文献解读 | 囊性纤维化患者气道中铜绿假单胞菌的微进化

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2024-05-06 09:52:54
原创

文章题目：Microevolution of Pseudomonas aeruginosa in the airways of people with cystic fibrosis

文章链接：doi: 10.1016/j.coi.2023.102328

发表时间：2023.8

发表期刊：Curr Opin Immunol

IF：7.0

研究背景：人类宿主的长期细菌感染目前仅限于少数几种，即结核分枝杆菌、幽门螺杆菌和铜绿假单胞菌。幽门螺杆菌和结核杆菌早在史前时代就已在人类中流行，但囊性纤维化（CF）患者的慢性气道感染铜绿假单胞菌仅在60年前才出现。

主要研究内容及结果：

1、囊性纤维化气道中铜绿假单胞菌基因型的微进化

本研究对P. aeruginosa的宿主内进化分析来源于CF患者P. aeruginosa定植以来收集的一系列分离株，及对CF和非CF分离株的全基因组序列比较。作者每半年从CF患者收集P. aeruginosa样本。这些患者自最初获得P. aeruginosa克隆以来已持续携带十年或更长时间。六名受影响最严重的患者因呼吸功能不全而死亡，六名病情最轻的患者初始感染克隆被另一P. aeruginosa克隆所替代。作者分别研究了这两个过程中P. aeruginosa的基因组进化。一直到2022年，五名存活患者尽管有近40年的P. aeruginosa气道定植史，但他们的肺功能接近正常，家庭和工作生活正常。在这12名患者中，P. aeruginosa对CF气道的遗传适应是由P. aeruginosa在患者气道中定植时支气管炎症和CF肺部结构损伤的程度所驱动的。在致病性下降的感染过程中，功能丧失突变的获得是显著的，而通过水平基因转移获得代谢多功能性的基因组增益是轻度感染的典型特征。噬菌体、转座子、整合子和IS元件的插入赋予了代谢基因、毒力和抗性决定因子，但也使整合位点的基因失活。质粒和更常见的ICE通过拷贝数变异来修饰毒力和适应性。特别是诱导的基因组前噬菌体被证明可以调节适应性、致病性和细菌种群密度。在CF患者的连续分离株中经常观察到被称为RGP基因组岛（基因组可塑性区域）的获得和丧失。对P. aeruginosa染色体的复杂结构变异分析显示CF分离株经常发生大片段的基因组重排。例如，活性IS元件的分子内转位通常会导致P. aeruginosa的染色体倒位，并伴随着断点附近序列的突变、缺失和/或重复。

图1 6名患者（I-VI）慢性CF气道感染过程中铜绿假单胞菌的微进化系统发育分析（最大似然法）

2、囊性纤维化气道中铜绿假单胞菌表型的微进化

P. aeruginosa在CF肺中具有多样化的表型（图2）。在慢性定植阶段，呼吸道分泌物原代培养菌落的形态类型、代谢能力、QS信号、毒力、运动性、抗菌敏感性、生物膜形成以及与人粘蛋白和上皮细胞的结合会发生变化。通过体外多次传代培养，大多数表型会恢复到环境分离物的常见表型，但少数表型特征是不可逆的。在CF肺中的最初几年，P. aeruginosa克隆会减少其噬菌体受体和pyocins的种类，表明持续的克隆成功地消除了克隆竞争对手，并对噬菌体攻击产生了抗性。根据这些观察结果，两个或多个克隆的长期共存是罕见的。其次，克隆分化为浮游和固着亚克隆，后者存在于支气管腔内，嵌入自身的胞外多糖和人粘蛋白中。固着亚克隆失去鞭毛和菌毛，变得不运动且毒性较低，而浮游细胞保留其毒性效应物。对于高度免疫原性的LPS，O-抗原的修饰或丢失及脂质A的修饰，会促进菌株免疫逃避、炎症和对阳离子抗菌肽的抗性。然后是形态类型并存，其标志是毒性更强、耐药性更强的小菌落变种和生物膜形成的粘液样菌落。藻酸盐过表达是CF分离物的特征，在其他生境中非常罕见。粘液样通常在气道定植的头几年出现，五到十五年后，会出现非粘液样回复突变体，通常是营养缺陷型，并伴随着毒性减弱。这些生长缓慢的营养缺陷型变体见于肺功能较差的老年CF患者。由于缺乏一种或多种氨基酸生物合成的代谢途径，营养缺陷型在严重heavily remodeled lung支气管腔中茁壮成长，这种肺提供了大量的氨基酸作为营养物质。

3、微进化对适应性的影响

为研究CF气道慢性定植期间的适应性变化，作者将CF分离株暴露于下列环境：

•营养贫乏和营养丰富的液体培养基作为P. aeruginosa典型水生生境；

•鼠肺模型和人肺精密切片（PCLS）；

•人粒细胞，人体抵抗P. aeruginosa感染的主要细胞防御。

通过菌株特异性SNV扩增子测序监测细菌的生长和持久性。竞争适应性实验显示所有研究生境的结果是类似的。轻度病程的CF分离株显示出个体特异性的生长和存活模式，相比之下，严重病程的菌株显示出一致的结果。早期分离株在基因组谱上与环境祖先的差异最小，它们在营养丰富和营养贫乏的培养基中能生长得更好，在鼠肺模型及人PCLS中比后代更具竞争力，并且对中性粒细胞的胞内杀伤作用更具抵抗力。因此，P. aeruginosa占据CF气道时CF肺部疾病的状态不同，适应度实验的结果也不同。在轻度病程中，肺功能和宿主防御在定植开始时接近正常。在严重病程中，当感染P. aeruginosa时，肺功能已经受损。感染、炎症和重塑的恶性循环从一开始就在进行，在这些生存条件下，具有较低一般适应性的细菌后代在水生生境或健康肺部中的存活率不如其祖先。总之，CF肺部栖息地的疾病状态比潜在的克隆类型及其遗传库更能强烈地控制铜绿假单胞菌的适应性。

文章结论

1、CF宿主内进化触发铜绿假单胞菌基因型和表型的转变。

2、肺部疾病的严重程度决定了铜绿假单胞菌在宿主内的适应性。

3、CF肺的假单胞菌感染可通过CFTR调节剂消除。

参考文献

Cramer N, Klockgether J, Tummler B. Microevolution of Pseudomonas aeruginosa in the airways of people with cystic fibrosis [J]. Curr Opin Immunol, 2023, 83: 102328.

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