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Advances in microevolution of pathogenic bacteria

致病性细菌微进化的研究进展



全 文 :生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第21卷 第4期
2009年8月
Vol. 21, No. 4
Aug., 2009
文章编号 :1004-0374(2009)04-0479-06
生物进化是一个永恒的科学问题。微进化
(microevolution)和宏进化(macroevolution)是两个相对
应的概念:微进化指的是同一生物种内的演化,是
一个导致种内分化的过程,因此,也称为“种内
进化”;而宏进化是种以上的演化,是导致一个新
物种产生的进化过程,因此,文献中还有将此名词
翻译成“种外进化”或“大进化”的。由于微
进化的时间不长,我们可以直接观察到这种由于自
然选择导致的物种变化,如北方的麻雀要比南方的
麻雀个体大,这是由于北方寒冷气候自然选择的结
果,以及昆虫产生对杀虫剂的抗性、草产生对除草
剂的抗性、细菌产生对抗生素的抗性[1]等特征都是
生物微进化的表现。
1 微进化的机制
细菌进化的动力包括:突变(这是进化的绝对
动力,但除 RNA 病毒外,其改变等位基因频率的
能力较弱)、重组(增加遗传变化,但不改变等位基
致病性细菌微进化的研究进展
杨瑞馥
(军事医学科学院微生物流行病研究所病原与生物安全国家重点实验室,北京 100071)
摘 要:20 0 9 年是达尔文诞辰 2 0 0 周年,《物种起源》发表 1 5 0 周年。值此之际,我们将致病性细
菌微进化的遗传学动力、研究方法及其意义进行综述,并以鼠疫耶尔森氏菌与沙门氏菌为例讨论了这两
种细菌的微进化研究进展。
关键词:微进化; 致病菌; 鼠疫耶尔森氏菌; 沙门氏菌
中图分类号:R 3 7   文献标识码:A
Advances in microevolution of pathogenic bacteria
YANG Rui-fu
(Institute of Microbiology and Epidemiology, Academy of Military Medical Sciences, Beijing 100071, China)
Abstract: The year of 2009 is the 200th anniversary of Charles Darwin’s birth and the 150th anniversary of his great
book, The Origin of Species. For commemorating Darwin’s indispensable contribution to evolution, this review
focused on bacterial pathogen’s evolution, including driving forces of genetic changes, the methods of studying
bacterial microevolution and the significance of this kind of studies. Yersinia pestis and Salmonella were taken
as examples to illustrate their microevolution.
Key words: microevolution; pathogenic bacteria; Yersinia pestis; Salmonella
收稿日期:2009-02-02;修回日期:2009-05-22
基金项目:国家重点基础研究发展计划“97 3”项目
(2009CB522604); 国家自然科学基金杰出青年基金项目
(30525025)
通讯作者:E-mail:ruifuyang@gmail.com
因频率)、遗传漂变(在突变子固定方面发挥着重要
作用,尤其是在群体小,而且突变是中性的时
候)、自然选择[正向(定向)选择淘汰群体中的变
异,而平衡的选择增加其变异]。细菌微进化是由
于细菌基因变异与自然环境选择的结果。我们可以
认为选择压力是进化的外在动力,基因变异是细菌
的“主动”应对。基因变异可以分为选择性的中
性变异和正向选择性进化[2],前者是分子进化的中
性理论之核心,指的是淘汰不利突变的负向选择的
进化方式;后者指的是促进有利突变遗传的进化方
式,是细菌定向适应性进化的基础。正向选择性进
化需要试验和统计学的证据,否则,一般的情况下
480 生命科学 第21卷
指的是中性进化理论。选择压力包括生态环境中的
生物因素和非生物因素。生物因素包括动物、媒介
昆虫、植物、微生物、植被等;非生物因素包括
阳光、经纬度、地形、地貌、土壤和气候因素(温
度、湿度、光线和环境化学因素等) ;非生物因素
相对稳定,决定着生物因素的地理区划、地区分
布、生境和媒介与宿主的密度等。细菌在宿主体内
时还受着机体免疫压力的选择和人为外在因素(如抗
生素治疗)的压力选择。
遗传变异的稳定遗传是细菌最终适应新环境的
基础。遗传变异的机制包括两大类:细菌为了快速
适应新环境,通过基因水平转移(HGT)直接从环境
中获得一段遗传物质以保证其生存,细菌通过HGT
获得新功能的例证包括细菌毒力岛的获得、耐药基
因的获得、外源质粒的获得、新代谢途径的获得
等。细菌在微进化中不断获得新基因片段的同时,
还具有将“无用”基因片段不断缺失的能力,以
维持细菌遗传物质的相对平衡。这种变异进化方式
很难用达尔文的分子进化理论来解释,虽然这种巨
大的细菌生活事件发生在基因水平,但这种突然的
巨大遗传学改变已经不能体现“分子进化”的“缓
慢”过程,我们只能将其归类为使细菌适应新环境
的“快速”进化事件。第二类变异就是细菌自身
基因的变异,包括点突变(不导致编码氨基酸变异
的同义突变或导致编码氨基酸变异的非同义突变)、
基因重组、短重复序列变异等。同义突变属于中性
的遗传漂变范畴,不具备选择压力的特征。进化的
中性论者认为这种中性突变在物种进化中起着重要
的作用,其核心是中性的选择;而选择论者则认为
自然的优势选择在物种进化中发挥着更大的作用,
这两派的争论一直持续到现在。我们可以通过同义
突变(dS或KS)和非同义突变(dN或KA)的比值来判定一
个突变位点的选择压力(dN/dS < 1.0表示负向选择;
dN/dS ~ 1.0为中性进化;dN/dS > 1.0为正向自然选择)。
致病菌的进化也是上述细菌本身的突变和自然
选择相互作用的结果。无论是新致病相关基因的获
得和代谢途径的改变,还是耐药特性的演化,都是
致病菌在与自然(人体或宿主)环境斗争过程中进化的
表现,掌握这些进化规律,我们可以预测致病菌的
进化趋势,为更好地控制其所致疾病的危害奠定基
础。
2 细菌微进化的研究方法
研究细菌微进化首先要通过高分辨率的标志区
分不同菌株的种群结构,再根据这些变异的种群分
布分析细菌可能的微进化历程。科学家们已经发展
了很多技术用于细菌种群结构分析,其中,以DNA
序列差异为基础的标志应用最为广泛。这些分析标
志可以用于病原的溯源,也可以用来重构病原菌的
进化历程。
从方法学角度而言,用于细菌分型和微进化分
析的方法可以分为DNA指纹分析技术和基于核酸序
列的分析技术。一些 DN A 指纹分析技术只是一种
分型技术,这些技术包括 RFLP、PFGE、AFLP 和
Rep-PCR 等,只能对某个特定细菌群,如一次疾病
爆发的分离株等进行分析,用于这些菌株间关系的
研究。而对要求更加准确的分型,则需要开展
ML V A、A F L P、基因组测序等分析,因为这些技
术分辨率会更高。目前公认的用于细菌种群结构分
析的技术以 MLST 最为成熟和标准化,已经建立了
相应的全球共享的数据库 (http://pubmlst.org/
database3.shtml)[3]。由美国CDC发起,全球参与的
PFGE 数据库的建立虽然开展了多年,也在病原溯
源调查中发挥了很大的作用,但是,由于操作繁
琐,质控要求严格,且很多菌株的信息没有共享,
致使该数据库的应用不如 MLST 广泛[4]。美国还建
立了动物病原菌的PFGE检测数据库USDA VetNet[5]。
另外,国际同行也建立了针对多个病原鉴定溯源的
MLVA 和 CRISPR 数据库[6,7]。针对结核分枝杆菌的
分类、群体遗传学和流行病学研究的间区寡核苷酸
分型(Spoligotyping)(SpolDB4)数据库[8]。针对幽门螺
杆菌的genoBASE pylori数据库(包括荧光标记扩增片
段长度多态性,多个ERIC和 REP重复序列的信息)
(http://210.212.212.4/HP/index.html)[9]和针对结核分枝
杆菌多态性的AmpliBASE MT数据库(包含了来自48
个国家细菌的高分辨率的荧光标记扩增片段长度多
态性)[10]。这些数据库可以用于疾病爆发或生物恐
怖袭击时的病原溯源[11]。
随着细菌全基因组序列的累积,单核苷酸多态
性(SNPs)分析已经广泛应用[12],尤其是对那些遗传
单形病原菌(genetically monomorphic pathogens)更为
适用。这类细菌包括炭疽芽孢杆菌、鼠疫耶尔森氏
菌、鼻疽伯克霍尔德氏菌、大肠杆菌O157:H7、结
核分枝杆菌复合物、麻风分枝杆菌、肠炎沙门氏菌
伤寒型、宋内志贺氏菌、肺炎衣原体和梅毒螺旋体
等[12]。通过全基因组测序比较是获得SNPs 的最佳
途径,但是,由于成本问题,我们还可以通过
481第4期 杨瑞馥:致病性细菌微进化的研究进展
dHPLC、质谱分析和热融解曲线分析等技术发掘不
同菌株的SNPs 信息,需要注意的是不同技术发掘
的信息会产生偏差,尤其是用于发掘 SNPs 信息的
菌株的选择对这种偏差影响很大。如果我们用遗传
发育亲缘关系很近的几株细菌发掘的SNPs信息会较
少,且不能反应遗传发育关系较远细菌间的差异。
如果我们用这些信息去分析那些亲缘关系较远的菌
株,就会将菌株间的差异缩小,获得的分析结果就
会存在很大的差异。因此,在选择菌株前,最好
用现有的其他方法初步分析,以使得选择的菌株具
有代表性。
3 重要致病菌的微进化研究
到目前为止,已经报道了很多致病菌微进化的
研究,限于篇幅,这里仅以鼠疫耶尔森氏菌和沙门
氏菌为例进行讨论。
3.1 鼠疫耶尔森氏菌(Yersinia pestis) 鼠疫在历史上
曾经发生过三次大流行,给人类造成了深重的灾
难,导致了罗马帝国的灭亡[13,14]。鼠疫耶尔森氏菌
(以下简称鼠疫菌)是鼠疫的病原菌,属于耶尔森氏
菌属,目前该属包括15个种(www.bacterio.cict.fr/
xz/yersinia.html)。其中,鼠疫菌、小肠结肠炎耶
尔森氏菌和假结核耶尔森氏菌对人类致病,后两者
导致肠道感染,不会造成严重后果;而鼠疫菌导致
全身感染,危害严重。这三种对人致病的耶尔森氏
菌都携带一种编码 I I I 型分泌系统的毒力质粒
pCD1,其编码的毒力因子对细菌感染机体很重要[15]。
鼠疫菌是一种多宿主(涉及200多种动物)和多媒介(涉
及80多种跳蚤)的自然疫原性病原菌[14],在自然疫源
地中通过跳蚤叮咬在宿主中循环,在长期的进化
中,与宿主、媒介、环境达成一种平衡,鼠疫菌
基因组本身也经历了很大的变化,以适应不同疫源
地的生境。在我国,鼠疫主要分布在西北的新疆、
青藏高原,内蒙、甘肃和西南的云南、广西、贵
州等地,疫源地面积占国土面积的 15 % 左右。在
不同疫源地的生境中,鼠疫菌是如何适应这种宿主
间的转换是研究细菌微进化的典型课题,尤其是第
三次世界鼠疫大流行起源于我国云南,第三次大流
行的东方型菌株是如何演化而来的,这是一个科学
界普遍感兴趣的问题。
根据发酵甘油和还原硝酸盐的能力,将鼠疫菌
分为三个生物型,即古典型( 两个生化反应都阳
性)、中世纪型(硝酸盐还原阴性,甘油发酵阳性)
和东方型(硝酸盐还原阳性,甘油发酵阴性),推测
这三种类型的鼠疫菌分别导致了三次世界鼠疫大流
行。最近,我们通过全基因组序列分析和比较基因
组学研究,又提出了一个新的生物型,即田鼠型[15,16],
该型菌株对人不致病,但对小鼠强毒。这种生物分
型只能粗略的描述鼠疫菌间的差异,不能对其进化
历史给以客观的阐述。
最近研究表明,鼠疫菌是在2万年前从假结核
耶尔森氏菌演化而来的[17,18]。这种短暂的进化历史
正好与鼠疫菌表现的表型和遗传多态性不高的表型
一致。那么该菌是如何从一种肠道致病菌演化而来
的呢?这种菌又是如何进化成可以通过跳蚤叮咬传
播的呢?这些问题的回答对认识致病菌的进化具有
重要意义,也吸引了不同领域的科学家利用不同方
法进行了大量研究。上述的各种研究方法,如SNP
分析[17,18]、PFGE[19,20]、MLST[18]、DFR 分析[21]、
MLVA[22-25]、CRISPR[19,26]、RAPD[27,28]、基于PCR
的技术[29], 基于插入序列的分型[30], 基于全基因芯片
的分析[15,31,32]和全基因组测序分析[16,33,34],等等均已
用于鼠疫菌群体遗传学和微进化的研究。
Feil等[18]首先利用MLST技术分析了鼠疫菌和假
结核耶尔森氏菌的5个看家基因片段,由于这些片段
间没有任何差异,获得了鼠疫菌是在1 500-20 000
年间从假结核耶尔森氏菌演化而来的推论。该研究
小组后来又利用三种分型技术(同义SNPs、IS100
和MLVA分析)的结果推测鼠疫菌是在大约6 500年
前演化的[17],并提出了一种鼠疫菌的新的基于同义
S N P s 谱的基因分型策略,即“O R I”、“M E D”、
“A N T ”和“P E ”分别代表东方型、中世纪型、
古典型和非典型的田鼠型鼠疫菌。据此,将鼠疫菌
的演化历史分成三大分枝,1.ORI 代表着第一分枝
的现代鼠疫的演化;2.MED 代表第二分枝中中世纪
菌株的演化;1.ANT 与 2.ANT 分别代表非洲和东亚
分离的古典型鼠疫菌的演化,分别对应着第一和第
二分枝的“祖先”菌株的演化[17] ;分枝 0 包括所
有非典型的鼠疫菌(分别代表了分离自中亚的 0 .
PE1、0.PE2和0.PE3)和我国的田鼠型菌株(0.PE4)。
我们后来建议将这些非典型的鼠疫菌都归类到田鼠
型中[35]。
我们实验室利用全基因组芯片比较基因组学的
研究获得了22 个差异区段,将鼠疫菌分成14 个基
因组型[15],之后,我们又通过消减杂交技术发现了
一个新的差异区段[36],并研究了这23个DFRs在909
株来自我国不同疫源地菌株中的分布规律[21],将我
482 生命科学 第21卷
国的鼠疫菌分成32个基因组型,根据疫源地与宿主
的分布规律,提出了主要基因组型和次要基因组型
的概念,前者与鼠疫菌在自然疫源地中的演化密切
相关。D F R 的分型与 SN P s 的三大枝分型结果吻
合,推测了东方型菌株基于基因水平转移的演化规
律,并发现了我国鼠疫菌的祖先菌株。
CRISPR 分析也已用于鼠疫菌微进化的分析,
并发现类似SNPs分析的两群古典型菌株分别来自亚
洲和非洲[6,7]。我们与法国和俄罗斯科学家合作,利
用该技术分析了来自我国、前苏联地区、蒙古国等
鼠疫菌,根据结果推测了古老鼠疫菌分枝的演化与
扩张的路线[35]。
3.2 沙门氏菌 (Salmonella) 沙门氏菌属是肠杆菌科
的细菌,根据O和H抗原的不同,已经鉴定了2 463
个血清型,过去一直将每个血清型都看作是一个
种,但是,分子生物学鉴定表明,所有沙门氏菌
应该视为一个种,以肠炎沙门氏菌为主,进而分成
6个亚种[37,38]。后来研究表明亚种V应该单独分类成
一个种: 邦戈沙门尔氏菌(S. bongori),2004年,又
鉴定了第三个种——地下沙门氏菌(S. subterranea)[39]。
肠炎沙门氏菌肠炎亚种(亚种I)包含了1 454个血清
型,主要定居于包括人类在内的热血动物中,其他
亚种(II、IIIa、IIIb和IV)以及邦戈沙门尔氏菌主要
定居于冷血动物中。但是,由于沙门氏菌分布广
泛,任何血清型的分离来源可能差异很大。
通过对16S rDNA、看家基因和毒力基因测序
表明,沙门氏菌和大肠杆菌拥有共同的祖先,大约
是在1-1.6亿年前分化的[40],而这种分化恰巧与
沙门氏菌通过基因水平转移获得(至少10个)致病岛
吻合,大约有1 100 个基因存在于沙门氏菌中,而
大肠杆菌中没有;大约800个基因仅存在于大肠杆
菌中,而在沙门氏菌中不存在[41],这反映了这两种
细菌的不同生活史,沙门氏菌在宿主外的环境中生
存时间很短。无论是毒力相关基因和胞内生存能力
的获得,还是沙门氏菌亚种的分化都与其生活环境
和毒力相关基因的获得有关。
伤寒是全球面临的一个重要的公共卫生问题,
每年全球发病1.6亿-3.3亿,死亡50万-60万人
(http://www.who.int/vaccine_research/diseases/diar-
rhoeal/en/index7.html)。大约有6%可成为健康携带
者,而无明显的临床症状。伤寒型肠炎沙门氏菌是
一种适应人类的血清型,除了与另外一种适应人类
的甲型副伤寒有一定亲缘关系外,与其他型别无相近
的关系[12]。Achtman 教授的实验室利用dHPLC 技术
在扩增的200 条基因片段中发现了82 个 SNPs,进
而将55条多态性较高的片段在350株细菌中继续挖
掘SNPs,发现了97个双等位基因多态性和85个单
基因型[42]。根据这些SNPs 的分布,作者发现伤寒
型菌至少有8次全球扩散传播,最近的一次传播是
单基因型H85,该型是南亚的主要型别,最近才播
散到非洲[42]。
沙门氏菌耐药性已经成为全球关注的焦点问题[43],
研究耐药性获得的演化规律对其防治具有重要意
义。由于gyrA基因中两个密码子的6个碱基之一突
变都会导致对萘啶酮酸类抗生素的耐药,而增加了
对氟喹诺酮类抗生素的敏感性,因此,近年临床上
越来越多的用后者治疗沙门氏菌感染性疾病。这种
用药方式会导致耐萘啶酮酸类抗生素的菌株被选择
出来,而导致其扩张。Achtman 教授的实验室的分
析证明,这种耐药株的出现不是由一个或少数几个
克隆扩张所致,而是在抗生素选择压力下,这种耐
药细菌发生了多位点的突变[42]。
4 致病菌微进化研究的意义
致病菌微进化的研究需要综合利用分子遗传
学、微生物学、流行病学、生物信息学和生物技
术发展的成果,旨在阐明致病菌的进化历史,认识
致病菌是如何从非致病菌演化而来的,对疫苗和诊
断靶标的筛选具有指导作用,对疾病的预防控制具
有重要意义。这对一个特定的传染病爆发,有利于
溯源致病菌,指导疾病的控制与预防。尤其是在生
物恐怖袭击的情况下,充分利用在微进化研究基础
上发展起来的微生物法医学技术溯源,为危害的控
制和惩治罪犯提供不可或缺的证据。对目前抗生素
抗性的进化研究,有利于针对抗性机制提出全面的
防控策略,这对公共卫生事业的发展具有积极的作
用。
研究致病菌微进化的同时还可以促进基础研究
的进步,如果研究清楚了致病菌进化过程中各种致
病相关基因获得的规律,我们就可以针对这些基因
开展功能的研究,为疫苗和药物靶标的筛选奠定基
础。同时,致病菌微进化的研究可以极大的丰富现
代进化理论,而且还会对传统的进化模型进行验
证。例如,基因突变率,尤其是自然突变率问题
是一个进化研究中必须面对的问题,这涉及到进化
时钟的确定。细菌基因组比起真核生物小的多,而
且目前基因组测序技术的发展也为大规模测定细菌
483第4期 杨瑞馥:致病性细菌微进化的研究进展
基因组奠定了基础。
5 展望
如上所述,致病菌微进化的研究不仅加强了相
关的基础研究,而且具有疾病防控与病原溯源的现
实意义。谈到进化,我们首先想到进化的时间问
题,遗憾的是,到目前为止还没有一个可靠的进化
时钟用于分析致病菌的进化年代。目前所用的推测
时钟误差很大,我们需要利用现代分析技术验证这
些推测时钟的可靠性。
随着低成本测序技术的发展,大量测定某种细
菌全基因组序列的时代已经到来,我们期待着对某
种细菌测定100-200代表株或更多菌株的全基因组
序列,这样可以精确分析全基因组水平的 SNPs 差
异,各种基因变异规律的分布及其突变率,为过去
依赖于少量菌株和有限差异位点分析所推测的结论
提供可靠的验证数据,还可以计算出各差异的选择
压力,全面认识细菌基因组水平上的微进化。
在获得可靠遗传变异及其在细菌种群中的分
布,我们接下来就要将这些基因型与表型、地理信
息、宿主信息、媒介信息、环境信息等关联,从
理论上完善对病原菌的生态学、流行病学和致病机
制等认识。这是我们在将来3 -5 年内所乐见的进
展。
从实用的角度而言,我们对获得的大量遗传变
异信息需要建立一个国际标准的数据库及其检索查
询系统,这需要国际国内同行的精诚协作,为传染
病的溯源奠定基础,也为生物恐怖袭击条件下生物
恐怖剂的溯源提供技术支持。但是,这个愿景受到
当前各国生物安全法律法规的限制,不同实验室间
菌株及其DNA 的交换难以实现,需要政府间官方和
国内高层的协调才能实现。溯源需要大量遗传标志
的同时分析,针对日常流行病学调查等的需求,我
们需要从这些大量的标志中筛选出代表性强、分辨
率高的位点,建立简便实用的,甚至是现场操作的
新型检测和分型技术。
[参 考 文 献]
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