《Frontiers in Cellular and Infection Microbiology》：Transcriptional changes related to metabolic and iron acquisition strategies of avian pathogenic Escherichia coli are associated with embryonic survival during yolk sac infection
编辑推荐：
摘要
引言：禽致病性大肠杆菌（avian pathogenic Escherichia coli，APEC）在家禽生产中造成重大经济损失，但不同感染结局的分子机制仍不明确。本研究旨在阐明与体外培养相比，感染鸡胚中APEC的体内转录谱。
方法：研究人员用一株AP
摘要
引言：禽致病性大肠杆菌（avian pathogenic Escherichia coli，APEC）在家禽生产中造成重大经济损失，但不同感染结局的分子机制仍不明确。本研究旨在阐明与体外培养相比，感染鸡胚中APEC的体内转录谱。
方法：研究人员用一株APEC分离株实验性感染鸡胚。随后，对从实验感染后死亡或存活胚胎的卵黄中分离的APEC以及体外培养对照进行RNA测序（RNA sequencing）。进行差异基因表达、功能富集分析和小RNA分析，以鉴定关键的转录变化。应用加权基因共表达网络分析（weighted gene co-expression network analysis，WGCNA）检测与宿主结局相关的细菌基因模块。
结果与讨论：在死亡胚胎中，APEC表现出转录推断的高代谢程序，其特征是参与厌氧呼吸、营养清除以及嘌呤和精氨酸生物合成的443个基因上调，这与复制能力和毒力潜力增强一致。相比之下，从存活胚胎中回收的APEC在宿主免疫压力下表现出转录推断的低能量状态，其特征是中心代谢途径受抑制，同时与铁螯合、毒素产生和细胞包膜重塑相关的基因上调。WGCNA提示低氧呼吸和厌氧代谢、铁硫（Fe–S）簇组装以及嘌呤和精氨酸生物合成基因与宿主致死性相关，而铁载体介导的铁获取与宿主存活相关。精氨酸代谢与促炎宿主反应呈正相关，而鞭毛运动与促炎和抗炎信号均相关，提示代谢和运动途径对宿主免疫具有调节作用。分析表明，APEC的存活和致病性更依赖于代谢适应和铁竞争，而非单个毒素基因。此外，鉴定出77个小调控RNA（small regulatory RNA），提示其在体内适应中可能发挥调控作用。
这些发现证明了APEC在感染期间的转录可塑性，强调低氧呼吸和厌氧代谢、铁获取、精氨酸和嘌呤代谢以及鞭毛运动可能有助于细菌的存活策略。这些发现与近期宿主转录组学证据一致，该证据显示感染胚胎卵黄囊中存在线粒体功能障碍、过度炎症和代谢崩溃，提示协调的宿主-病原体代谢相互作用影响了感染结局。
论文解读文章
**研究背景、存在问题与研究意义**
禽致病性大肠杆菌（Avian pathogenic *Escherichia coli*，APEC）是引起家禽大肠杆菌病（colibacillosis）的革兰氏阴性细菌，导致高死亡率、生产损失，并常需抗菌药物治疗。该病可表现为局部或全身形式，其中卵黄囊感染（脐炎）是幼禽全球性经济损失的主要原因之一。APEC菌株具有遗传异质性，携带多种毒力相关基因，包括黏附素、毒素、铁载体和血清抗性因子，但基因组学难以从遗传上区分APEC与共生大肠杆菌。此外，全身分离株并不一定比肠道分离株更具致病性，这使得寻找毒力的遗传标志物变得复杂。因此，需要超越体外病原体表征，研究感染期间的体内细菌反应，以更好地理解大肠杆菌感染的生物学。本研究旨在通过RNA测序（RNA-seq）分析来自死亡或存活感染鸡胚卵黄中的APEC转录组，结合体外培养对照，阐明与不同宿主结局相关的细菌转录变化，为同一感染模型中的宿主转录组学证据提供互补视角。
**研究开展内容与结论**
研究人员用一株从病鸡肝脏分离的APEC EC-O119:H4菌株，通过尿囊腔接种12日龄SPF鸡胚（每胚约5×103 CFU）。48小时后，收集感染死亡和存活胚胎的卵黄样本，并提取细菌总RNA，进行链特异性cDNA文库构建和Illumina NovaSeq双端150 bp测序。以体外LB培养的APEC作为对照。数据分析包括差异基因表达（edgeR，FDR≤0.05，|log2FC|≥1）、基因本体论（GO）和京都基因与基因组百科全书（KEGG）富集分析、小RNA（small RNA）谱分析、加权基因共表达网络分析（WGCNA）以及蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络分析（使用STRING v12.0和Cytoscape中的MCC算法）。样本队列来源于该菌株感染鸡胚的实验模型。
**研究结果**
*Sequencing data quality assessment and global transcriptomics*：通过主成分分析（PCA）和样本间相关性分析，发现体外培养、感染活体和感染死亡胚胎来源的APEC转录组明显分离。与感染活体相比，死亡胚胎中APEC有595个差异表达基因（DEGs），其中443个上调、152个下调。上调基因富集于厌氧生物能学（如Fe–S簇结合、镍阳离子结合）、毒力相关功能（如鞭毛组装、细菌运动）以及关键代谢过程（如嘌呤代谢、精氨酸生物合成、营养获取）。感染活体胚胎中APEC上调基因富集于rRNA/tRNA加工、转录调控、脂多糖和肽聚糖生物合成，而下调基因与氧化磷酸化、三羧酸（TCA）循环等产能过程相关。
*The key virulence genes response to infection*：包括三个子部分。
*Adhesion and motility*：在感染胚胎中，APEC广泛上调黏附和运动相关基因，如P菌毛（*pap*）、1型菌毛（*fim*）和卷曲菌毛；死亡胚胎中鞭毛和趋化基因上调更多。PPI网络显示鞭毛基因与卷曲基因形成密集相互作用簇。
*Iron acquisition and metal homeostasis*：与体外相比，感染胚胎中APEC显著上调铁和镍获取系统，尤其是在感染活体胚胎中，铁载体介导的摄取系统（耶尔森菌素、沙门菌素、气杆菌素）和血红素受体*chuA*高表达。死亡胚胎中铁载体表达相对降低，可能由于组织损伤释放血红素。
*Other virulence factors*：血清存活蛋白基因（*iss*）和*ompF*在感染胚胎中上调；*traT*、*ompF*、*ompA*和T1SS分泌系统的*hlyD*在死亡胚胎中上调，而外膜蛋白酶*ompT*和孔道形成毒素*hlyE*下调。*hlyE*和空泡形成毒素*vat*在感染活体胚胎中相对于体外上调。
*APEC metabolism adaptation to diverse host-derived microenvironments*：包括四个子部分。
*Nutritional flexibility and amino acids utilization*：死亡胚胎中APEC激活磷酸转移酶系统（PTS），上调多种糖类、肉碱、乳酸、柠檬酸、乳糖和脂肪酸的摄取与代谢基因。精氨酸生物合成途径（*arg*操纵子）和精氨酸脱亚胺酶（ADI）系统（*arc*操纵子）显著上调，而精氨酸琥珀酰转移酶途径（*ast*）下调。
*Carbohydrate and energy metabolism*：死亡胚胎中TCA循环和部分末端氧化酶下调，但NADH脱氢酶I、甲酸脱氢酶和氢化酶上调，支持厌氧产能。甘油利用（*glpABCQ*）和延胡索酸呼吸（*frdABCD*）上调，乙醇胺利用（*eutBCE*）也上调。
*Nucleic acid biosynthesis*：死亡胚胎中*de novo*嘌呤生物合成（*pur*操纵子）基因协调上调。
*Reduction in respiratory function and bacterial membrane integrity*：感染活体胚胎中APEC表现出NADH脱氢酶活性、呼吸功能和ATP结合基因的下调，而外膜修复（*pldA*、*pagP*）和肽聚糖生物合成/重塑（*mepS*、*mltC/mltF*）基因上调。
*Altered abundance of conserved metabolic ncRNAs*：在APEC EC-O119:H4菌株中共鉴定出77个非编码RNA（ncRNA），多数为转编码sRNA。与体外相比，感染死亡和活体胚胎中分别有24和16个ncRNA失调，多数下调。CsrB和CsrC在感染胚胎中下调数倍，而3′ETS-leuZ在死亡胚胎中上调。
*Interactions between the APEC and host yolk sac transcriptomes*：WGCNA显示宿主H03（炎症）和H02（细胞外基质）模块与感染死亡表型正相关，H21（线粒体）模块负相关。细菌模块B16和B15（嘌呤生物合成、Fe–S簇组装、厌氧呼吸、鞭毛运动、趋化）与死亡表型最相关；B09（能量代谢）与感染活体表型负相关；B02（铁获取）在活体胚胎中高表达。基因层面，细菌金属离子转运、铁竞争、毒力等基因与宿主线粒体基因负相关，与炎症模块的细胞因子存在相关：呼吸代谢基因（*cydB*、*glpD*）与促炎因子（如IL6）负相关，铁获取基因（*irp2*、*feoA*、*ybtS*）与抗炎因子负相关，精氨酸生物合成基因与促炎因子正相关，鞭毛基因与两类细胞因子均相关。
**讨论总结与结论翻译**
讨论部分指出，APEC感染结局与代谢适应和铁竞争转录特征的相关性强于与单个毒素基因位点的相关性。当APEC表现出铁获取、精氨酸和嘌呤生物合成、产能和碳利用增强的转录特征时，这些模式可能反映了对宿主来源资源的利用增加，并与宿主线粒体扰动和炎症相关。从存活胚胎中回收的APEC则表现出宿主施加的铁限制、包膜应激反应和代谢活性降低的转录特征，提示一种低能量、应激适应的状态。整体而言，这些发现支持一个模型：APEC感染结局与代谢优势和铁竞争相关的转录程序更密切相关，并指出细菌能量代谢和营养获取途径是未来机制研究和干预开发的潜在方向。
结论翻译：本研究表明，APEC在胚胎感染期间表现出与体外生长根本不同的、高度可塑的转录程序。在死亡胚胎中，APEC启动一个转录推断的高代谢程序，其特征是增强的厌氧呼吸、广泛的营养清除以及嘌呤和精氨酸生物合成上调，可能与快速生长和毒力相关。转录活性与实际代谢通量之间的关系仍有待实验验证。相比之下，在活体胚胎中，APEC表现出转录特征提示中心代谢活性降低和一种应激适应的低能量状态，同时诱导铁螯合、毒素产生和包膜重塑等毒力途径。这与先前研究一致，即大肠杆菌适应宿主样环境，优先在血液中进行厌氧生长和铁摄取，而在固体培养基上进行有氧呼吸和应激反应。越来越多的证据表明，通过代谢适应宿主来源的营养物和信号线索，细菌病原体参与复杂的代谢串扰，调节生态位感知、免疫调节、毒力表达并最终影响感染结局。在APEC感染背景下，数据表明APEC的存活和感染结局与代谢适应和宿主-病原体铁竞争的转录特征强相关，而非与单个毒素相关位点。当APEC表现出增强的铁获取、精氨酸和嘌呤生物合成、产能和碳利用等转录特征时，这些模式可能反映了对宿主来源资源的增强利用，并与宿主线粒体扰动和炎症相关。相反，从存活胚胎中回收的APEC表现出宿主施加的铁限制、包膜应激反应和代谢活性降低的转录特征，提示低能量、应激适应状态。总体而言，这些发现支持一个模型：APEC感染结局与代谢优势和铁竞争相关的转录程序更密切相关，并指出细菌能量代谢和营养获取途径是未来机制研究和干预开发的有前景方向。
