论文荐读|上海理工大学食品微生物风险研究团队：单增李斯特菌毒力因子及调控机制研究进展

作者：李钊，刘阳泰，李卓思，秦晓杰，王翔，董庆利*

单位：

上海理工大学 健康科学与工程学院

基金项目：

上海市农委2021年度上海市科技兴农技术创新项目（X2021-02-08-00-12-F00782）；上海市农业领军人才项目（2022）

1 主要毒力因子

单增李斯特菌的黏附、侵袭、繁殖、扩散和侵入人体各种组织和器官的能力取决于众多的毒力因子，如表1所示。目前研究表明，单增李斯特菌最重要的毒力因子受inlA-inlB基因座、毒力岛1（listeria pathogenicity island 1，LIPI-1）、毒力岛3（listeria pathogenicity island 3，LIPI-3）和毒力岛4（listeria pathogenicity island 4，LIPI-4）编码。

1.1 内化素

内化素A（internalin A，InlA）和内化素B（internalin B，InlB）是李斯特菌致病性相关基因编码的表面蛋白，分别与宿主细胞受体E-钙粘蛋白（E-cadherin）和肝细胞生长因子（hepatocyte growth factor，HGF）受体Met的胞外结构域结合，导致宿主肌动蛋白细胞骨架的局部聚合，从而引起细菌内化（图1）。InlA和E-cadherin的相互作用在单增李斯特菌穿越肠道屏障和胎盘屏障中起到重要作用，但介导的内化作用局限于有限数量的上皮细胞，而Inlb介导的内化作用针对多种细胞，如肝细胞、上皮细胞和内皮细胞等。长期以来，无法通过小鼠模型评估InlA在单增李斯特菌毒力中的作用，此外豚鼠和兔的Met也无法被InlB识别或刺激，表现出单增李斯特菌的物种特异性。

1.2 LIPI-1

LIPI-1在所有致病的单增李斯特菌菌株中是保守的，包含参与宿主侵袭和细胞增殖的关键基因prfA、actA、hly、plcA和plcB，这些基因的表达均受主要毒力调控因子PrfA的调控。

相关研究表明，肌动蛋白组装诱导蛋白（Actin assembly-inducing protein，ActA）本身介导了肌动蛋白聚合驱动的细菌运动，促进了单增李斯特菌在细胞间的扩散和宿主组织内传播（图1）。在这个过程中，ActA和InlC通过协同作用干扰细胞骨架和调节细胞内皮质张力，促进宿主细胞的染色体易位，干扰宿主细胞的有丝分裂，推迟细胞周期，从而促进单增李斯特菌在宿主细胞内的定殖和传播。

由hly基因编码的李斯特菌溶血素O（listeriolysin O，LLO）已被证明能促进宿主内部的感染，主要是细胞外环境、吞噬小体和细胞质。在细胞外环境，LLO通过在宿主细胞中制造膜穿孔，促进单增李斯特菌内化为吞噬小体（图1）。在吞噬小体内，LLO诱导孔的形成，以促进细菌逃离宿主吞噬小体，并协助病原体在细胞内复制。

单增李斯特菌可以分泌两种不同的磷脂酶C，分别为磷脂酰肌醇特异性磷脂酶C（phosphatidylinositol-specific phospholipase C，PlcA）和非特异性磷脂酰胆碱磷脂酶C（non-specific phosphotidylcholine phospholipase C，PlcB）。相关研究证明PlcA在介导单增李斯特菌从小鼠原代巨噬细胞吞噬小体中逃逸发挥重要作用（图1）。在进入宿主细胞后，单增李斯特菌从形成的初级单膜液泡中逃逸，使细菌能够进入宿主细胞的细胞质。

1.3 LIPI-3

目前，单增李斯特菌LIPI-3似乎只在单增李斯特菌的I谱系分离株中发现。LIPI-3由8个基因组成，与李斯特菌溶血素S（listeriolysin S，LLS）的产生和高毒力相关。LLS是一种翻译后修饰的溶血素。在小鼠模型中，LLS对机体的致病性起作用。最近的研究发现，LLS可改变宿主肠道菌群，促进单增李斯特菌在肠道的定殖和进一步扩散感染。这在一定程度上解释了谱系I在李斯特菌病暴发中所占比例过高的原因。

1.4 LIPI-4

LIPI-4基因簇编码一个纤维二糖家族磷酸转移酶系统（phosphotransferase system，PTS），这种PTS已被确定为与母婴和中枢神经系统感染有关的超毒性因子，具有重要的临床意义。LIPI-4也与单增李斯特菌高毒力密切相关，但其原因有待确定。

2 单增李斯特菌毒力调控因子和关键转录调控因子

当宿主细胞被单增李斯特菌黏附、侵袭后，PrfA和管家基因σ^B对单增李斯特菌在宿主细胞内的生长和传播起着重要作用。

2.1 PrfA

由PrfA调控的关键功能包括细胞内生存和细胞间传播，参与这些功能的PrfA依赖性基因在一个也编码PrfA的毒力基因岛（毒力岛1）中编码。PrfA特定基因的转录水平依赖于三个不同的因素：（1）PrfA蛋白浓度；（2）PrfA活性；（3）靶基因启动子的结构。单增李斯特菌必须在时间和空间上严格控制PrfA调控基因的表达，以确保在感染过程中成功黏附、侵袭。

2.2 σ^B

利用多组学策略以及生理和遗传学方法，目前已经确定了许多直接或间接受σ^B因子控制的基因和功能，包括一般应激反应、多种运输系统、转录后调节、毒力等基因。σ^B因子在宿主细胞内活性较低，在一定程度上表明单增李斯特菌在细胞间的传播较少依赖于σ^B因子的调控表达。单增李斯特菌σ^B因子的表达是随机的，而PrfA的表达是分级的。

2.3 PrfA和σ^B之间的相互作用

为了在宿主外环境和内环境中生长，单增李斯特菌必须依赖主要调控因子σ^B和PrfA的表达。σ^B和PrfA之间复杂的相互作用提供了不同微环境中基因表达的模式。两者之间的相互作用主要包括在宿主外的相互作用、在宿主消化道中的相互作用和在宿主细胞中的相互作用。

在宿主体外，单增李斯特菌必须在σ^B因子和PrfA表达之间达到适当的平衡，以保证适应不同的环境条件。单增李斯特菌的一个重要的宿主外生存策略来自于它附着在物体表面并形成生物被膜的能力。PrfA和σ^B在特定生长条件下对生物被膜的形成起协同作用。

在侵袭宿主细胞之前，单增李斯特菌必须在宿主胃肠道内物理、化学消化和防御系统的条件下存活，单增李斯特菌也必须启动早期毒力基因的表达以保证对宿主细胞的成功侵袭。在胃肠道中，单增李斯特菌依赖σ^B的表达来应对不利环境，这也可能提高与其他胃肠道微生物群竞争的能力。由于消化道的环境条件变化迅速且剧烈，单增李斯特菌必须通过感知信号来协调应激反应和毒力基因的表达，以快速有效地应对不断变化的条件。宿主肠道内存活与细胞内侵袭之间的过渡是一个复杂的过程，不仅涉及PrfA调控基因的表达，还涉及单增李斯特菌蛋白组和转录组的重塑，以确保存活并逃避宿主免疫系统。甚至在对宿主细胞侵袭之前，单增李斯特菌就必须在通过胃肠道的过程中预先适应这种转变。通过胃肠道屏障是随后感染的一个先决条件，感知特定信号为必要条件。

单增李斯特菌内化后面临着不同的应激条件，包括低营养、pH和氧化应激等。适应性基因表达允许病原体在宿主细胞内微环境中遭遇宿主防御时持续存活和传播，单增李斯特菌需要广泛的调控机制来确保对宿主细胞成功感染。σ^B因子的表达对单增李斯特菌在消化道内存活中发挥了主要作用，而PrfA则是宿主细胞内的主要调节因子。

2.4 其他毒力调控因子

除了PrfA和σ^B因子之外，其他调控因子如VirR、Hfq、MogR等也对单增李斯特菌毒力调控有一定的影响（表2）。

VirR通过对表面成分修饰的全面调节来控制毒力，这些修饰可能影响与宿主细胞的相互作用，包括先天免疫系统的组成部分。单增李斯特菌的RNA结合蛋白Hfq为多种生理过程中的重要调控因子，包括抗逆性和毒力。鞭毛是一种复杂的表面结构，是许多细菌运动的主要手段，也是许多细菌病原体介导黏附、侵袭和毒力因子分泌的必要机制，包括单增李斯特菌。

3 总结与展望

综上所述，当单增李斯特菌进入宿主体内，便可通过复杂的调控机制侵袭不同的真核细胞，逃避宿主的免疫系统。此外，该病原体穿过肠道、血脑和胎盘屏障，进而对人体造成严重伤害（败血症、脑膜炎、流产和死胎等）。目前尽管在了解单增李斯特菌毒力机制方面取得了重大进展，但在分子水平上对其发病过程的认识仍然非常片面。未来的展望如下：

（1）结合转录组学、蛋白质组学和代谢组学等组学技术来进一步揭示单增李斯特菌和宿主细胞的相互作用机制。（2）利用体内成像技术、基于序列标签的微生物种群分析（sequence tag-based analysis of microbial populations，STAMP）等新兴技术结合动物模型探究单增李斯特菌在宿主体内的种群动态变化，量化不同感染部位之间病原体的种群相关性，对于进一步了解单增李斯特菌在宿主体内的传播途径具有重要意义。（3）构建可用于研究单增李斯特菌毒性的3D新型细胞模型，如肠道、大脑、胎盘等细胞模型，并基于这些重要器官的体外模型对单增李斯特菌的靶向机制、感染后宿主的免疫反应及细菌的毒力机制开展研究，为单增李斯特菌的精准防控提供科学参考。

团队人员共40余人，其中教授、副教授、讲师、博士后梯队合理，在读博士生10余人，硕士生30余人。团队主持或参与科技部重点研发专项、国家自然科学基金、上海市自然科学基金、上海市农业农村委、科委、教委等20多项科研课题；主持国家卫健委下属的国家食品安全风险评估中心委托的微生物优先评估项目10余项；主持或参与多项国家重点研发计划、上海市地方科技兴农重点攻关项目等。

研究团队共设以下4个研究方向：

1. 食品微生物的生理生态特征研究：微生物生存与传播特征；微生物抗逆与毒力特征；微生物个体/群体动力学特征；

2. 食品微生物的作用机理机制研究：多组学联合分析；材料可持续杀菌机制分析；人体细胞与类器官侵染分析；

3. 食品微生物的风险评估管理研究：风险信息精准化；采样与管控方案优化；风险正向预测与反向溯源；

4. 食品微生物的专业应用工具研究：风险评估基础信息库；微生物模型求参工具；微生物预测与评估平台。

董庆利，食品科学博士，教授、博士生导师。主要从事食品微生物安全研究。国家公派英国访问学者。上海市农业领军人才。担任世界粮农组织/世界卫生组织微生物风险评估专家联席会议（FAO/WHO JEMRA）专家、国际食品预测模型大会（ICPMF）Board专家、国家食品安全风险评估专家委员会委员等，《食品科学》等10余本学术期刊副主编或编委。协助完成FAO/WHO微生物风险评估报告3部以及全国风险评估报告多部，参与建设国家食品微生物风险评估平台，承担科研项目30余项，发表署名学术论文350余篇，兼任全国和地方学会、重点实验室、专委会、专家团、联盟、智库、首席等30余个团队的理事或委员。

李钊，上海理工大学，健康科学与工程学院食品科学与工程专业博士研究生，主要从事预测微生物学、微生物风险评估研究。目前以第一作者发表论文1篇。