产志贺毒素和尿路致病性大肠杆菌杂交株的碳源利用特征揭示其尿路致病起源

研究人员针对产志贺毒素大肠杆菌(STEC)和尿路致病性大肠杆菌(UPEC)杂交株的代谢适应机制展开研究，通过比较95种碳源在需氧和厌氧条件下的利用模式，发现杂交株保留了UPEC特有的有机酸、氨基酸和肽类利用能力，并表现出D-丝氨酸降解等UPEC毒力特征。该研究揭示了STEC/UPEC O2:H6杂交株可能起源于UPEC谱系，通过获得志贺毒素基因扩展致病潜能，为理解细菌杂交株的进化路径提供了重要证据。

　　

在微生物致病机制研究领域，大肠杆菌(Escherichia coli)因其多样的致病类型一直备受关注。近年来出现的杂交菌株打破了传统病原分型的界限，2011年造成大规模疫情的O104:H4菌株就是典型例证。这类"跨界"病原体往往表现出更强的致病性，但它们的起源和适应机制仍是未解之谜。德国明斯特大学医院的研究团队聚焦一组特殊的STEC/UPEC O2:H6杂交株，这些从腹泻患者分离的菌株同时携带stx_2b毒素基因和UPEC特征性毒力基因（如α-hylA、cnf1等），在系统发育上位于STEC和UPEC之间。

为揭示这些杂交株的进化起源和环境适应策略，研究人员采用BIOLOG Phenotype MicroArray?技术，比较了两种STEC/UPEC杂交株（04-00955和05-00787）与非致病性E. coli MG1655、典型UPEC 536以及STEC Sakai和B2F1在95种碳源上的代谢特征。实验设计模拟了肠道（厌氧）和泌尿系统（需氧/微需氧）环境，通过测定生长曲线参数（滞后期λ、环境容量A、曲线下面积AUC）量化代谢活性。

主要技术方法包括：1）使用BIOLOG PM1微孔板测试95种碳源；2）需氧和厌氧（96% N₂/4% H₂）培养条件下的生长动力学监测；3）基于opm R包的生长曲线分析；4）层次聚类分析代谢模式相似性。

研究结果首先揭示了显著的氧依赖性差异：
• 比较需氧与厌氧生长时，所有菌株的环境容量平均下降2倍（0.889→0.442 OD₅₉₅），滞后期延长2.5倍（1.93→4.76小时）。这种差异不能归因于碳源利用数量变化，而是反映了厌氧条件下混合酸发酵(MAF)的能量产出效率降低。

在碳源利用特征方面发现：
• 12种物质（如柠檬酸、Tween系列、D-天冬氨酸等）在所有条件下均不支持生长，其中柠檬酸(F02)的利用受限尤其值得关注——尽管尿液中含量丰富且所有菌株携带citCDEFXGT基因簇，但缺乏协同底物阻碍了其直接利用。
• 厌氧条件下，STEC Sakai和MG1655几乎仅能利用糖类，而UPEC 536和杂交株保留了16种有机酸/氨基酸/肽类的利用能力，包括丙酮酸(H08)、D-苏氨酸(F04)等，这种代谢灵活性可能是UPEC在膀胱定植的优势。

菌株特异性代谢模式显示：
• 层次聚类表明需氧条件下杂交株与UPEC 536和STEC B2F1高度相似，其中04-00955更接近UPEC，而05-00787与B2F1相似，印证了表型异质性。
• D-丝氨酸(B01)的需氧利用具有重要病理意义：杂交株和UPEC 536携带完整dsdCXA基因簇（编码D-丝氨酸脱氨酶系统），而STEC B2F1完全缺失该簇，STEC Sakai则因蔗糖利用基因插入导致功能丧失。这一发现与杂交株缺乏LEE毒力岛的现象相符，支持其UPEC起源假说。

讨论部分强调了三个关键发现：1）杂交株表现出UPEC特有的广谱碳源利用能力，尤其在厌氧条件下维持有机酸代谢的能力；2）D-丝氨酸降解作为UPEC标志性毒力特征在杂交株中的保留；3）基因组分析显示杂交株可能通过获得stx基因而非LEE岛实现肠道定植。这些证据共同指向STEC/UPEC O2:H6更可能源于UPEC谱系，通过水平基因转移获得志贺毒素基因扩展致病范围。

该研究发表于《International Journal of Medical Microbiology》，首次系统揭示了STEC/UPEC杂交株的代谢适应性特征，为理解细菌杂交株的进化轨迹提供了新视角。发现的环境特异性代谢策略不仅解释了这类病原体在肠道和泌尿系统的双重定植能力，其鉴定的生物标志物（如D-丝氨酸利用）还可为临床菌株分型提供参考。未来研究可进一步解析这些代谢特征与毒力基因组的协同进化关系。