilisable），这意味着它们无法通过质粒介导的基因水平转移（HGT）在细菌之间传播。这种非可移动性可能限制了这些质粒在不同菌株之间的传播，但也可能使其在特定宿主或环境中保持稳定。

pGABEPS69_1中携带的“aerobactin”毒力岛同源基因在其他*P. septica*菌株中也普遍存在，但不在*P. piersonii*的参考基因组中。这一发现表明，该毒力岛可能在*P. septica*的进化过程中被获得，而并非是该菌种固有的特征。此外，该毒力岛在其他*Pantoea*属的菌种中也存在，如植物病原菌*Pantoea ananatis*，其与铁摄取和抗菌活性有关。

### 比较基因组学与进化意义

为了更全面地理解GABEPS69的基因组特征，研究团队将其与其他*P. septica*菌株以及相关菌种（如*P. latae*和*P. piersonii*）进行了比较基因组学分析。通过构建系统发育树和计算基因组间的平均核苷酸一致性（ANI）和数字DNA-DNA杂交（dDDH）值，研究团队确认了GABEPS69属于*P. septica*，并揭示了其与其他菌株之间的遗传关系。

比较分析显示，*P. septica*的基因组在不同菌株之间存在一定的多样性，但某些关键基因如“aerobactin”毒力岛和类A β-内酰胺酶基因在多个菌株中普遍存在。这表明这些基因可能在*P. septica*的致病性中起着核心作用，并可能在不同环境中通过基因水平转移传播。此外，研究团队还发现，某些基因簇在*P. septica*中具有普遍性，如硫肽生物合成基因簇（BGCs），这可能与其在微生物群中的调节作用有关。

### 毒力因子与感染机制

在毒力因子分析中，研究团队发现*P. septica* GABEPS69的基因组中包含多种与感染机制相关的基因。例如，*ompA*基因有助于细菌附着和侵入宿主组织，而*fliC*则与细菌的运动性和定植能力有关。这些毒力因子可能在*P. septica*引起人类感染的过程中起到关键作用，尤其是在免疫功能较弱的患者群体中。

此外，*luxS*基因参与群体感应，调控毒力因子的表达，这可能影响细菌在宿主体内的致病性。群体感应是一种细菌通过感知环境中的信号分子来协调群体行为的机制，包括毒力因子的表达和生物膜的形成。研究团队还发现，*entB*和*entE*基因在铁摄取中起重要作用，这可能帮助*P. septica*在宿主组织中生存并引起感染。

### 金属耐药性与环境适应性

金属耐药性基因（MRGs）的普遍存在表明*P. septica*可能具有在不同环境中生存的能力。这些基因不仅帮助细菌抵抗重金属毒性，还可能影响其在宿主体内的适应性。例如，某些MRGs可能通过调控金属转运蛋白和转录因子，帮助细菌在宿主的金属浓度变化中维持正常的代谢活动。

此外，质粒pGABEPS69_4中携带的MRGs可能在特定环境中提供额外的耐药性优势。这些基因可能帮助*P. septica*在含有高浓度重金属的环境中存活，例如在工业污染或农业环境中。这种环境适应性可能使*P. septica*在不同生态位中具有更强的生存能力，并可能影响其在人类宿主中的致病潜力。

### 生物活性化合物与微生物群调节

研究团队还发现，*P. septica*的基因组中普遍存在一种生物活性硫肽生物合成基因簇（BGCs）。硫肽是一类具有多种生物活性的小分子，包括抗菌、抗疟疾和免疫抑制作用。这种生物活性可能使*P. septica*在口腔微生物群中发挥调节作用，例如通过抑制其他共生菌的生长来改变微生物群的组成。

尽管目前尚不清楚这些硫肽对口腔微生物群的具体影响，但可以推测它们可能在维持微生物群平衡或引发菌群失调（dysbiosis）中起到一定作用。此外，硫肽的生物活性可能与其在宿主体内的致病性有关，例如通过抑制宿主免疫细胞的功能或促进细菌的生存和传播。

### 研究的局限性与未来方向

尽管本研究为*P. septica*的基因组学提供了重要的信息，但仍存在一些局限性。目前，*P. septica*的基因组数据在公共数据库中较为有限，仅有四份非元基因组组装基因组（MAGs）和参考基因组，且均处于草稿阶段。这种数据的缺乏限制了对*P. septica*的全面理解，也影响了对其耐药性和毒力因子的深入分析。

此外，研究团队仅分析了来自单一患者的*P. septica*菌株，这可能限制了其结果的普遍适用性。因此，未来的研究需要扩大样本量，以更全面地了解*P. septica*在不同宿主和环境中的基因组特征。同时，还需要进一步研究这些基因在实际感染中的作用，以及它们如何影响细菌的致病性和耐药性。

### 结论与临床意义

本研究首次完成了*P. septica* GABEPS69的全基因组测序，揭示了其基因组结构、耐药性特征和毒力因子。研究结果表明，*P. septica*可能在某些情况下成为人类感染的病原体，尤其是在免疫功能较弱的患者群体中。此外，该菌株携带的多种毒力因子和耐药性基因可能与其在宿主体内的致病性和适应性有关。

这些发现不仅有助于理解*P. septica*在口腔微生物群中的潜在作用，还可能为临床感染的预防和治疗提供新的思路。例如，针对*P. septica*的抗生素耐药性和毒力因子，可以开发新的抗菌策略或疫苗。此外，研究团队还强调了对口腔微生物群进行更广泛和深入研究的重要性，特别是在服用抗精神病药物的患者群体中，因为这些药物可能增加感染风险并影响抗生素的疗效。

综上所述，本研究为*P. septica*的基因组学提供了重要的数据，并揭示了其在人类感染中的潜在作用。未来的研究需要进一步探索这些基因在不同环境和宿主中的功能，以及它们如何影响细菌的致病性和耐药性。这将有助于更好地理解*P. septica*在人类健康和疾病中的角色，并为相关疾病的防控提供科学依据。