軍團菌毒力因子致病作用的研究進展

朱 俊 盛躍穎 陳 敏

軍團菌是由于導(dǎo)致1976年美國費城退伍軍人集會時呼吸道疾病爆發(fā)流行而被正式命名的細菌。該屬細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、原生動物(阿米巴)內(nèi)寄居。目前已知的軍團菌有48種,70個血清型,其中能引起人類疾病的約有20種,常見的有嗜肺軍團菌、麥氏軍團菌、長灘軍團菌等。軍團菌感染可引起嚴重的多臟器損傷性肺炎(Legionnaires disease,軍團病)或急性發(fā)熱非肺炎型疾病(Pontiac fever,龐蒂亞克熱)。由于所有軍團菌都能在宿主細胞內(nèi)生長,所以在適當(dāng)?shù)臈l件下,幾乎所有軍團菌都有對人致病的潛在危險性。近年來,針對軍團菌致病分子機制方面的研究取得了較大進展,本文就軍團菌的主要毒力因子及其致病機理簡要概述如下。

1 致病機制

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

在進入靶細胞后,軍團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,在靶細胞中存活并繁殖。另一方面,軍團菌在胞內(nèi)生長繁殖時可產(chǎn)生和釋放各種毒素和酶,逃避吞噬細胞的殺傷,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胞產(chǎn)生超氧陰離子,并影響細胞內(nèi)第二信使的形成,從而抑制吞噬細胞的活化;蛋白激酶能催化靶細胞的磷酯酰肌醇和微管蛋白的磷酸化作用進而影響吞噬細胞活化和殺菌功能;蛋白酶能滅活白細胞介素-2和裂解T細胞表面CD4,從而干擾T細胞活化及其免疫功能。

此外,吞噬細胞在吞噬軍團菌時的胞吐作用及細胞的裂解可使其內(nèi)的一些酶類物質(zhì)和氧化代謝產(chǎn)物釋出細胞外,引起組織的廣泛損傷。肺部感染后軍團菌合成的毒素、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

軍團菌的整個致病過程是其基因組上各個毒力基因及其表達產(chǎn)物共同作用的結(jié)果,不同軍團菌的致病力強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和熱點。

2.1 菌體表面結(jié)構(gòu)及其功能

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

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

2.2 分泌系統(tǒng)及其功能

軍團菌在細菌培養(yǎng)基中或細胞內(nèi)生長時,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)運到菌體外或直接作用于靶細胞。

目前對嗜肺軍團菌的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) 兩個分泌系統(tǒng)。編碼ⅣA型系統(tǒng)的基因座包括11個基因,是嗜肺軍團菌在巨噬細胞和阿米巴中生長所必需的,也與細菌在低溫(30℃)感染宿主細胞有關(guān)。Samrakandi等通過PCR方法比較了嗜肺軍團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)的基因座位于細菌染色體上2個獨立位點,2個位點分別包括了7個基因(icmV, icmW ,icmX, dotA, dotB, dotC, dotD)和18個icm同源基因。序列分析表明所有已完成測序的嗜肺軍團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)是引起軍團菌的重要致病因子,其能阻止巨噬細胞中吞噬體和溶酶體的融合,使菌體逃避溶菌作用,在細胞中存活。也有研究表明該系統(tǒng)還能誘導(dǎo)細胞凋亡,直接導(dǎo)致靶細胞死亡。

Ⅱ型(lsp)分泌系統(tǒng)由5個基因(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)與嗜肺軍團菌在哺乳動物肺中存活和繁殖有關(guān)。

對嗜肺軍團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)運通路)等。對Tat分泌系統(tǒng)的進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。如軍團菌對鐵的獲取能力,對細菌的胞內(nèi)和胞外繁殖起了關(guān)鍵性作用。近年研究表明,嗜肺軍團菌基因組上的iraAB基因座及ccmC基因與細菌對鐵的獲取功能和細菌毒力有關(guān)。其中iraA基因座編碼的甲基轉(zhuǎn)移酶是細菌胞內(nèi)感染所必需的;iraB基因座編碼的假設(shè)鐵-肽轉(zhuǎn)運蛋白可促進菌體對高價鐵的攝取;ヽcmC基因編碼的內(nèi)膜色素發(fā)生系統(tǒng)也參與了細菌胞內(nèi)感染和鐵的利用。

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

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

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(收稿日期:2009-04-20)