江文俊,姜福全,崔 彥*
(1.安徽醫(yī)科大學(xué) 解放軍第306臨床學(xué)院 普通外科,北京 100101;2.解放軍第306醫(yī)院 普通外科,北京 100101)
短篇綜述
白色念珠菌生物學(xué)特性研究進展
江文俊1,姜福全2,崔 彥2*
(1.安徽醫(yī)科大學(xué) 解放軍第306臨床學(xué)院 普通外科,北京 100101;2.解放軍第306醫(yī)院 普通外科,北京 100101)
白色念珠菌的毒力因素主要表現(xiàn)為對宿主細胞及組織的黏附性、菌絲的形成及分泌水解酶等三個方面。白色念珠菌的耐藥機制和對周圍環(huán)境的應(yīng)激適應(yīng)受多因素和多水平的調(diào)控,對白色念珠菌感染、耐藥及應(yīng)激過程中的機制尚需進一步探討。
白色念珠菌;基本結(jié)構(gòu);基因分型;致?。荒退?;應(yīng)激
白色念珠菌(Candidaalbicans)是一種寄生在人體皮膚黏膜的正常真菌,也是臨床上重要的條件致病性菌。病原體的致病性主要取決于病原體的數(shù)量、毒力、入侵途徑以及機體的抵抗能力、適應(yīng)性等。白色念珠菌可引起皮膚、黏膜及內(nèi)臟的念珠菌病,從而導(dǎo)致機體淺表或深部的白色念珠菌病乃至菌血癥。隨著抗真菌藥物的廣泛使用,隨之而來的耐藥菌種的大量增加,進而使白色念珠菌病的發(fā)病率不斷上升,并已成為目前臨床上面臨的焦點問題[1-2]。本文著重從白色念珠菌的基本結(jié)構(gòu)、基因分型、致病機制、對唑類藥物的耐藥機制及特殊環(huán)境對白色念珠菌影響等方面的研究進展作一綜述。
白色念珠菌是2倍體,以3種形態(tài)并存,分別為酵母(yeast)、假菌絲(pseudohyphae)和菌絲(hyphae)。該菌正常情況下呈圓形或卵圓形,直徑3~6 μm,與機體處于共生狀態(tài),不引起疾病。機體內(nèi)的這種平衡狀態(tài)一旦被某些因素所破壞,白色念珠菌便出芽生成假菌絲,酵母相轉(zhuǎn)變成菌絲相,大量繁殖,導(dǎo)致皮膚、黏膜以及全身性的真菌病[3-4]。研究證實,白色念珠菌在25S rDNA編碼區(qū)內(nèi)具有一可轉(zhuǎn)座Ⅰ型內(nèi)含子,內(nèi)含子中至少含有252 bp、341 bp與379 bp 3個插入片段。設(shè)計特異性引物進行PCR擴增,并按照電泳圖譜進行分型,包括A型(450 bp)、B型(840 bp)、C型(450 bp與840 bp)和D型(1080 bp)以及E型(1400 bp)。A型不具有該內(nèi)含子,B型與C型均具有379 bp,A型與B型之間的有性繁殖導(dǎo)致C型的產(chǎn)生,D型具有379 bp和252 bp兩類轉(zhuǎn)座子,E型具有3個插入片段,分別為379 bp、252 bp和341 bp[4-5]。白色念珠菌的基本結(jié)構(gòu)和基因分型雖已基本明確,但隨著分子生物學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和研究的不斷深入,有關(guān)白色念珠菌基本結(jié)構(gòu)和基因分型方面必然將不斷出現(xiàn)新認識、新觀點。
目前認為白色念珠菌的毒力因素主要表現(xiàn)為3個方面:對宿主細胞及組織的黏附性、菌絲的形成及分泌水解酶。
2.1 黏附
黏附于宿主細胞表面是白色念珠菌致病過程中的首要步驟。白色念珠菌的細胞壁在細胞的黏附性、免疫修飾以及克隆的形成方面都發(fā)揮著重要作用。黏附作用主要是通過菌體表面的糖蛋白類物質(zhì)與宿主細胞的糖蛋白受體相結(jié)合來完成,黏附物質(zhì)包括甘露聚糖-蛋白質(zhì)復(fù)合物(M-P)、甘露聚糖(Mn)、幾丁質(zhì)和黏附素等。白色念珠菌的黏附性包括酵母相與菌絲相的黏附,菌絲相是一種致病相,其黏附能力更強于酵母相[1,5]。
ALS基因家族是控制生物膜黏附的主要基因家族。白色念珠菌ALS基因家族包含ALS1-7及ALS9等8個成員。它們在不同條件下具有黏附作用,而且只在中期被膜中高度表達。ALS3蛋白能夠調(diào)節(jié)白色念珠菌對不同宿主基質(zhì)的黏附性。在體外條件下,真菌ALS3基因缺失會導(dǎo)致其對人類重組細胞的黏附力幾乎喪失,無法生成結(jié)構(gòu)完整的被膜。但在體內(nèi)條件下,ALS3基因缺失幾乎不影響其形成被膜的能力;或許,在體內(nèi)條件下,其他黏附相關(guān)基因高度表達彌補了ALS3基因的功能。無論在體外還是體內(nèi),HWP1基因?qū)ι锬さ男纬梢嗥鹬匾饔?。其上游BCR1基因控制HWP1、ALS1以及ALS3等基因的表達。HWP1基因的過度表達可以彌補bcr1/bcr1突變株所造成的生物膜缺陷[5-6]。
2.2 表型轉(zhuǎn)換
白色念珠菌由酵母相到菌絲相的轉(zhuǎn)變受到胞內(nèi)外各種信號因子的調(diào)節(jié)。調(diào)控表型轉(zhuǎn)換的兩條主要信號傳導(dǎo)途徑分別為CAMP途徑和有絲分裂原活化蛋白激酶(MAPK)途徑。孢子相真菌在環(huán)境中能夠更有利的找尋新宿主并進行播散,相比之下,菌絲相則擁有更強的黏附性和入侵能力,其蛋白酶活性高,組織損傷性強。白色念珠菌侵入組織與菌絲分泌的細菌酶(可降解脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和其他細胞成分)密切相關(guān)。另外,不斷生成的菌絲增加了白色念珠菌抵抗吞噬細胞的能力,其可通過破壞巨噬細胞而將其殺死。因此,菌絲的生成是白色念珠菌感染發(fā)病的重要步驟[1,4]。
白色念珠菌生成菌絲體的相關(guān)基因有ALS1、ECE1、HYP1、HWP、PLC1等,ALS4基因與ALS9基因在白色念珠菌的菌相轉(zhuǎn)換與體外生物膜生成中同樣發(fā)揮了重要作用[5]。其他一些基因亦涉及菌絲形成的正或負向調(diào)節(jié),這些基因的缺失株在特定培養(yǎng)基上促進或抑制菌落的絲狀形成,如EFG1、TEC1與CPH1基因?qū)z的生長起正調(diào)控作用,其基因缺失菌株不能夠形成菌絲[7]。TUP1、RFG1和NRG1編碼阻遏蛋白,作用于形態(tài)轉(zhuǎn)換相關(guān)基因,抑制菌絲的生成。BCR1p的靶基因包括ALS1、ALS3、HWP1和Hyr1等,BCR1基因缺失菌可以形成正常的菌絲,但是其形成的被膜厚度只占正常菌株的1/20[8]。此外,一些群體感應(yīng)信號分子也在一定程度上影響著白色念珠菌形態(tài)發(fā)生變化,包括白色念珠菌分泌的法呢醇和酪醇,前者通過抑制Ras1-腺苷酸環(huán)化酶-蛋白激酶A信號通路進而抑制菌絲生長,并影響應(yīng)激反應(yīng)與新陳代謝以及耐藥性等細胞過程,后者能夠促進芽管的生成,與法呢醇在調(diào)節(jié)白色念珠菌形態(tài)方面的作用相反,其他如亞油酸的一種代謝產(chǎn)物3(R)-HTDE也參與群體感應(yīng),通過改變菌絲形成相關(guān)基因的表達而影響白色念珠菌的形態(tài)發(fā)生變化[9]。
2.3 分泌水解酶
白色念珠菌可產(chǎn)生3種最有意義的水解酶,包括分泌型天冬氨酸蛋白酶(Sap)、磷脂酶和脂肪酶,其中Sap在白念珠菌的致病過程中起了極其重要的作用。Sap結(jié)構(gòu)是一條41.5 ku的多肽,N-和C-末端殘基分別是色氨酸與亮氨酸。目前研究認為,Sap是由一個包括10個基因成員的多基因家族編碼的,這10個基因可分為6個家族:Sap1-3,Sap4-6,Sap7,Sap8,Sap9和Sap10。Sap酶學(xué)活性具有pH依賴性,Sap1-3、Sap4-6、Sap7與Sap8的最適宜pH值依次為3~5、5~7、6.5和2.5[1,10]。
Sap與白色念珠菌的黏附、免疫逃逸以及組織損傷等都存在直接聯(lián)系。Sap的蛋白水解酶活性較高,可以水解多種宿主底物。SAP對淋巴細胞和中性粒細胞均有趨化作用,并且能夠降解IgA1、IgA2和sIgA,從而使機體的免疫功能受到抑制。Sap9與初期的保護性天然免疫有關(guān),Sap9的滅活可促使PMN反應(yīng)氧中介物(reactive oxygen intermediate,ROI)減少,從而使細胞凋亡減少,而且Sap9還與中性粒細胞對白色念珠菌的識別和殺滅相關(guān)。組織損傷方面,白色念珠菌感染可誘導(dǎo)生成大量的細胞因子、粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子α-TNF等,這些細胞因子能夠引起組織損傷[1,3]。
Sap的菌相表達類型不盡相同。首先,Sap在酵母相和菌絲相間存在差異性表達。Sap1-3主要是在酵母相與白-灰表型轉(zhuǎn)換期間表達,Sap4-6主要在酵母相向菌絲相轉(zhuǎn)變時表達,而Sap7的表達與白色念珠菌的毒力無關(guān)。Sap9參與白念珠菌芽管的生成,促使中性粒細胞趨化到菌絲。再者,Sap在不同的解剖部位存在差異性表達。Sap2與Sap5分別在攜帶期和感染期中最常見。Sap1、Sap3、Sap4、Sap7以及Sap8表達與白色念珠菌口腔感染有關(guān),而Sap1、Sap3以及Sap6-8表達與白色念珠菌陰道感染有關(guān),并且Sap1、Sap3和Sap8在陰道中的白色念珠菌感染比在口腔中的白色念珠菌感染表達更加活躍。Sap9與Sap10在白色念珠菌感染患者和攜帶者中都存在高表達,表明這2個基因一般存在于共生和感染過程中[10-11]。
顯然,白色念珠菌對宿主細胞及組織的黏附性、菌絲的形成及分泌水解酶是其主要毒力因素,但具體過程及機制尚有待深入研究,已有的部分研究結(jié)果不盡一致,亦需進一步闡明。
白色念珠菌具有非常復(fù)雜的耐藥機制,包含多因素、多水平的控制和調(diào)節(jié)。主要包括3個方面:麥角甾醇合成通路中關(guān)鍵靶酶的改變、編碼藥物外排泵的基因表達增加以及生物被膜的形成。
3.1 麥角甾醇合成通路中關(guān)鍵靶酶的改變
ERG11基因編碼14-DM位點突變或者表達增加直接引發(fā)唑類藥物和關(guān)鍵靶酶的親和力下降,導(dǎo)致白色念珠菌耐藥性的產(chǎn)生。研究表明,臨床菌株對唑類藥物的耐受還與轉(zhuǎn)錄因子Upc2p的A643V氨基酸置換有關(guān)[12]。通過檢測白色念珠菌ERG11基因的突變位點,篩選到G464S、G307S、G448E、G450V、K143R、S405F、Y123H和R467K氨基酸位點置換促使白色念珠菌對氟康唑敏感度下降。G227D和F145I、F72S氨基酸位點置換與白色念珠菌對唑類藥物的耐藥高度相關(guān)[13-14]。
3.2 編碼藥物外排泵的基因表達增加
研究發(fā)現(xiàn),易化載體超家族蛋白(major facilitator superfamily, MFS)和含ATP結(jié)合區(qū)的轉(zhuǎn)運蛋白(ATP-binding cassette transporters, ABCT)與白色念珠菌的多藥耐藥(multidrug resistance, MDR)密切相關(guān)。白色念珠菌MDR1受到外排泵調(diào)節(jié)因子1(regulator of effluxpump1, REP1)的負性調(diào)節(jié)作用。ABC轉(zhuǎn)運蛋白的數(shù)量多達20余種,其中CDRl、CDR2表達增加導(dǎo)致白色念珠菌對唑類的耐藥,CDR1在耐藥性上發(fā)揮的作用遠比CDR2重要。TAC1點突變和CDRl、CDR2的持續(xù)性高表達相關(guān),A736V、T225A、N977D、G980E和N972D等氨基酸置換均可能引起CDR1和CDR2的高表達,從而導(dǎo)致耐藥性的產(chǎn)生[15]。
3.3 生物被膜的形成
白色念株菌、光滑念珠菌、近平滑念珠菌和熱帶念珠菌均可在機體內(nèi)形成生物被膜,這是該類菌產(chǎn)生耐藥性的重要機制之一。生物膜的生成及其特性與氧化應(yīng)激防御蛋白(硫氧還蛋白、烷基過氧化氫還原酶以及其過氧化物酶等)上調(diào)、神經(jīng)鈣蛋白信號通路改變以及部分轉(zhuǎn)錄因子異常表達有著密切聯(lián)系。白色念株菌一旦生成生物被膜,即對抗真菌藥和機體防御機能產(chǎn)生很強的抵抗力,病菌的黏附性和侵襲性增強,頑固而難以清除,成為造成患者死亡的主要原因之一[1,16]。研究證實,白色念株菌的生物膜相比懸浮相對抗真菌藥的耐藥性要高1 000多倍。目前認為,生物被膜耐藥機制主要包括以下幾個方面:1)細胞外基質(zhì)阻礙了藥物的滲入;2)生物被膜內(nèi)細胞質(zhì)膜脂質(zhì)成分影響藥物代謝;3)生物被膜內(nèi)細胞生長活性下降;4)生物被膜中耐藥相關(guān)基因表達;5)對抗機體的免疫防御因素和微環(huán)境發(fā)生一系列變化[16-17]。
實際上,白色念珠菌的耐藥機制與其致病機制密切關(guān)聯(lián),是一個問題的兩個方面。從白色念珠菌的菌絲生長和生物膜形成等生物過程暨致病機制入手,闡明其耐藥機制,進而規(guī)避耐藥性的產(chǎn)生和研發(fā)有效新藥是目前面臨的主要研究任務(wù)。
白色念珠菌是人體內(nèi)的一種條件致病菌,它可以適應(yīng)各種不同的應(yīng)激環(huán)境,包括離子壓力、紫外線、微波、溫度、氧濃度、滲透壓、pH值、氧化應(yīng)激損傷及抗真菌藥物治療等,機體本身包括飲食刺激、睡眠不足和勞累等因素也常為其應(yīng)激條件[18]。白色念珠菌擁有多條平行的對特殊環(huán)境的應(yīng)激通路,最重要者屬MAPK信號傳導(dǎo)通路,其中包括HOG通路、Cek1調(diào)節(jié)通路和Mkc1調(diào)節(jié)通路。HOG通路是滲透壓改變和氧化應(yīng)激等情況下的主要應(yīng)激反應(yīng)通路,同時參與對其他信號傳導(dǎo)通路的調(diào)節(jié);Cek1通過增值和菌絲生長參與菌壁的形成;Mkc1調(diào)節(jié)通路參與菌壁的完整性。氧化應(yīng)激是任何菌種寄宿過程中都要面對的情況,白色念珠菌自然不會例外。研究發(fā)現(xiàn),氧化應(yīng)激過程中,HOG通路和Mkc1調(diào)節(jié)通路被激活,而Cek1調(diào)節(jié)通路則呈失活狀態(tài)。白色念珠菌的其他應(yīng)激反應(yīng)機制尚包括脂質(zhì)信號、Hsp和Cap1p(Candida AP-1 protein)等眾多通道網(wǎng)絡(luò)[19-21]。盡管特殊環(huán)境下的應(yīng)激因子、時相、動態(tài)過程和功能應(yīng)答各不相同,但對白色念珠菌的致病性及耐藥性均造成重要影響[21-22]。
微重力環(huán)境也是一種特殊的應(yīng)激狀態(tài)。人體內(nèi)部及環(huán)境中微生態(tài)的紊亂是航天飛行影響機體的最重要環(huán)節(jié)之一。研究證實,失重等太空飛行因素導(dǎo)致人體微生物菌落抑制、防衛(wèi)菌種減少、菌群移位、菌種變異和條件致病菌種出現(xiàn)等,而且變異和條件致病菌種可以自動聚集,不斷克隆,長時間存在,某些微生物在失重環(huán)境下會表現(xiàn)出對抗生素的抵抗力增強的現(xiàn)象[23]。有學(xué)者用回轉(zhuǎn)器處理白色念珠菌SC5314,結(jié)果發(fā)現(xiàn)回旋器模擬微重力顯著增加白色念珠菌的致病性,認為其可能是失重激活Gβ-Gα-AC-cAMP信號傳導(dǎo)途徑所致[24]。相關(guān)研究還證實,白色念珠菌處于回旋模擬微重力環(huán)境中更有利于其菌絲、菌膜的形成,促進了菌相間的轉(zhuǎn)換以及耐藥性的加強,并伴有表性基因表達的變化[25]。
白色念珠菌的致病性、耐藥性以及應(yīng)激性機制都極其復(fù)雜,雖然近些年加強了基因克隆技術(shù)的應(yīng)用與分子生物學(xué)的研究,但對白色念珠菌感染、耐藥、應(yīng)激過程中機制的了解還遠遠不夠。目前,白色念珠菌感染率和對唑類藥物耐藥性逐年增加,而新型藥物的研發(fā)較為遲緩。因此,亟需對其各方面機制進行深入研究,為白色念珠菌病的預(yù)防、早期診斷以及有效治療奠定理論基礎(chǔ)。
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Research progress in biological characteristics ofCandidaalbicans
JIANG Wen-jun1, JIANG Fu-quan2, CUI Yan2*
(1.Dept. of General Surgery, the 306 Clinical Hospital of Anhui Medical University, Beijing 100101; 2.Dept. of General Surgery, the 306 Hospital of PLA, Beijing 100101, China)
With the increased application of broad-spectrum antibiotics, immunosuppression, and cytotoxic therapies,Candidaalbicans, as a conditioned pathogen, has become one of the common nosocomial infection pathogen. Recent studies showed that the pathogenicity ofCandidaalbicansdepends upon hypothetical virulence factors including the adhesion to host cells, transition from yeast to mycelium, and production of secreted hydrolytic enzymes. The impacts on the evolution of drug resistance and adaptation to environmental stress rely on multiple machanisms and remain largely unexplored. Therefore, to understand the basic structure, genotype, pathogenesis, drug resistance ofCandidaalbicansand the influence of environmental stress onCandidaalbicanshas great clinical significance for disease diagnosis, treatment and prevention.
Candidaalbicans; basic structure; genotype; pathopoiesia; resistance; stress
2013-06-17
2013-10-09
全軍醫(yī)學(xué)科研“十二五”重點項目(BWS11J051)
*通信作者(correspondingauthor): dryancui@aliyun.com
1001-6325(2014)04-0550-05
R 756
A