军团菌毒力因子致病作用的研究进展

军团菌是由于导致1976年美国费城退伍军人集会时呼吸道疾病爆发流行而被正式命名的细菌。该属细菌是一类普遍存在于天然淡水、人工水域和土壤环境中的兼性胞内寄生菌,可在藻类、原生动物(阿米巴)内寄居。目前已知的军团菌有48种,70个血清型,其中能引起人类疾病的约有20种,常见的有嗜肺军团菌、麦氏军团菌、长滩军团菌等。军团菌感染可引起严重的多脏器损伤性肺炎(Legionnaires disease,军团病)或急性发热非肺炎型疾病(Pontiac fever,庞蒂亚克热)。由于所有军团菌都能在宿主细胞内生长,所以在适当的条件下,几乎所有军团菌都有对人致病的潜在危险性。近年来,针对军团菌致病分子机制方面的研究取得了较大进展,本文就军团菌的主要毒力因子及其致病机理简要概述如下。

1 致病机制

军团菌的致病性与其能侵入靶细胞并在细胞内生存繁殖密切有关。当人吸入直径小于5 μm的颗粒,细菌可直接进入人呼吸系统的细支气管和肺泡,通过其外膜孔蛋白、菌毛等菌体表面结构成功粘附于靶细胞(巨噬细胞、单核细胞及肺泡上皮细胞等),并诱导靶细胞的吞噬作用。

在进入靶细胞后,军团菌通过各种毒力因子的介导作用,干扰吞噬体的磷脂双层结构,阻止吞噬体与溶酶体的融合,在靶细胞中存活并繁殖。另一方面,军团菌在胞内生长繁殖时可产生和释放各种毒素和酶,逃避吞噬细胞的杀伤,并引起肺组织的损伤。如其分泌的磷酸酶可抑制激活的吞噬细胞产生超氧阴离子,并影响细胞内第二信使的形成,从而抑制吞噬细胞的活化;蛋白激酶能催化靶细胞的磷酯酰肌醇和微管蛋白的磷酸化作用进而影响吞噬细胞活化和杀菌功能;蛋白酶能灭活白细胞介素-2和裂解T细胞表面CD4,从而干扰T细胞活化及其免疫功能。

此外,吞噬细胞在吞噬军团菌时的胞吐作用及细胞的裂解可使其内的一些酶类物质和氧化代谢产物释出细胞外,引起组织的广泛损伤。肺部感染后军团菌合成的毒素、酶可经支气管、淋巴管及血行逆行播散到其他部位,而造成肺外多系统的损伤。

2 主要毒力因子及其功能

军团菌的整个致病过程是其基因组上各个毒力基因及其表达产物共同作用的结果,不同军团菌的致病力强弱与其所带毒力因子不同有关。因此这些毒力因子成为了近年来的研究重点和热点。

2.1 菌体表面结构及其功能

军团菌侵入细胞并复制的首要条件是粘附于靶细胞,该过程涉及细菌的多种表面结构,如外膜蛋白、菌毛和鞭毛等。根据粘附机制的不同分为补体依赖性粘附和非补体依赖性粘附。

补体依赖性粘附过程是通过补体系统的C3,C3bi先与菌细胞主要外膜蛋白(major outer membrane protein ,MOMP)发生选择性组配后,再与靶细胞表面的CR1和CR3受体结合。由基因Omp28编码的主要外膜蛋白是军团菌属中嗜肺军团菌所特有的蛋白,目前对其他致病性军团菌是否也有相应膜蛋白通过该机制粘附靶细胞尚无研究报道。非补体依赖性粘附机制是直接通过菌体表面蛋白、菌毛及鞭毛等与靶细胞发生作用。由基因mip编码的巨噬细胞感染增强蛋白(macrophage infectivity protentiator, mip)是具有丙基脯氨酸异构酶活性的表膜蛋白,可促进菌体对于巨噬细胞等真核细胞的粘附;由htpB基因编码的热休克蛋白(heat shock protein,Hsp60)能增强菌体粘附于上皮细胞并诱导巨噬细胞细胞因子的表达;由pilB,pilC和pilD基因编码的IV型菌毛与该菌粘附哺乳动物或原生动物细胞感染有关;由flaA基因编码的鞭毛蛋白,也与军团菌能感染靶细胞的过程相关。Heuner等的研究表明,无鞭毛的嗜肺军团菌基本上不能感染巨噬细胞和阿米巴。

2.2 分泌系统及其功能

军团菌在细菌培养基中或细胞内生长时,可通过其分泌系统分泌各种活性物质,如降解酶,假定的毒素等。与该菌致病性有关的主要是Ⅳ型和Ⅱ型分泌系统,细菌通过该系统可将自身合成的蛋白质等物质转运到菌体外或直接作用于靶细胞。

目前对嗜肺军团菌的Ⅳ型分泌系统研究得较为深入。Ⅳ型分泌系统分为ⅣA型(lvh)和ⅣB型(icm/Dot) 两个分泌系统。编码ⅣA型系统的基因座包括11个基因,是嗜肺军团菌在巨噬细胞和阿米巴中生长所必需的,也与细菌在低温(30℃)感染宿主细胞有关。Samrakandi等通过PCR方法比较了嗜肺军团菌的临床分离株和环境分离株中该族基因的分布情况,结果显示该族基因只出现于部分临床分离株中,提示该分泌系统可能与致病性有关。

编码ⅣB型分泌系统的基因座位于细菌染色体上2个独立位点,2个位点分别包括了7个基因(icmV, icmW ,icmX, dotA, dotB, dotC, dotD)和18个icm同源基因。序列分析表明所有已完成测序的嗜肺军团菌基因组中都包含该基因座,且序列高度保守。 Icm/Dot分泌系统是引起军团菌的重要致病因子,其能阻止巨噬细胞中吞噬体和溶酶体的融合,使菌体逃避溶菌作用,在细胞中存活。也有研究表明该系统还能诱导细胞凋亡,直接导致靶细胞死亡。

Ⅱ型(lsp)分泌系统由5个基因(lspFGHIJK, lspDE, lspC, lspL, lspM)编码。其主要功能是分泌多种降解酶,如酸性磷酸酶,RNA酶等。Rossier等的研究表明,该分泌系统与嗜肺军团菌在哺乳动物肺中存活和繁殖有关。

对嗜肺军团菌不同菌株的基因分析提示,该菌拥有其他分泌系统,如Sec系统(general secretory pathway,通用分泌通路)、Tat系统(twin arginine translocation pathway,双精氨酸转运通路)等。对Tat分泌系统的进一步研究表明其与生物膜的形成及菌体能在低铁条件下生长有关。

2.3 其他毒力因子及其功能

军团菌的致病过程与其众多毒力因子的共同介导作用是密切相关的。如军团菌对铁的获取能力,对细菌的胞内和胞外繁殖起了关键性作用。近年研究表明,嗜肺军团菌基因组上的iraAB基因座及ccmC基因与细菌对铁的获取功能和细菌毒力有关。其中iraA基因座编码的甲基转移酶是细菌胞内感染所必需的;iraB基因座编码的假设铁-肽转运蛋白可促进菌体对高价铁的摄取;ccmC基因编码的内膜色素发生系统也参与了细菌胞内感染和铁的利用。

其他毒力因子,如作为嗜肺军团菌特有的lvgA毒力岛及其编码的蛋白产物,与细菌胞内和胞外耐受机制有关,但具体功能尚不清楚。relA, rpoS等调控基因及其产物,与菌体在靶细胞内繁殖等有关。

作为一种胞内寄生病原体,军团菌的致病过程涉及到粘附与侵入宿主细胞、胞内存活与繁殖,释放各种活性物质及逸出宿主细胞等一系列复杂的过程。近年来对于军团菌的毒力因子及致病机制的研究取得了很大进展,为军团病的诊断和防治提供了理论基础。

3 参考文献

[1]Fields BS, Benson RF, Besser RE. Legionella and Legionnaires" Disease: 25 Years of Investigation\. Clin Microbiol, 2002, 15(3):506-526.

[2]Cianciotto NP. Pathogenicity of Legionella pneumophila\. Int J Med Microbiol, 2001,291(5):331.

[3]Hoffman PS, Ripley M, Weeratna R. Cloning and nucleotide sequence of a gene (ompS) encoding the major outer membrane protein of Legionella pneumophila\ J Bacteriol, 1992, 174(3):914-920.

[4]Bellinger-Kawahara C, Horwitz MA. Complement component C3 fixes selectively to the major outer membrane protein (MOMP) of Legionella pneumophila and mediates phagocytosis of liposome-MOMP complexes by human monocytes\. J Exp Med, 1990, 172(4):1201-1210.

[5]Fischer G, Bang H, Ludwig B, et al. Mip protein of Legionella pneumophila exhibits peptidyl-prolyl-cis/trans isomerase (PPlase) activity\. Mol Microbiol, 1992, 6(10):1375-1383.

[6]Helbig JH, Knig B, Knospe H, et al. The PPIase active site of Legionella pneumophila Mip protein is involved in the infection of eukaryotic host cells\. Biol Chem, 2003, 384(1):125-137.

[7]Garduo RA, Garduo E, Hoffman PS. Surface-associated hsp60 chaperonin of Legionella pneumophila mediates invasion in a HeLa cell model\. Infect Immun, 1998, 66(10):4602-4610.

[8]Swanson MS, Hammer BK. Legionella pneumophila pathogesesis: a fateful journey from amoebae to macrophages\. Annu Rev Microbiol, 2000, 54:567-613.

[9]Stone BJ, Abu Kwaik Y. Expression of multiple pili by Legionella pneumophila: identification and characterization of a type IV pilin gene and its role in adherence to mammalian and protozoan cells\. Infect Immun, 1998, 66(4):1768-1775.

[10]Heuner K, Steinert M. The flagellum of Legionella pneumophila and its link to the

expression of the virulent phenotype\. Int J Med Microbiol, 2003, 293:133-143.

[11]Gerlach R G,Hensel M. Protein secretion systems and adhesions: the molecular armory of Gram-negative pathogens\. Int J Med Microbiol,2007, 297:401-415.

[12]Ridenour DA, Cirillo SL, Feng S, et al. Identification of a gene that affects the efficiency of host cell infection by Legionella pneumophila in a temperature-dependent fashion\. Infect

Immun, 2003, 71(11):6256-6263.

[13]Samrakandi MM, Cirillo SL, Ridenour DA, et al. Genetic and phenotypic between Legionella pneumophila strains\. J Clin Microbiol, 2002, 40:1352-1362.

[14]Molmeret M, Santic M, Asare R, et al. Rapid escape of the dot/icm mutants of Legionella

pneumophila into the cytosol of mammalian and protozoan cells\. Infect Immun,2007,75(7):3290-3304.

[15]Rossier O, Starkenburg SR, Cianciotto NP. Legionella pneumophila type Ⅱ protein secretion promotes virulence in the A/J mouse model of Legionnaires"disease pneumonia\. Infect Immun,2004, 72(1):310-321.

[16]Viswanathan VK, Edelstein PH, Pope CD, et al. The Legionella pneumophila iraAB locus is required for iron assimilation, intracellular infection, and virulence\. Infect Immun,2000, 68(3):1069-1079.

[17]Viswanathan VK, Kurtz S, Pedersen LL, et al. The cytochrome c maturation locus of Legionella pneumophila promotes iron assimilation and intracellular infection and contains a strain-specific insertion sequence element\. Infect Immun, 2002, 70(4):1842-1852.

[18]Edelstein PH, Hu BF, Higa F,et al. Ivg A, a novel legionella pneumophila virulence factor\.

Infect Immun, 2003, 71(5):2394-2403.

[19]Zusman T, Gal-Mor O, Segal G, et al. Characterization of a Legionella pneumophila relA insertion mutant and toles of RelA and RpoS in virulence gene expression\. J Bacteriol, 2002, 184(1):67-75.

(收稿日期:2009-04-20)

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