軍團(tuán)菌毒力因子致病作用的研究進(jìn)展

朱 俊 盛躍穎 陳 敏

軍團(tuán)菌是由于導(dǎo)致1976年美國費(fèi)城退伍軍人集會(huì)時(shí)呼吸道疾病爆發(fā)流行而被正式命名的細(xì)菌。該屬細(xì)菌是一類普遍存在于天然淡水、人工水域和土壤環(huán)境中的兼性胞內(nèi)寄生菌,可在藻類、原生動(dòng)物(阿米巴)內(nèi)寄居。目前已知的軍團(tuán)菌有48種,70個(gè)血清型,其中能引起人類疾病的約有20種,常見的有嗜肺軍團(tuán)菌、麥?zhǔn)宪妶F(tuán)菌、長灘軍團(tuán)菌等。軍團(tuán)菌感染可引起嚴(yán)重的多臟器損傷性肺炎(Legionnaires disease,軍團(tuán)病)或急性發(fā)熱非肺炎型疾病(Pontiac fever,龐蒂亞克熱)。由于所有軍團(tuán)菌都能在宿主細(xì)胞內(nèi)生長,所以在適當(dāng)?shù)臈l件下,幾乎所有軍團(tuán)菌都有對(duì)人致病的潛在危險(xiǎn)性。近年來,針對(duì)軍團(tuán)菌致病分子機(jī)制方面的研究取得了較大進(jìn)展,本文就軍團(tuán)菌的主要毒力因子及其致病機(jī)理簡要概述如下。

1 致病機(jī)制

軍團(tuán)菌的致病性與其能侵入靶細(xì)胞并在細(xì)胞內(nèi)生存繁殖密切有關(guān)。當(dāng)人吸入直徑小于5 μm的顆粒,細(xì)菌可直接進(jìn)入人呼吸系統(tǒng)的細(xì)支氣管和肺泡,通過其外膜孔蛋白、菌毛等菌體表面結(jié)構(gòu)成功粘附于靶細(xì)胞(巨噬細(xì)胞、單核細(xì)胞及肺泡上皮細(xì)胞等),并誘導(dǎo)靶細(xì)胞的吞噬作用。

在進(jìn)入靶細(xì)胞后,軍團(tuán)菌通過各種毒力因子的介導(dǎo)作用,干擾吞噬體的磷脂雙層結(jié)構(gòu),阻止吞噬體與溶酶體的融合,在靶細(xì)胞中存活并繁殖。另一方面,軍團(tuán)菌在胞內(nèi)生長繁殖時(shí)可產(chǎn)生和釋放各種毒素和酶,逃避吞噬細(xì)胞的殺傷,并引起肺組織的損傷。如其分泌的磷酸酶可抑制激活的吞噬細(xì)胞產(chǎn)生超氧陰離子,并影響細(xì)胞內(nèi)第二信使的形成,從而抑制吞噬細(xì)胞的活化;蛋白激酶能催化靶細(xì)胞的磷酯酰肌醇和微管蛋白的磷酸化作用進(jìn)而影響吞噬細(xì)胞活化和殺菌功能;蛋白酶能滅活白細(xì)胞介素-2和裂解T細(xì)胞表面CD4,從而干擾T細(xì)胞活化及其免疫功能。

此外,吞噬細(xì)胞在吞噬軍團(tuán)菌時(shí)的胞吐作用及細(xì)胞的裂解可使其內(nèi)的一些酶類物質(zhì)和氧化代謝產(chǎn)物釋出細(xì)胞外,引起組織的廣泛損傷。肺部感染后軍團(tuán)菌合成的毒素、酶可經(jīng)支氣管、淋巴管及血行逆行播散到其他部位,而造成肺外多系統(tǒng)的損傷。

2 主要毒力因子及其功能

軍團(tuán)菌的整個(gè)致病過程是其基因組上各個(gè)毒力基因及其表達(dá)產(chǎn)物共同作用的結(jié)果,不同軍團(tuán)菌的致病力強(qiáng)弱與其所帶毒力因子不同有關(guān)。因此這些毒力因子成為了近年來的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

2.1 菌體表面結(jié)構(gòu)及其功能

軍團(tuán)菌侵入細(xì)胞并復(fù)制的首要條件是粘附于靶細(xì)胞,該過程涉及細(xì)菌的多種表面結(jié)構(gòu),如外膜蛋白、菌毛和鞭毛等。根據(jù)粘附機(jī)制的不同分為補(bǔ)體依賴性粘附和非補(bǔ)體依賴性粘附。

補(bǔ)體依賴性粘附過程是通過補(bǔ)體系統(tǒng)的C3,C3bi先與菌細(xì)胞主要外膜蛋白(major outer membrane protein ,MOMP)發(fā)生選擇性組配后,再與靶細(xì)胞表面的CR1和CR3受體結(jié)合。由基因Omp28編碼的主要外膜蛋白是軍團(tuán)菌屬中嗜肺軍團(tuán)菌所特有的蛋白,目前對(duì)其他致病性軍團(tuán)菌是否也有相應(yīng)膜蛋白通過該機(jī)制粘附靶細(xì)胞尚無研究報(bào)道。非補(bǔ)體依賴性粘附機(jī)制是直接通過菌體表面蛋白、菌毛及鞭毛等與靶細(xì)胞發(fā)生作用。由基因mip編碼的巨噬細(xì)胞感染增強(qiáng)蛋白(macrophage infectivity protentiator, mip)是具有丙基脯氨酸異構(gòu)酶活性的表膜蛋白,可促進(jìn)菌體對(duì)于巨噬細(xì)胞等真核細(xì)胞的粘附;由htpB基因編碼的熱休克蛋白(heat shock protein,Hsp60)能增強(qiáng)菌體粘附于上皮細(xì)胞并誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞細(xì)胞因子的表達(dá);由pilB,pilC和pilD基因編碼的IV型菌毛與該菌粘附哺乳動(dòng)物或原生動(dòng)物細(xì)胞感染有關(guān);由flaA基因編碼的鞭毛蛋白,也與軍團(tuán)菌能感染靶細(xì)胞的過程相關(guān)。Heuner等的研究表明,無鞭毛的嗜肺軍團(tuán)菌基本上不能感染巨噬細(xì)胞和阿米巴。

2.2 分泌系統(tǒng)及其功能

軍團(tuán)菌在細(xì)菌培養(yǎng)基中或細(xì)胞內(nèi)生長時(shí),可通過其分泌系統(tǒng)分泌各種活性物質(zhì),如降解酶,假定的毒素等。與該菌致病性有關(guān)的主要是Ⅳ型和Ⅱ型分泌系統(tǒng),細(xì)菌通過該系統(tǒng)可將自身合成的蛋白質(zhì)等物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到菌體外或直接作用于靶細(xì)胞。

目前對(duì)嗜肺軍團(tuán)菌的Ⅳ型分泌系統(tǒng)研究得較為深入。Ⅳ型分泌系統(tǒng)分為ⅣA型(lvh)和ⅣB型(icm/Dot) 兩個(gè)分泌系統(tǒng)。編碼ⅣA型系統(tǒng)的基因座包括11個(gè)基因,是嗜肺軍團(tuán)菌在巨噬細(xì)胞和阿米巴中生長所必需的,也與細(xì)菌在低溫(30℃)感染宿主細(xì)胞有關(guān)。Samrakandi等通過PCR方法比較了嗜肺軍團(tuán)菌的臨床分離株和環(huán)境分離株中該族基因的分布情況,結(jié)果顯示該族基因只出現(xiàn)于部分臨床分離株中,提示該分泌系統(tǒng)可能與致病性有關(guān)。

編碼ⅣB型分泌系統(tǒng)的基因座位于細(xì)菌染色體上2個(gè)獨(dú)立位點(diǎn),2個(gè)位點(diǎn)分別包括了7個(gè)基因(icmV, icmW ,icmX, dotA, dotB, dotC, dotD)和18個(gè)icm同源基因。序列分析表明所有已完成測(cè)序的嗜肺軍團(tuán)菌基因組中都包含該基因座,且序列高度保守。 Icm/Dot分泌系統(tǒng)是引起軍團(tuán)菌的重要致病因子,其能阻止巨噬細(xì)胞中吞噬體和溶酶體的融合,使菌體逃避溶菌作用,在細(xì)胞中存活。也有研究表明該系統(tǒng)還能誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡,直接導(dǎo)致靶細(xì)胞死亡。

Ⅱ型(lsp)分泌系統(tǒng)由5個(gè)基因(lspFGHIJK, lspDE, lspC, lspL, lspM)編碼。其主要功能是分泌多種降解酶,如酸性磷酸酶,RNA酶等。Rossier等的研究表明,該分泌系統(tǒng)與嗜肺軍團(tuán)菌在哺乳動(dòng)物肺中存活和繁殖有關(guān)。

對(duì)嗜肺軍團(tuán)菌不同菌株的基因分析提示,該菌擁有其他分泌系統(tǒng),如Sec系統(tǒng)(general secretory pathway,通用分泌通路)、Tat系統(tǒng)(twin arginine translocation pathway,雙精氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)通路)等。對(duì)Tat分泌系統(tǒng)的進(jìn)一步研究表明其與生物膜的形成及菌體能在低鐵條件下生長有關(guān)。

2.3 其他毒力因子及其功能

軍團(tuán)菌的致病過程與其眾多毒力因子的共同介導(dǎo)作用是密切相關(guān)的。如軍團(tuán)菌對(duì)鐵的獲取能力,對(duì)細(xì)菌的胞內(nèi)和胞外繁殖起了關(guān)鍵性作用。近年研究表明,嗜肺軍團(tuán)菌基因組上的iraAB基因座及ccmC基因與細(xì)菌對(duì)鐵的獲取功能和細(xì)菌毒力有關(guān)。其中iraA基因座編碼的甲基轉(zhuǎn)移酶是細(xì)菌胞內(nèi)感染所必需的;iraB基因座編碼的假設(shè)鐵-肽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可促進(jìn)菌體對(duì)高價(jià)鐵的攝取;ヽcmC基因編碼的內(nèi)膜色素發(fā)生系統(tǒng)也參與了細(xì)菌胞內(nèi)感染和鐵的利用。

其他毒力因子,如作為嗜肺軍團(tuán)菌特有的lvgA毒力島及其編碼的蛋白產(chǎn)物,與細(xì)菌胞內(nèi)和胞外耐受機(jī)制有關(guān),但具體功能尚不清楚。relA, rpoS等調(diào)控基因及其產(chǎn)物,與菌體在靶細(xì)胞內(nèi)繁殖等有關(guān)。

作為一種胞內(nèi)寄生病原體,軍團(tuán)菌的致病過程涉及到粘附與侵入宿主細(xì)胞、胞內(nèi)存活與繁殖,釋放各種活性物質(zhì)及逸出宿主細(xì)胞等一系列復(fù)雜的過程。近年來對(duì)于軍團(tuán)菌的毒力因子及致病機(jī)制的研究取得了很大進(jìn)展,為軍團(tuán)病的診斷和防治提供了理論基礎(chǔ)。

3 參考文獻(xiàn)

[1]Fields BS, Benson RF, Besser RE. Legionella and Legionnaires' Disease: 25 Years of Investigation. Clin Microbiol, 2002, 15(3):506-526.

[2]Cianciotto NP. Pathogenicity of Legionella pneumophila. Int J Med Microbiol, 2001,291(5):331.

[3]Hoffman PS, Ripley M, Weeratna R. Cloning and nucleotide sequence of a gene (ompS) encoding the major outer membrane protein of Legionella pneumophila J Bacteriol, 1992, 174(3):914-920.

[4]Bellinger-Kawahara C, Horwitz MA. Complement component C3 fixes selectively to the major outer membrane protein (MOMP) of Legionella pneumophila and mediates phagocytosis of liposome-MOMP complexes by human monocytes. J Exp Med, 1990, 172(4):1201-1210.

[5]Fischer G, Bang H, Ludwig B, et al. Mip protein of Legionella pneumophila exhibits peptidyl-prolyl-cis/trans isomerase (PPlase) activity. Mol Microbiol, 1992, 6(10):1375-1383.

[6]Helbig JH, K塶ig B, Knospe H, et al. The PPIase active site of Legionella pneumophila Mip protein is involved in the infection of eukaryotic host cells. Biol Chem, 2003, 384(1):125-137.

[7]Gardu媜 RA, Gardu媜 E, Hoffman PS. Surface-associated hsp60 chaperonin of Legionella pneumophila mediates invasion in a HeLa cell model. Infect Immun, 1998, 66(10):4602-4610.

[8]Swanson MS, Hammer BK. Legionella pneumophila pathogesesis: a fateful journey from amoebae to macrophages. Annu Rev Microbiol, 2000, 54:567-613.

[9]Stone BJ, Abu Kwaik Y. Expression of multiple pili by Legionella pneumophila: identification and characterization of a type IV pilin gene and its role in adherence to mammalian and protozoan cells. Infect Immun, 1998, 66(4):1768-1775.

[10]Heuner K, Steinert M. The flagellum of Legionella pneumophila and its link to the

expression of the virulent phenotype. Int J Med Microbiol, 2003, 293:133-143.

[11]Gerlach R G,Hensel M. Protein secretion systems and adhesions: the molecular armory of Gram-negative pathogens. Int J Med Microbiol,2007, 297:401-415.

[12]Ridenour DA, Cirillo SL, Feng S, et al. Identification of a gene that affects the efficiency of host cell infection by Legionella pneumophila in a temperature-dependent fashion. Infect

Immun, 2003, 71(11):6256-6263.

[13]Samrakandi MM, Cirillo SL, Ridenour DA, et al. Genetic and phenotypic between Legionella pneumophila strains. J Clin Microbiol, 2002, 40:1352-1362.

[14]Molmeret M, Santic M, Asare R, et al. Rapid escape of the dot/icm mutants of Legionella

pneumophila into the cytosol of mammalian and protozoan cells. Infect Immun,2007,75(7):3290-3304.

[15]Rossier O, Starkenburg SR, Cianciotto NP. Legionella pneumophila type Ⅱ protein secretion promotes virulence in the A/J mouse model of Legionnaires'disease pneumonia. Infect Immun,2004, 72(1):310-321.

[16]Viswanathan VK, Edelstein PH, Pope CD, et al. The Legionella pneumophila iraAB locus is required for iron assimilation, intracellular infection, and virulence. Infect Immun,2000, 68(3):1069-1079.

[17]Viswanathan VK, Kurtz S, Pedersen LL, et al. The cytochrome c maturation locus of Legionella pneumophila promotes iron assimilation and intracellular infection and contains a strain-specific insertion sequence element. Infect Immun, 2002, 70(4):1842-1852.

[18]Edelstein PH, Hu BF, Higa F,et al. Ivg A, a novel legionella pneumophila virulence factor.

Infect Immun, 2003, 71(5):2394-2403.

[19]Zusman T, Gal-Mor O, Segal G, et al. Characterization of a Legionella pneumophila relA insertion mutant and toles of RelA and RpoS in virulence gene expression. J Bacteriol, 2002, 184(1):67-75.

(收稿日期:2009-04-20)