中国梅州两例散发性泌尿生殖道脑膜炎奈瑟菌分离株的比较基因组学分析

《International Journal of Medical Microbiology》：A comparative genomic snapshot of two sporadic urogenital Neisseria meningitidis isolates from Meizhou, China

　　

目的：表征散发性泌尿生殖道脑膜炎奈瑟菌（Neisseria meningitidis）分离株的基因组特征，并扩展关于这一新兴感染的有限数据。 方法：采用比较基因组学分析，研究中国梅州地区泌尿生殖道脑膜炎奈瑟菌分离株的多样性和克隆关系。两株散发性分离株（命名为MZ01和MZ02）于2022年从尿道感染男性患者的尿道分泌物中分离获得。研究人员对这些分离株进行全基因组测序，并与PubMLST数据库中公开可用的基因组进行比较。通过多位点序列分型（multilocus sequence typing, MLST）确定序列型。开展最小生成树（minimum spanning tree）、核心基因组单核苷酸多态性（core-genome single nucleotide polymorphism, cgSNP）以及norB-aniA比较分析，以表征谱系特异性遗传特征。 结果：这两株分离株属于不同的序列型（MZ01为ST-5881，MZ02为ST-11026）。cgSNP分析显示，MZ01与所有公开基因组高度分化，而MZ02与NML2024-119及中国泌尿生殖道分离株Nm521密切相关，表明它们具有不同的克隆起源。MZ01携带B血清群荚膜合成基因座，而MZ02存在ctrA/ctrB缺失，提示其为荚膜缺失基因型。两株菌均携带脑膜炎球菌型的norB-aniA谱，与US_NmUC的淋球菌型基因盒不同。两株分离株均对青霉素耐药、对头孢曲松敏感，此外MZ02还对环丙沙星和复方磺胺甲噁唑耐药，这与gyrA和folP突变一致。 结论：本研究提供了来自中国梅州的散发性泌尿生殖道脑膜炎奈瑟菌分离株的一个有限但具有信息价值的基因组快照。尽管仅基于两株分离株且临床元数据有限，但观察到的不同谱系凸显了持续监测的必要性。

研究背景与科学问题

脑膜炎奈瑟菌（Neisseria meningitidis）传统上被认为是上呼吸道的共生菌，历史上因其引起脑膜炎和败血症等严重侵袭性疾病而被认知。然而，近年研究发现该菌亦可导致临床症状类似淋球菌感染的尿道炎。尽管此类病例早在20世纪40年代就有报道，但历史上被视为侵袭性疾病的继发表现而非原发性泌尿生殖道感染，因而关注有限。2015年，美国疾病控制与预防中心追踪到一起最初被误诊为淋病奈瑟菌（Neisseria gonorrhoeae）感染的男性尿道炎多州暴发疫情，并将其归因于一个新的脑膜炎奈瑟菌谱系——“美国脑膜炎奈瑟菌尿道炎分支”（US_NmUC）。该谱系的特征包括：通过IS1301介导的荚膜基因座破坏导致荚膜丢失、固有脂寡糖唾液酸化功能丧失从而增强对泌尿生殖道上皮细胞的黏附，以及获得淋球菌来源的aniA/norB反硝化基因盒赋予厌氧生长优势。随后，英国、越南、澳大利亚和中国也报告了散发病例。然而，泌尿生殖道脑膜炎奈瑟菌感染显然超出了单一模式的范围。在此背景下，研究人员报告了中国广东梅州2022年的两例散发性泌尿生殖道脑膜炎球菌感染病例，旨在通过全基因组测序表征这些分离株，将其与公开可用的基因组进行比较，并评估其抗菌药物敏感性。这项描述性基因组快照为来自中国代表性不足的地区提供了数据，并可能有助于准确识别常被误判为淋病奈瑟菌的泌尿生殖道脑膜炎球菌分离株。

研究内容与主要结论

研究人员对两株分别命名为MZ01和MZ02的脑膜炎奈瑟菌分离株进行了全基因组测序和比较基因组学分析。结果显示，两株菌属于不同的序列型（MZ01为ST-5881，属ST-41/44克隆群；MZ02为ST-11026，属ST-32克隆群），表明它们具有不同的克隆起源。MZ01保留了完整的B血清群荚膜合成基因座，而MZ02则缺乏完整的荚膜多糖合成（cps）基因座，呈现荚膜缺失基因型。两株菌均携带脑膜炎球菌型的norB-aniA反硝化装置，与US_NmUC中由基因转换获得的淋球菌型基因盒截然不同。抗菌药物敏感性测试显示，两株菌均对青霉素耐药（MIC均为0.38 μg/mL）且β-内酰胺酶阴性，同时对头孢曲松、美罗培南、阿奇霉素、米诺环素和氯霉素敏感。MZ01对环丙沙星和复方磺胺甲噁唑敏感，而MZ02对两者均耐药，并携带gyrA的T91I突变以及folP的P68S和R228S突变。这项研究的发现增加了区域性基因组信息，展示了泌尿生殖道脑膜炎奈瑟菌的多样性，强调了持续监测和抗菌药物耐药性监控的重要性。

关键技术方法

研究人员采用了以下关键技术方法：（1）全基因组测序，利用DNBSEQ-T7平台对从中国广东梅州一家三级医院2022年两名尿道感染男性患者尿道分泌物中分离的两株菌（MZ01和MZ02）进行测序；（2）多位点序列分型（MLST），通过PubMLST数据库确定序列型和克隆群；（3）种群结构与系统发育分析，基于MLST谱型构建最小生成树（minimum spanning tree），并在克隆群水平上基于核心基因组单核苷酸多态性（cgSNP）构建最大似然系统发育树；（4）norB-aniA区域比较分析，通过MAFFT比对和最大似然树构建，结合侧翼基因比较，评估基因盒样替换情况。

研究结果

3.1 临床特征：两株脑膜炎奈瑟菌分别于2022年从两名23岁和25岁男性患者的尿道拭子中分离，临床诊断分别为尿路感染（MZ01）和尿道炎（MZ02）。MZ02患者的尿道分泌物革兰染色显示革兰阴性双球菌，HIV血清学、梅毒筛查及确证试验、沙眼衣原体抗原检测均为阴性，两例患者的支原体培养均为阴性。MZ02患者接受了头孢曲松治疗。

3.2 分子特征：精细分型抗原分析鉴定MZ01为PorA VR1 7-4/VR2 1和FetA F1-7，MZ02为PorA VR1 5-2/VR2 13-15和FetA F5-1，表明两株菌抗原谱不同。MZ01携带B血清群荚膜合成基因座，MZ02为非组群（NG）基因型。Bexsero抗原序列分型（BAST）显示MZ01携带fHbp-19和NHBA-144且NadA缺失，MZ02携带fHbp-1、NHBA-3和NadA-1。

3.3 抗菌药物敏感性：两株分离株对青霉素耐药（MIC 0.38 μg/mL），β-内酰胺酶阴性。基因组分析显示它们的penA等位基因携带五个与青霉素敏感性降低相关的转肽酶结构域替代（F504L、A510V、I515V、H541N和I566V）。两株菌均对头孢曲松、美罗培南、阿奇霉素、米诺环素和氯霉素敏感。MZ01对环丙沙星和复方磺胺甲噁唑敏感，而MZ02对两者耐药，并携带gyrA的T91I突变和folP的P68S及R228S突变。

3.4 基因组比较：全基因组比较显示MZ01和MZ02与参考基因组MC58具有高度共线性，主要差异位于荚膜合成基因座。MZ01保留了完整的ctr操纵子和A区生物合成基因。相比之下，MZ02缺乏ctrA-ctrD转运基因和A区生物合成基因，但保留了远端ctrE-tex区域及修饰基因lipA和lipB，galE截短，表明MZ02为荚膜缺失基因型。

3.5 最小生成树：基于248个MLST谱型构建的最小生成树显示，MZ01（ST-41/44复合群）和MZ02（ST-32复合群）位于不同分支，表明两株分离株属于不同的克隆复合群而非单一谱系。

3.6 系统发育分析：在ST-41/44复合群中，MZ01与所有公开基因组存在差异，其最近亲缘株为M08487，应被视为一种独特的基因型。在ST-32复合群中，MZ02与NML2024-119和中国泌尿生殖道分离株Nm521形成一个高支持度的进化枝，表明在ST-11026内存在密切的克隆关系。

3.7 norB-aniA区域的比较分析：US_NmUC的norB-aniA基因盒与淋球菌参考株FA1090的同一性最高（99.77%），而MZ02的基因盒与脑膜炎球菌参考株MC58几乎相同（99.97%同一性），但与FA1090差异较大（95.01%）。侧翼基因显示出相同的菌株分组，表明MZ02近期未发生基因盒样替换。

讨论与结论

讨论部分指出，脑膜炎球菌尿道炎是一种与多种遗传背景相关的新兴感染。MZ01所属的ST-5881此前主要在美国和南非的侵袭性脑膜炎球菌病病例中报道，本研究是其首次从泌尿生殖道分离。MZ01与所有公开的ST-5881基因组高度分化，其最近亲缘株为美国的侵袭性分离株M08487，这种跨大陆分布且遗传距离大的现象表明长期分化而非近期传播。MZ02所属的ST-11026此前已在日本和中国的此类病例中报道，MZ02与加拿大2024年分离株NML2024-119及中国泌尿生殖道分离株Nm521形成同一进化枝，表明这些菌株间存在密切克隆关系。两株菌与典型的US_NmUC菌株在多个与泌尿生殖道适应相关的区域存在差异，提示荚膜缺失和norB-aniA趋异并非必然耦合，脑膜炎奈瑟菌可能通过多种遗传途径适应尿道生态位。在治疗方面，目前尚无标准化的脑膜炎球菌尿道炎治疗方案，临床实践通常遵循淋病奈瑟菌治疗指南，以头孢曲松作为一线药物。两株菌均对青霉素耐药但β-内酰胺酶阴性，表明此耐药由染色体penA内在改变介导。MZ02的环丙沙星和磺胺类药物耐药性进一步加剧了对预防方案有效性的担忧。在诊断方面，目前的分子诊断平台缺乏脑膜炎奈瑟菌靶标，经常将其误判为淋病奈瑟菌。研究结论翻译如下：本研究报告了中国广东梅州发生的两例散发性脑膜炎球菌尿道炎感染，由遗传特征不同于经典US_NmUC模型的菌株引起。据研究人员所知，这是首次从泌尿生殖道报道ST-5881。这些发现增加了区域性基因组信息，展示了泌尿生殖道脑膜炎奈瑟菌的多样性，并强调了持续监测和抗菌药物耐药性监控的重要性。