IF=14.4丨源井基因编辑细菌助力鼠伤寒沙门氏菌变异体的鉴定与表征

IF=14.4丨源井助力鼠伤寒沙门氏菌变异体的鉴定与表征

沙门氏菌是全球常见的肠道病原体，其中鼠伤寒沙门氏菌（S. Typhimurium）是导致人类沙门氏菌病的主要原因之一。近年来，该菌出现了多种优势变种，对公共卫生构成严重威胁。随着全基因组测序技术的发展，对沙门氏菌的流行病学研究有了新的手段。

近期，解放军疾病预防控制中心在Nature communications（IF=14.4）发表题为“Characterization of a Salmonella enterica serovar Typhimurium lineage with rough colony morphology and multidrug resistance”的研究论文。该研究鉴定并表征了鼠伤寒沙门氏菌粗糙型菌落菌株，可能起源于1977年左右的中国光滑型菌落菌株，主要属于亚谱系L6.5，并携带特定的csgD启动子突变。其中，该研究采用了源井构建的csgD基因敲除菌株，以确定csgD基因在介导mrdar变体的形态转变和生物膜形成中的可能作用。

1. 变体的特征和流行情况

本研究收集了2212株中国S. Typhimurium 分离株，其中，粗糙型变体占比为 29.6%，主要分布在东部、南部、西南部和中部地区，从人类、食物和环境中均有分离，环境来源的菌株中比例最高。粗糙型变体菌落呈粗糙、膜状和皱纹状，生物膜形成能力在28°C和37°C时均比对照菌株和光滑型菌落更强。抗菌药物敏感性测试显示中国分离株普遍耐药，粗糙型菌落变体比光滑型菌落分离株对多种抗生素呈现出更高的耐药率。

图1 本研究中使用的鼠伤寒沙门氏菌分离株的分布

2. 种群结构和系统发育分析

全球S.Typhimurium种群可分为六个不同的谱系（L1-L6），中国分离株主要分布在谱系L6（59.0%）。粗糙型菌落变体多数（93.9%）属于L6的亚谱系L6.5，可追溯到1977年，可能源于中国。值得关注的是L6.5中也包括其它国家分离的菌株，如欧洲、北美等。

图2 全球3951个鼠伤寒沙门氏菌分离株的系统发育树

3. AMR 和毒力因子相关分析

共鉴定出152种AMR决定因素，粗糙型菌落变体携带更多，亚谱系L6.5携带的种类最多。从毒力因子数据库鉴定出265种毒力基因，粗糙型菌落变体总体毒力基因比非变体菌株少，但在L6谱系中比光滑型分离株多，亚谱系L6.5主要携带fljAB基因。

4. 质粒分析

共预测出47个质粒复制子，IncFII(S)复制子存在于谱系L1、L2和L3，IncHI2复制子在亚谱系L6.5中被检测到。通过Illumina和Nanopore测序数据生成了两个完整的质粒pSH15G1765-2和pYY-2016-057-2。pSH15G1765-2属于IncHI2，在L1、L2和L3分支菌株中流行，携带pefABCD, spvBCD, rck 毒力基因和merTPCA金属抗性基因。pYY-2016-057-2属于IncHI2，在L6.5分支菌株中流行，携带19个耐药基因。

图3 与抗菌药物耐药性和毒力因子基因相关的质粒概况及比较

5. 泛基因组和全基因组关联分析

泛基因组分析确定了41,024个基因，筛选出87个与谱系L6.5的粗糙型分离株显著相关的基因。GWAS确定了72个与粗糙型菌落变体显著相关的SNP，其中65个位于蛋白质编码区域，7个位于基因间区域。

6. 多组学分析

对粗糙型菌落和光滑型菌落进行基因组和蛋白质组测序，分析基因差异和蛋白质表达差异。通过检测csgBAC-csgDEFG操纵子的mRNA丰度验证蛋白质组数据的可靠性，结果表明粗糙型菌落分离株SF175的csgDEFG操纵子mRNA水平显著高于对照菌株和光滑型菌落分离株。为进一步确定关键基因的功能及验证基因与表型的关联，构建了csgD基因敲除突变体SF175-ΔcsgD（源井构建）以及在csgD启动子有单核苷酸替换（-44T>G）的突变体SF175-csgDwith-44T>G。观察这些突变体与野生型SF175菌株在菌落形态和生物膜形成能力方面的差异。

图4 粗糙型和光滑型菌株的系统发育树及相关基因的核苷酸突变情况

结论
本研究全面系统地对一种具有粗糙型菌落形态的S. Typhimurium变体进行了研究。通过多种分析方法揭示了该变体的流行情况、生物学特征、基因组结构以及与耐药性和毒力相关的基因信息。研究结果表明该变体在中国广泛存在且具有多药耐药性和较强的生物膜形成能力，其独特的基因组特征使其在系统发育树上形成新的谱系，可能对公共卫生构成潜在威胁。这些发现为进一步了解S. Typhimurium的进化和传播机制提供了重要依据，也为防控该病原体的传播提供了新的思路和方向。

参考文献：

Xiang, Ying et al. “Characterization of a Salmonella enterica serovar Typhimurium lineage with rough colony morphology and multidrug resistance.” Nature communications vol. 15,1 6123. 20 Jul. 2024, doi:10.1038/s41467-024-50331-y