神经氨酸O-乙酰化修饰增强尿路致病性大肠杆菌K1荚膜对噬菌体和中性粒细胞杀伤的抵抗机制

《Journal of Bacteriology》：NeuO-mediated O-acetylation of uropathogenic Escherichia coli K1 capsule enhances resistance to phage and neutrophil killing

本研究揭示噬菌体编码的相变乙酰转移酶NeuO通过介导K1荚膜O-乙酰化修饰，显著增强尿路致病性大肠杆菌（UPEC）对K1特异性噬菌体和人类中性粒细胞杀伤的抵抗能力。该发现为理解全球流行克隆ST95的进化优势提供了分子基础，表明相变O-乙酰化是UPEC适应不同感染微环境的关键策略。

　　

ABSTRACT

尿路致病性大肠杆菌（UPEC）表达的K1荚膜与严重侵袭性疾病相关，包括肾盂肾炎、尿脓毒症和新生儿脑膜炎。K1荚膜可被噬菌体编码的相变O-乙酰转移酶NeuO修饰。本研究通过对8,659个K1大肠杆菌基因组分析发现，43.5%的基因组携带neuO基因，且在流行克隆ST95中携带率高达88.1%。通过构建MS7163菌株的isogenic ?neuO突变体和相位锁定互补株，证实NeuO介导的K1荚膜O-乙酰化（形成Neu5,7Ac₂、Neu5,8Ac₂和Neu5,9Ac₂）可显著增强细菌对K1噬菌体和人类中性粒细胞杀伤的抵抗能力，但会增加对人血清的敏感性。小鼠尿路感染模型显示O-乙酰化不影响膀胱定植能力。研究表明相位可变O-乙酰化是UPEC适应不同微环境的重要机制。

INTRODUCTION

尿路感染（UTI）是全球最常见的细菌感染之一，每年约4亿病例，其中75%由UPEC引起。K1荚膜作为关键毒力因子，其α2,8-连接的多聚唾液酸同聚物可被宿主免疫受体识别。NeuO作为CUS-3噬菌体携带的相变基因，通过七核苷酸串联重复序列（5′-AAGACTC-3′）的DNA链滑动实现相位调节，当重复数被3整除时实现全长蛋白翻译。尽管前期研究对O-乙酰化的功能存在争议，但本研究通过系统分析揭示了其在免疫逃逸和噬菌体抗性中的双重作用。

MATERIALS AND METHODS

基因组分析采用Kaptive 3.0对192,234个基因组进行筛选，通过BLASTn鉴定neuO基因。实验菌株MS7163（ST95/O45:K1:H7）通过λ-Red重组系统构建突变体和互补株。荚膜O-乙酰化状态通过液相色谱-质谱联用分析。表型实验包括：K1噬菌体裂解实验（MOI=1:10）、人类中性粒细胞杀伤实验（MOI=1:10）、血清杀菌实验和小鼠UTI模型（经尿道接种5×10⁸CFU）。

RESULTS

流行病学特征显示，neuO基因在B2和D系统群中分布集中，ST95克隆的携带率显著高于新近获得K1荚膜的ST1193克隆（10.6%）。在64个完整基因组中，65.6%的neuO基因处于相位关闭状态，表明活跃的相变调节。质谱分析证实NeuO可催化产生三种O-乙酰化唾液酸变体。表型实验表明：O-乙酰化使细菌对K1噬菌体vB_EcoM_SHAK7163的抵抗能力提升3倍；在人类中性粒细胞杀伤实验中，O-乙酰化菌株存活率提高50%；但使人血清杀伤敏感性增加2倍。小鼠膀胱竞争感染实验显示O-乙酰化不影响定植优势。

DISCUSSION

研究揭示了NeuO介导的O-乙酰化在UPEC生存中的多面性：通过改变K1荚膜空间构象干扰噬菌体识别，实现超感染排斥；同时调节宿主免疫识别，如影响Siglec受体结合。相位变异机制使细菌能在噬菌体富集环境（开启O-乙酰化）和血液环境（关闭O-乙酰化）间灵活切换。ST95克隆中neuO基因的高保守性提示其在全球传播中的适应性优势，而新近获得K1荚膜的克隆（如ST1193）携带率低，反映了基因获得与功能整合的进化过程。研究为靶向荚膜修饰的抗菌策略提供了新视角。