OHAD文章解读 | 产气荚膜梭菌中CPB2毒素基因的潜在生物学功能分析

学术 2024-11-21 18:10 辽宁

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Genomic insights into cpb2-positive Clostridium perfringens and the potential biological function of cpb2 gene

第一作者：吴克

通讯作者：杨增岐、王娟

研究背景

产气荚膜梭菌（Clostridium perfringens）是一种广泛分布于自然环境中和人畜肠道内的革兰阳性产芽孢杆菌，可分泌多种毒素并分为A~G 7种毒素型。产气荚膜梭菌β-2毒素（Clostridium perfringens β-toxin，CPB2）最初于患有坏死性小肠结肠炎仔猪的肠道中分离的产气荚膜梭菌中被发现。研究表明，携带CPB2的菌株能够引起机体腹泻、肠炎和肠毒血症等多种疾病。cpb2基因和非典型变体aty.cpb2基因均能编码CPB2，但编码蛋白间的差异尚不明确。cpb2基因首先在共轭质粒pCP13（AP003515.1）上被鉴定，该质粒可携带cpb2和肠毒素基因becA/B。尽管流行病学调查和致病性试验已表明CPB2可能与动物肠道疾病有关，但cpb2基因的遗传特征仍不清楚。目前，高通量测序技术作为溯源和精准控制致病因子的有力工具，已被广泛应用于流行病学研究。因此，本研究旨在从基因组学和宿主适应性角度探讨cpb2基因的生物学功能，以期增进对cpb2基因的认识，并为后续研究提供参考。

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本研究分析鉴定了6株四川猪源cpb2阳性产气荚膜梭菌（编号：scCP-7、scCP-8、scCP-25、scCP-26、scCP-28和scCP-97），并与GenBank中757株产气荚膜梭菌进行了比较。结果显示，猪源菌株中cpb2基因的检出率显著高于其他动物来源的菌株，提示cpb2或其载体pCP13样质粒可能与产气荚膜梭菌在猪体内的宿主适应性有关。

调查不同来源且不携带cpb2的pCP13样质粒发现，这些质粒在牛（P = 6.97 × 10−6，χ²检验）和人（P = 0.016 94，χ²检验）中的检出率显著高于猪，表明cpb2基因的富集与pCP13样质粒无关，而是由cpb2 基因自身导致的。同时，其他毒素基因也表现出宿主特异性：猪源菌株中nanI、nagK和colA的检出率较低，而人源菌株中pfoA的检出率则显著较低（图 1）。

图1 不同来源产气荚膜梭菌菌株中毒素基因分布图

A：cpb2阴性pCP13样质粒的检出率；B：毒素基因箱线图；C–F：产气荚膜梭菌菌株在猪和牛（C）、羊（D）、鸡（E）和人（F）中非典型毒素基因火山图。X轴表示基因流行率差异；Y轴表示转换后的P值（−Log₁₀P值）。**：P < 0.01；***：P < 0.001；NS：无显著差异。

通过CheckM检测的228株携带pCP13样质粒的产气荚膜梭菌中，有59株为cpb2阳性。本研究基于cpb2阳性菌株的103 089个单核苷酸多态性位点（SNP）构建了最大似然树，结果显示，产气荚膜梭菌可分为4个进化簇；大约2/3的cpb2阳性菌株集中在簇I和簇Ⅱ中，而其余菌株则较为分散；值得注意的是，簇I和簇Ⅱ中cpb2阳性菌株多来自同一国家或动物源，表明其进化关系主要受分离来源影响，而非cpb2基因本身；此外，在英国、荷兰和德国，来自人类和动物的cpe阳性菌株在进化簇Ⅲ中聚集，提示cpe阳性产气荚膜梭菌可能在这些国家之间传播（图 2）。

图2 228株携带pCP13样质粒的产气荚膜梭菌的最大似然树。CPB2毒素基因由天蓝色方块表示，从内到外依次为plc、cpb、etx、cpe、netB、iap/ibp、cloSI、colA、cpb2、pfoA、nagH、nagI、nagJ、nagK、nagL、nanH、nanI和nanJ。

本研究对6个cpb2阳性pCP13样质粒（pscCP-7、pscCP-8、pscCP-25、pscCP-26、pscCP-28和pscCP-97）与质粒pCP13进行了序列比较，结果如图3所示，这些pCP13样质粒结合位点Pcp是保守的；在pCP13样质粒pscCP-7、pscCP-8、pscCP-26、pscCP-28和pscCP-97上均检测到了pCP13的rep基因，但在pscCP-25上未检测到；6个cpb2阳性pCP13样质粒上的cpb2基因均位于cpb2-hp转录调控因子（PadR家族）区域；在cpb2基因上游发现了分解编码基因resP和假定蛋白质编码基因tcb。本研究进一步对59株cpb阳性产气荚膜梭菌进行了resP、tcb和cbp2片段[包括cbp2、hp和转录调控因子（PadR家族）]的基因检测，结果显示，所有cpb2阳性菌株均携带cpb2片段，而分别在49株和32株cpb2阳性菌株中检出resP和tcb；在pCP13样质粒上，resP和tcb均位于cpb2片段的上游，显示其共存关系。对31个pCP13样质粒的系统发育分析如图4所示，具有相似结构特征的质粒在进化树上聚类，而cpb2与质粒进化的关联性不强，提示cpb2/cpb2-hp转录调节因子（PadR家族）更可能是质粒间的转移元件，而不是随着时间的推移而进化的稳定成分。

图3 cpb2阳性质粒与pCP13的序列比较。箭头表示基因的转录方向，阴影表示共享区域。cpb2基因、复制起始子编码基因、pCP位点编码基因和其他假定蛋白分别用红色、橙色、绿色和蓝色方框标记。

图4 pCP13样质粒邻接树。cpb2阳性质粒用红色背景标记，箭头表示基因的转录方向，阴影表示共享区域。

编辑荐语

本研究通过基因组学分析揭示了产气荚膜梭菌中cpb2基因在猪源菌株中的高检出率及其宿主特异性。进一步分析表明，cpb2基因本身而非其所在pCP13样质粒是cpb2基因富集的关键因素。cpb2基因位于特定遗传片段上，可能会导致其在细菌间传播。尽管cpb2不影响质粒或菌株的进化关系，但其在猪肠道中的高检出率可能赋予产气荚膜梭菌在该宿主中的生存优势。本研究为理解cpb2的遗传背景、宿主特异性和功能提供了重要参考。

作者介绍

通信作者：杨增岐

西北农林科技大学动物医学院，教授，博士生导师。主要研究方向为动物传染病学、兽医流行病学，先后主持国家自然科学基金、国家农业产业技术体系科技创新专项、农业农村部动物源细菌耐药性监测计划、陕西省重大科技创新专项等课题30多项，获陕西农业技术推广一等奖2项、省科技进步三等奖2项、陕西省高等教育教学成果奖二等奖1项，主编、副主编学术专著和国家级规划教材6部，获“第三届陕西青年科技奖”“陕西青年突击手”“全国宝钢优秀教师”等荣誉称号。

通信作者：王娟

西北农林科技大学动物医学院，副教授，博士生导师。主要致力于细菌致病及耐药机制研究，先后主持国家自然科学基金面上项目、青年项目、中国博士后科学基金特别资助、陕西省重点研发计划项目（国际合作项目）等国家级、省部级科研项目10余项。已发表科研论文 80 余篇，以第一作者或通信作者发表SCI收录论文20余篇，参编英文专著1部，农业行业标准1项，参与《兽医传染病学》省级一流课程建设项目。

原文链接

Wu, K., Yuan, Y., Fang, M. et al. Genomic insights into cpb2-positive Clostridium perfringens and the potential biological function of cpb2 gene. One Health Adv. 2, 25 (2024). https://doi.org/10.1186/s44280-024-00058-8

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文字：吴克、杨增岐、王娟

排版：贾丽妍

封面：杨舒宇

责编：孙攀

审阅：汪洋、孟迪、宋艳茹

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