鼻咽定植关键寡糖b-Cool的发现及其在百日咳杆菌早期感染中的作用机制

研究人员针对呼吸道病原体Bordetella（鲍特菌）鼻咽定植机制不明的科学问题，通过LC-MS/NMR技术鉴定出保守性寡糖b-Cool（bordetellae colonization oligosaccharide），发现其通过抵抗气道黏蛋白Muc5Ac/Muc5B促进早期定植，揭示了Δb-Cool突变株在鼠模型和类器官中呈现6小时内的定植延迟及70%传播率下降，为阻断高传染性病原体传播提供了新靶点。

　　

呼吸道感染是全球健康重大挑战，而鲍特菌属（Bordetella）中的百日咳杆菌（B. pertussis）和支气管败血性鲍特菌（B. bronchiseptica）通过鼻咽定植引发疾病。尽管疫苗覆盖率提高，百日咳仍持续传播，暗示现有干预措施未能阻断早期定植这一关键环节。传统研究多关注下呼吸道感染的毒力因子，而对鼻咽定植起始机制知之甚少。更棘手的是，这类病原体在鼻咽部高效定植的分子武器始终未被揭示。

为破解这一难题，研究团队将目光投向细菌糖生物学。前期发现传播相关胞外多糖（tEPS）后，他们在分析其合成基因簇时意外发现另一保守的九基因簇，推测其可能编码新型糖分子。通过液相色谱-质谱联用（LC-MS）和核磁共振（NMR）技术，团队首次解析出该寡糖的精确结构——由GlcNAc(α1-4)GalNAcAN(α1-4)[Glc(β1-3)]GalNAcAN(α1-4)GalNAcA(α1-3)GlcNAc(α/β)组成的六糖，命名为b-Cool。

关键技术方法包括：1）构建Δb-Cool基因敲除株及分段回补株；2）采用Hilic柱LC-MS/MS分析核苷酸糖代谢流；3）建立原代小鼠鼻/气管上皮气液界面（ALI）培养系统；4）开发新生鼠传播模型；5）通过Muc5Ac^?/?/Muc5B^?/?双敲小鼠验证宿主因子作用。

主要研究结果：

The Bordetella genome contains two glycan loci using similar UDP-sugar pathways

发现tEPS基因簇中的bb2925/bb2924及其同源基因bb0876/bb0877分别编码UDP-GlcNAc 6-脱氢酶和UDP-GlcNAcA 4-差向异构酶，但Δb-Cool突变株完全缺失UDP-GlcNAcA/UDP-GalNAcA，揭示九基因簇是实验室条件下这些核苷酸糖的主要来源。

The b-Cool locus produces an oligosaccharide conserved across bordetellae

从11株临床分离的B. pertussis到动物病原体B. pseudohinzii均检测到m/z 1234.4的b-Cool分子，HR-MAS NMR证实其存在于完整细菌表面，结构解析显示其含有罕见的脲酸酰胺修饰。

B-Cool is crucial for early nasal colonization

Δb-Cool在接种后6小时即出现定植延迟，鼻部菌量持续低于野生型1 log₁₀直至3天，但气管和肺部无差异。ALI实验显示该缺陷仅见于鼻上皮（分泌更多黏液），而在气管上皮无表现。

B-Cool promotes nasal colonization in presence of airway mucins

添加猪胃黏液（PSM）或小鼠鼻黏液（MNM）可重现Δb-Cool的定植缺陷。Muc5Ac^?/?Muc5B^?/?双敲小鼠中，突变株定植完全恢复，表明b-Cool通过抵抗这两种凝胶形成黏蛋白发挥作用。

B-Cool is critical for transmission

新生鼠传播模型显示Δb-Cool传播率降低70%，竞争实验证实其传播劣势非由脱落缺陷导致（与ΔtEPS不同），凸显早期定植对传播链的关键影响。

这项发表于《科学·进展》的研究首次揭示细菌通过特定寡糖抵抗宿主黏液屏障的进化策略。b-Cool在鲍特菌中的高度保守性，暗示其可能成为广谱抗感染靶点。研究建立的鼻上皮ALI模型和双敲鼠体系，为呼吸道病原体-宿主互作研究提供了创新工具。从转化医学角度看，针对b-Cool合成酶的小分子抑制剂或可阻断百日咳的"无症状传播窗"，为新型抗菌药物设计指明方向。