OxyR调控高毒力肺炎克雷伯菌ATCC 43816氧化应激防御及毒力的机制研究

《Frontiers in Cellular and Infection Microbiology》：OxyR contributes to the oxidative stress capacity and virulence of hypervirulent Klebsiella pneumoniae ATCC 43816

本文聚焦高毒力肺炎克雷伯菌（hvKP）ATCC 43816中全局转录调控因子OxyR的功能。研究通过构建oxyR缺失突变株及回补株，结合表型实验与转录组学分析，证实OxyR通过正调控katG、ahpC、hemH、grxA、gsk等抗氧化基因，显著增强细菌对H2O2的耐受性，并促进生物膜形成。体内感染模型（大蜡螟和小鼠）进一步揭示OxyR缺失导致细菌毒力显著减弱，器官载菌量下降。该研究首次系统阐明OxyR在hvKP氧化应激防御及系统感染中的关键作用，为揭示其致病机制提供新视角。

　　

引言

肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）是肠杆菌科中常见的条件致病菌，可引发肺炎、脑膜炎、血流感染及尿路感染等。20世纪80年代，伴随肺炎克雷伯菌相关肝脓肿合并转移性眼内炎的报道，该病原体被进一步划分为经典肺炎克雷伯菌（cKP）和高毒力肺炎克雷伯菌（hvKP）。与cKP相比，hvKP具有更强的致病性和传播能力，对公共卫生构成严重威胁。然而，hvKP毒力及致病机制的调控网络仍不甚明晰。

先天免疫是病原微生物侵入机体后遭遇的首道屏障。巨噬细胞和中性粒细胞等免疫细胞通过产生活性氧（ROS）等物质攻击细菌。为应对宿主免疫系统的氧化攻击，病原菌进化出多种抵抗机制，如产生超氧化物歧化酶、过氧化氢酶等抗氧化酶，或借助荚膜结构物理阻挡ROS。此外，OxyR作为革兰氏阴性菌中经典的全局氧化应激响应调控因子，在大肠杆菌（E. coli）和沙门氏菌（Salmonella）中已被广泛研究，但其在肺炎克雷伯菌（尤其是hvKP）中的功能尚未完全阐明。

材料与方法

本研究以高毒力肺炎克雷伯菌ATCC 43816（ST493/KL2）为野生型菌株，通过CRISPR/Cas9基因组编辑系统构建oxyR缺失突变株（ΔoxyR），并利用pSTV28质粒进行基因回补（oxyR-C）。通过比较野生型、突变株及回补株在正常和含2 mM H₂O₂的LB培养基中的生长曲线、H₂O₂敏感性（纸片扩散法）、生物膜形成能力（结晶紫染色法），评估OxyR的抗氧化功能。利用RNA测序及qRT-PCR分析H₂O₂刺激下OxyR调控的基因表达谱。采用大蜡螟（Galleria mellonella）和小鼠感染模型（腹腔注射10⁴CFU）评估体内毒力，并在感染后12小时检测血液、肝脏、肺和脾脏的细菌载量。

结果

3.1 OxyR同源蛋白的鉴定及其对细菌基本表型的影响

序列比对显示，ATCC 43816中的VK055_RS16305为OxyR同源蛋白，与鼠伤寒沙门氏菌、克氏肺炎克雷伯菌及大肠杆菌的OxyR氨基酸序列相似性超过95%。qRT-PCR验证了ΔoxyR-pSTV28中oxyR转录水平显著降低，而回补株中得以恢复。在无应激条件下，ΔoxyR-pSTV28与野生型的生长曲线和菌落形态无显著差异，表明OxyR缺失不影响细菌正常生长。

3.2 OxyR增强细菌抗氧化应激能力

在2 mM H₂O₂胁迫下，ΔoxyR-pSTV28的生长（终点OD₆₀₀和曲线下面积）显著低于野生型，而回补株恢复至野生型水平。H₂O₂敏感性试验显示，ΔoxyR-pSTV28的抑菌圈直径显著大于野生型和回补株，证实OxyR缺失导致细菌对H₂O₂耐受性降低。

3.3 OxyR调控抗氧化相关基因表达

RNA-seq分析发现，在1 mM H₂O₂刺激下，ΔoxyR相比野生型有98个基因下调、40个基因上调。qRT-PCR验证了katG（过氧化氢酶）、ahpC（烷基过氧化物还原酶）、hemH（ ferrochelatase）、grxA（谷氧还蛋白）及gsk（鸟苷激酶）等抗氧化基因在突变株中表达显著下调，回补后表达恢复。

3.4 OxyR促进生物膜形成

结晶紫染色显示，ΔoxyR-pSTV28的生物膜形成量仅为野生型的约1/8，而回补株生物膜量显著恢复，表明OxyR正向调控肺炎克雷伯菌的生物膜形成能力。

3.5 OxyR缺失减弱体内毒力

在大蜡螟模型中，注射ΔoxyR-pSTV28的幼虫存活率（约33.3%）显著高于野生型组（10%），回补株毒力恢复。小鼠感染模型中，ΔoxyR-pSTV28组死亡率降低，且血液、肺中细菌载量显著下降（血液：~10^1.9CFU/mL；肺：~10^2.4CFU/g），但肝脏（~10^3.7CFU/g）和脾脏（~10^4.4CFU/g）仍可检出较高菌量，提示突变株可能被肝脾捕获而限制其全身播散。

讨论

本研究系统阐述了OxyR在高毒力肺炎克雷伯菌ATCC 43816中的多重功能：通过激活katG、ahpC等基因增强抗氧化应激能力；促进生物膜形成；并通过调控上述通路显著影响细菌在感染模型中的存活与播散。OxyR缺失导致肝脾捕获增加及肺血播散减少的现象，提示其可能参与细菌逃逸宿主免疫清除的过程。未来需进一步解析OxyR与下游基因的精确调控网络及其在宿主免疫应答中的作用，为针对hvKP的抗菌策略提供新靶点。