大肠杆菌外膜蛋白家族的镶嵌进化模式及其在抗菌治疗中的潜在应用

这篇研究通过全基因组筛选首次系统揭示了大肠杆菌（Escherichia coli）中21个外膜蛋白（OMP）家族呈现镶嵌进化（mosaic evolution）特征，包括局部重组（HVRs）、正选择与负选择的共存。研究阐明了HVRs的有限序列类型、强免疫原性及与B细胞表位的关联，为开发靶向抗菌抗体和疫苗提供了新策略。

　　

ABSTRACT

革兰阴性菌的外膜蛋白（OMP）在细菌感染和抗生素耐药性（AMR）中起关键作用。本研究通过改进的分析方法，首次在全基因组水平筛选了大肠杆菌中呈现镶嵌进化特征的OMP家族，发现21个家族（包括16个新家族）具有典型模式：整体结构保守，但存在高度可变区（HVRs）。HVRs多位于胞外环区域，序列类型有限且与强免疫原性B细胞表位重合，为抗菌治疗提供了新靶点。

INTRODUCTION

细菌感染和AMR威胁全球健康，亟需开发新型抗菌策略。OMPs作为细菌表面关键分子，是噬菌体、免疫因子和抗生素的作用靶点。此前研究发现，部分OMP基因（如fhuA、lamB）通过局部重组（HVRs）和正选择实现快速进化，形成镶嵌进化模式——保守区域维持功能，HVRs介导环境适应性。本研究旨在系统性探索大肠杆菌OMP的镶嵌进化分布规律。

RESULTS

镶嵌进化OMP的筛选

从大肠杆菌MG1655的4,298个蛋白中预测183个OMP，通过重组检测和系统发育分析，最终鉴定21个家族（如FadL、YfaL、FlgE）呈现典型镶嵌进化特征。以FadL为例，其蛋白序列在谱系间距离反常缩小（如B2谱系内变异大于谱系间），且系统树与核心基因组树显著不符，证实局部重组事件。

结构与功能保守性

21个OMP中14个为孔蛋白或转运通道，其余为鞭毛、菌毛或黏附素（如Ag43）。除Ag43外，其他基因在菌株间拷贝数和基因组位置高度保守。三级结构建模显示，不同HVR类型的FadL整体结构相似，表明HVR变异不影响基本功能。

HVRs的定位与特性

拓扑预测显示，HVRs多位于胞外环（如FadL的5个HVR均暴露于表面），与噬菌体结合位点重叠。例外如OmpG的HVR位于膜内，而Ag43的HVR虽未被DeepTMHMM预测为胞外区，但文献支持其通过自转运机制外排。

HVR序列类型的有限性

在3,104株大肠杆菌中，HVRs的序列类型高度保守。例如，LamB的HVR1仅新增3种类型（覆盖0.3%菌株），而FadL的HVR1-5中>90%菌株与已知亚型一致。自然突变缓慢，如FadL HVR1_0的19、22、23位点检测到正选择，提示微进化驱动新类型产生。

HVRs的免疫原性

抗原预测工具（ANTIGENpro、ABCpred）显示，LamB和OmpA的HVRs具有强免疫原性（概率>0.88）。实验验证表明，HVRs移除后抗原性显著降低。B细胞表位预测（DiscoTope-2.0、JBFB）进一步证实，HVRs与最强免疫原性表位重合，如LamB HVR1的407-419位点。

DISCUSSION

研究将已知镶嵌进化OMP家族从5个扩展至21个，揭示其通过HVR重组平衡功能维持与环境适应。HVRs的有限类型和强免疫原性为多价抗体设计提供可能，例如靶向不同HVR类型的抗体组合可覆盖大部分菌株。此外，半数OMP（如OmpC、FhuA）与AMR相关，暗示HVR变异可能直接参与耐药。

局限性包括OMP预测工具（如DeepTMHMM）对黏附素拓扑预测的偏差，以及糖链可能遮蔽表位。未来需实验验证HVR抗体的实际杀菌效果和交叉反应性。

MATERIALS AND METHODS

研究采用PRED-TMBB和TMBETADISC-RBF预测OMP，通过RDP4检测重组，开发Python工具HVRanalysis量化局部变异（窗口宽度10，步长1）。免疫原性分析整合了ANTIGENpro、DiscoTope-2.0和自研模型JBFB。

总结

该研究通过多组学方法揭示了大肠杆菌OMP镶嵌进化的普遍性，阐明了HVRs的结构-功能-免疫三位一体特性，为抗感染治疗提供了精准靶点。