白喉毒素基因的跨物种传播与溃疡棒状杆菌基因组流行病学研究揭示人兽共患病进化机制

法国巴斯德研究所团队针对人兽共患病原体溃疡棒状杆菌(C. ulcerans)的传播瓶颈，通过582株菌株的基因组分析，开发cgMLST分型方案，揭示SL325/SL331亚谱系主导毒素阳性菌株传播，发现4种白喉毒素家族(tox)和5种原噬菌体家族(PF1-5)的跨物种转移，为追踪人兽共患病传播链提供分子框架。

　　

白喉作为一种古老的传染病，其病原体家族正在发生令人警惕的演变。传统认为由白喉棒状杆菌(C. diphtheriae)引起的疾病，近年来却被其"近亲"溃疡棒状杆菌(C. ulcerans)逐渐取代——在法国监测数据中，后者导致的病例数已超越前者，且56%的分离株携带致命的白喉毒素基因(tox)。这种人兽共患病原体通过宠物猫狗向人类传播的案例频发，但科学家们对其进化规律和传播网络的认识却如同"雾里看花"：缺乏高分辨率分型工具、毒素基因的起源扑朔迷离、野生动物宿主的作用更是一片空白。

法国巴斯德研究所Sylvain Brisse团队在《Nature Communications》发表的研究，通过构建迄今最大规模的C. ulcerans基因组数据库（582株分离株），开发了包含1628个位点的核心基因组多位点序列分型(cgMLST)方案。这项研究不仅绘制了该病原体的精细进化图谱，更揭示了白喉毒素在棒状杆菌物种间的"基因漂流"现象。

研究采用多组学技术联合作战：基于Illumina短读长和Nanopore长读长测序完成菌株基因组组装；通过Panaroo软件构建核心基因组；采用chewBBACA算法开发cgMLST分型方案；结合PHASTER预测原噬菌体；利用MAFFT和FastTree2进行毒素基因与噬菌体系统发育分析。样本来源涵盖法国国家参考中心(NRC)30年监测队列及国际公开数据库。

【种群结构揭示克隆扩张】
通过1628位点cgMLST分析，研究者首次将C. ulcerans划分为17个亚谱系(SL)和42个克隆群(CG)。其中SL325(36.3%)和SL331(35.2%)构成两大"霸主"，90%成员携带功能性tox基因。与C. diphtheriae的"灌木丛式"进化不同，C. ulcerans呈现明显的"大树型"结构，提示其经历过近期克隆扩张。值得注意的是，主导动物传播的CG339克隆群全部为tox阴性，而人源主导的CG331则普遍携带tox，暗示毒素基因可能是人际传播的"通行证"。

【地理传播与宿主偏好】
时空分析显示SL325呈现"欧洲中心"扩散模式（95.7%欧洲分离株），而SL339则跨三大洲传播。在法国北部发现的FR_cryptic_02克隆群（ST331型）展现出地域聚集性，通过宠物狗向周边辐射的传播链。令人意外的是，尽管CG583克隆群68.7%成员携带tox基因，但这些基因在原噬菌体上呈现"闪进闪出"特征——系统发育树上tox+与tox-菌株交替出现，揭示该基因在种群中的动态平衡。

【毒素基因的"变形记"】
研究鉴定出4类白喉毒素家族：DTF（白喉型）、UTF（溃疡型）、STF（森林型）和PTF（假结核型）。跨物种分析发现33.3%的UTF毒素可存在于其他棒状杆菌，而DTF仅5.7%外流，表明C. ulcerans可能是自然界中的"毒素基因库"。在CG325克隆群中，长读长测序意外揭露"双tox基因"现象——35.7kb原噬菌体和3.2kb类整合子元件(ILE)各携带一个tox_49等位基因，这种天然存在的基因剂量放大机制或增强致病性。

【移动元件的"特洛伊木马"】
五类原噬菌体家族(PF1-5)中，PF1表现出跨物种感染能力，其系统发育树显示C. diphtheriae到C. ulcerans的至少两次独立转移事件。而SL331亚谱系则"押注"毒力岛(PAI)——在189株菌株中仅累积740个SNP，显示其通过垂直遗传稳定传递。三类整合酶（90%相似度的1/2型和33%差异的3型）控制着这些"基因快递"的染色体定位，其中1型整合酶与原噬菌体、PAI共享插入位点，形成互斥的"基因领地"。

这项研究构建了C. ulcerans分子监测的"全球定位系统"：cgMLST方案可识别≤25个等位基因差异的传播簇，比传统MLST灵敏度提升80倍。发现的FR_cryptic_27等地理限制克隆群，提示野生动物可能是隐藏的"基因储存库"。而UTF毒素家族的广宿主适应性，对白喉类毒素疫苗的保护范围提出新课题。法国国家参考中心基于此建立的监测网络，已成功追溯多起人兽共患传播事件，为全球防控提供技术蓝本。

正如研究者指出，当前野生动物分离株的覆盖率不足20%，犹如"拼图缺失了大半"。未来需要加强跨物种基因组监测，特别是对PF4型原噬菌体这类"基因特快专递"的传播风险评估。这项研究不仅解开了人兽共患病进化的"戈尔迪之结"，更开创了用基因组流行病学预测人兽共患病暴发的新范式。