机会性人类肺部病原体Burkholderia dolosa通过新生突变介导表型切换的适应性进化机制

研究人员针对囊性纤维化(CF)患者肺部机会性病原体Burkholderia dolosa的长期感染难题，通过全基因组测序和表型分析揭示了该病原体通过获得性突变交替改变O抗原表达的进化策略。研究发现早期感染阶段选择O抗原缺失突变以增强免疫细胞内化能力，而慢性感染后期则恢复O抗原表达以适应肺部环境，这种突变驱动的表型切换机制为理解细菌适应性进化提供了新视角。

　　

在囊性纤维化(CF)患者的肺部，机会性病原体Burkholderia dolosa能够建立长达数十年的慢性感染，这种顽强的生存能力一直是微生物学家和临床医生关注的焦点。传统观点认为细菌主要通过基因调控或水平基因转移来应对宿主环境变化，但最新研究表明，这种病原体可能采用了一种更为直接的进化策略——通过获得性点突变反复切换关键表型。这种突变驱动的表型转换在自然感染环境中是否普遍存在？其背后的选择压力又是什么？这些问题对于理解慢性感染的进化动态至关重要。

来自麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)和波士顿儿童医院(Boston Children's Hospital)的研究团队在《Nature Communications》发表的研究给出了答案。通过对931株临床分离株的全基因组测序分析，结合小鼠感染模型和细胞实验，首次在自然感染环境中证实了细菌通过连续点突变实现表型切换的进化策略。

研究采用了多项关键技术：1)对波士顿地区新发感染集群中3名CF患者的112株历史分离株和931株新分离株进行全基因组测序；2)构建系统发育树分析O抗原相关基因的突变模式；3)通过LPS电泳和染色进行表型验证；4)建立近等基因菌株对的小鼠肺部/脾脏感染模型；5)采用THP-1巨噬细胞模型进行吞噬实验。

长期感染中O抗原表达的选择

系统发育分析显示，早期爆发的B. dolosa感染始于携带wbaD基因无义突变的O抗原缺失菌株。令人惊讶的是，在7-9年慢性感染后，该位点出现了至少10次独立回复突变，恢复了O抗原表达。这种"突变-回复"模式表明O抗原表达在长期感染中具有选择优势。

新感染集群由O抗原阳性基因型建立

对新发感染患者(Q和R)及其传染源(J)的基因组分析显示，与历史爆发不同，新感染由O抗原完整表达的菌株建立。流行病学关联和系统发育证据表明患者J是感染源，但传播过程涉及多个克隆的复杂转移。

早期感染中O抗原破坏的趋同选择

在感染初期(20-38个月)，Q和R患者体内独立出现了18种破坏O抗原合成的突变，涉及7个不同基因。表型分析证实93%的突变株确实表现出O抗原表达降低。这种趋同选择与长期感染中的趋势形成鲜明对比。

O抗原链长多样性在慢性感染中共存

尸检样本分析揭示了四种稳定的O抗原表型：缺失型、长链型(仅wbaD回复)、中链型(附加BDAG_02328突变)和短链型(三个糖基转移酶突变)。值得注意的是，这些表型在单个患者体内可共存长达16年。

小鼠肺脾定植的权衡

近等基因株竞争实验显示，O抗原缺失株在脾脏中的比例比肺部高1.7-2.4倍。巨噬细胞感染实验证实缺失株内化能力提高1.7-8.2倍，这种优势源于增强的侵入能力而非胞内生存。

这项研究揭示了B. dolosa通过突变-回复机制动态调整O抗原表达的进化策略，完美诠释了"适者生存"的进化原则。早期感染阶段，增强免疫细胞内化能力的选择压力驱动O抗原缺失突变；随着感染慢性化，肺部微环境的选择优势又促使O抗原恢复表达。这种精确的进化计时机制不仅解释了临床观察到的表型变异现象，也为理解其他慢性感染病原体的进化提供了新框架。更重要的是，研究证实即使在缺乏高突变率序列的情况下，细菌仍可通过常规突变实现表型切换，这一发现挑战了现有进化理论对突变回复效率的认知，为微生物适应性进化研究开辟了新方向。