【LorMe周刊】没有条件就创造条件-霍乱弧菌生存致病之道

作者：邵正英，南京农业大学博士在读。主要研究铁载体介导的根际细菌互作。

周刊主要展示LorMe团队成员优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊为您介绍霍乱毒素如何促进病原霍乱弧菌对宿主体内营养的获取。原文2019年发表在Nature。

导读

霍乱得以传播的主要原因是因为患者腹泻液中存在大量的病原霍乱弧菌，而患者肠道为什么会有这么高浓度的霍乱弧菌呢？霍乱毒素（CTX）是霍乱弧菌的致病关键蛋白，研究发现CTX可促进霍乱弧菌的生长并诱导肠道内铁素缺乏转录信号的发生，而只有当CTX产生时，吸收铁素的相关基因才能为霍乱弧菌提供生长优势。此外CTX可诱导寄主肠道细胞毛细血管充血，并与血红素的生物利用度增加有关。遗传分析进一步表明霍乱弧菌的生长依赖于感染过程中对血红素和长链脂肪酸的摄取，且只有在能够产生CTX的菌株中发生。作者认为霍乱毒素导致的霍乱疾病可在寄主肠道创造一个铁耗尽的代谢生态位，加速铁的摄取和利用，并选择性地通过获取宿主来源的血红素和脂肪酸从而促进霍乱弧菌的生长。

背景

霍乱毒素（CTX），是霍乱弧菌致病的关键蛋白。研究表明CTX可促进脂肪细胞中脂质的分解，且有研究表明病原菌可通过毒力因子产生炎症获取宿主的代谢营养物质，并从中获取营养。因此作者猜想CTX是否会通过影响宿主的新陈代谢，从而获取宿主营养，促进病原菌在肠道的生长。

主要结果

一、霍乱毒素可促进病原菌的定殖以及毒力因子的表达

幼兔分别接种野生型霍乱弧菌和CTX突变病原菌（△ctx）后发现，野生型感染幼兔盲肠内菌株数量是突变株感染幼兔的22倍（图1d），而混合侵染的幼兔没有发现这种情况(图1b,c)，说明CTX提高病菌的定殖是由于CTX的分泌以及对宿主环境的影响。

图1  感染过程中CTX诱导产生的独特转录变化

a：相对于野生型盲肠中液体累积量；b-c：分别表示每克回肠和每克盲肠中病原菌的含量；d：盲肠中所有病原菌的数量；e：转录组分析有关野生型和突变株两个生物重复的主成分分析；f：表示相较于突变株野生型病菌分别在回肠和盲肠中显著上调的基因数；g：回肠部位野生型与突变株两条染色体在转录组中读取的百分比；h：二号染色体中有关血红素利用的相关基因读取的百分比。

此外有研究发现，霍乱弧菌基因表达变化与幼兔感染时宿主肠道中代谢物的存在有关。因此对幼兔肠道的回肠和盲肠的野生病原菌进行比较分析，结果发现回肠中有更多基因显著差异表达，其中包含编码CTX的毒力因子-TonX调节子。同样，相较于突变体，野生型中更多基因发生上调（图1f），其中包含很多TonX调节的基因(图1h)。CTX的分泌可诱导、促进毒力因子的表达。

二、霍乱毒素可降低肠道铁浓度，提高血红素含量

相较于突变株，野生型病原菌中有关血红素利用的基因显著上调，而回肠部位差异更加显著。进一步分析发现，野生型中血红素吸收、铁载体鳌合铁素相关基因都被诱导上调表达，且相对于盲肠，回肠中显著上调(图2a)。进一步测定发现，感染野生型病菌可显著降低幼兔回肠中铁浓度(图2b)。同时，研究表明感染野生型病菌的幼兔回肠中游离血红素含量显著上升（图2c）。继而在小鼠实验中，又发现CTX可诱发毛细血管的充血，且分析发现这一行为与血红素的上升以及腹内积水相关。CTX的促生得益于对血红素的利用(图2d)。总结认为，CTX可加速铁的消耗，促进血红素的释放，从而促进自身生长。

图2 利用血红素为依赖CTX的霍乱弧菌提供生长优势

a：相对于突变株，野生型转录组中有关血红素利用以及铁载体鳌合铁素相关基因表达情况；b：分别接种野生型以及突变株宿体内铁浓度；c：分别接种野生型以及突变株病原菌的宿主回肠和盲肠内游离血红素的含量；d：按照1:1比例接种两种菌株，结果表示含有CTX时，利用血红素可为病菌带来生长优势。

三、霍乱毒素可加速铁素代谢、促进长链脂肪酸的利用

病菌感染可促进代谢相关基因的表达，其中长链脂肪防酸、TCA以及L-乳酸以及其他含铁相关酶的基因在野生型病菌中大量表达(图3a, b)。病菌感染之后可通过加速病菌的代谢，反之促进铁素的消耗并加快铁的摄取、促进菌株的生长。

CTX处理后小鼠体内长链脂肪酸显著上升。进一步验证发现CTX引发的病症需要吸收长链脂肪酸从而促进菌株的生长(图3f)。说明脂肪酸的吸收利用可为病原菌提供生长优势。

图3 感染过程中，CTX可促进病原菌对长链脂肪酸的利用

a：回肠相对于盲肠，野生型霍乱弧菌显著上调的有关途径；b：相较于盲肠，野生型在回肠中相关途径的差异表达基因；c：野生型相对于突变株在回肠和盲肠两个部位的相关途径中差异表达基因；d：长链脂肪酸在分别接种野生型、突变株以及对照组的宿主中的含量；e：L-乳酸在分别接种野生型、突变株以及对照组的宿主中的含量；f：按照1:1比例接种两种菌株，结果表示含有CTX时，利用长链脂肪酸可为病菌带来生长优势。

结论

微生物的营养竞争方式对于微生物定殖至关重要。霍乱弧菌在感染宿主的过程中分泌CTX加快自身代谢，加速环境中铁的摄取与消耗，创造代谢生态位，通过利用宿主血红素、脂肪酸和L-乳酸等策略促进自身的生长从而获得生长优势。最终达到在宿主体内快速、大量定殖的目的。

论文信息

原名：Cholera toxin promotes pathogen acquisition of host-derived nutrients

译名：霍乱毒素可促进病原霍乱弧菌对宿主体内营养的获取

期刊：Nature (2019)

IF：43.07

发表时间：2019.7

通讯作者：John J. Mekalanos

通讯作者单位：哈佛医学院