《Nature Microbiology》：Identification of transporter-dependent capsular loci associated with the invasive potential of Escherichia coli
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大肠杆菌(E. coli)是全球血流感染的主要病因，然而目前缺乏用于流行病学分析和治疗设计的E. coli荚膜(K)分型基因型方法。本研究通过构建一个包含18,185个kps阳性E. coli基因组的计算机分型数据库，对肠道外致病性大肠杆菌(ExPEC)的荚膜流行病学和进化进行了分析。结果揭示了K1、K5和K2是欧洲BSIs中最常见的荚膜类型，并与多药耐药性和侵袭性存在不同关联。该研究结果增进了对荚膜流行病学和进化的理解，为未来应对ExPEC感染的诊断和治疗策略提供了信息。
细菌的外面包裹着一层被称为荚膜的黏糊糊多糖“外套”，这不仅是它们躲避宿主免疫系统追捕的“隐身衣”，也是影响其引发侵袭性感染能力和抵抗抗生素的重要屏障。对于肺炎链球菌、流感嗜血杆菌和脑膜炎奈瑟菌等病原体，荚膜抗原是疾病监测和有效疫苗开发的核心靶点。然而，作为全球细菌性血流感染(BSI)和抗菌素耐药相关死亡负担最高的罪魁祸首——大肠杆菌，其不同荚膜类型在当代疾病中的真实流行情况，在大型、无偏倚的肠外致病性大肠杆菌感染队列中尚未得到确定。传统的E. coli K血清学分型费力且已不再普遍使用，而针对编码K抗原的K基因座，目前缺乏像O抗原和H抗原那样的基因分型方法。这种知识空白，阻碍了针对荚膜这一天然靶点的新型抗菌药物、疫苗乃至靶向荚膜的噬菌体疗法等转化研究的进展。为了填补这一空白，一项旨在系统性解析大肠杆菌ABC转运蛋白依赖性荚膜基因座多样性、流行病学及其与侵袭性疾病关联的研究在《Nature Microbiology》上发布。
研究人员主要运用了基因组生物信息学分析和统计建模技术。他们从已发表的包含66.1万个细菌组装的数据库及其它已发布的ExPEC基因组研究中，筛选出kps阳性的E. coli基因组，并从中提取K基因座。利用Panaroo和Bakta等工具对基因进行聚类和注释，构建了一个包含90个独特G2和G3 K基因座的参考数据库，该数据库与物种无关的荚膜基因座分型工具Kaptive兼容，可用于对组装序列进行计算机G2和G3 K分型。研究对来自多个系统性感染研究（包括挪威和英国的BSI纵向基因组调查、挪威和法国的尿路感染调查、具有特定耐药性的美国UTI研究，以及中低收入国家的新生儿侵袭性分离株集合）的6,626个组装进行了K基因座分型。此外，还对来自英国婴儿-母亲肠道宏基因组调查和法国传统培养分离的1,330个组装进行了分型，以获取无症状定植中的K类型信息。通过使用混合效应模型比较来自英国定植和BSI的分离株，估计了每个K基因座和谱系与相对侵袭潜能的关联。
研究结果
1. 鉴定K基因座
从18,185个kps阳性E. coli基因组中，基于独特的K基因座基因存在-缺失模式，鉴定出90个G2 (n=68) 和 G3 (n=22) ABC转运蛋白依赖性K基因座，并创建了用于计算机分型的GenBank参考数据库。在已知的G2和G3表型K型中，80%通过表型-基因型配对数据得以体现，但这些已知表型仅占观察到的90个具有独特荚膜基因集的K基因座的34%。此外，对在挪威BSIs中观察到的11个未知表型的K基因座，通过Cetavlon沉淀反应确认了K+表型，但已知K抗原检测为阴性，代表了推定的新型K型。
2. K基因座流行病学
研究发现，欧洲BSIs主要由具有G2或G3荚膜的菌株引起(81.3%)，其中G2占主导。在欧洲BSIs中，前五位的K型是K1、K5、K52、K2和K14，这些常见K型占BSIs的50%以上。K1、K5、K52、K2和K100占欧洲多药耐药(MDR) BSIs的58%。尽管G2和G3 K基因座在欧洲无症状定植中远不常见(55.4%)，但K1和K5仍然是最常见的定植G2和G3 K型。值得注意的是，在中低收入国家(LMICs)的新生儿侵袭性感染中，G2和G3基因座占比更少(53.9%)，这与英国1岁以下儿童BSIs中95%为G2或G3形成鲜明对比。
3. 估计K型的相对侵袭潜能
通过比较英国定植和BSI分离株的混合效应模型，估计了每个K基因座和谱系的相对侵袭潜能。结果显示，K52具有最高的侵袭潜能，其次是K14和K100。广泛研究的K型K1、K2和K5的OR值显著大于1，表明其侵袭潜能高于不可分型菌株。相反，K3的侵袭潜能最低。谱系特异性估计值表明，谱系本身携带的其他毒力因子对于决定侵袭性同样重要。
4. 第2组K基因座与E. coli和ExPEC致病型的关联
分析表明，E. coli G2 kps基因在其他物种中并不常见。在已发表的~7,500个具有推断致病型的E. coli泛基因组中，ExPEC占kpsF阳性分离株的85.8%，而非ExPEC致病型占kpsF阴性分离株的97.5%。产志贺毒素大肠杆菌占kpsF阳性非ExPEC致病型的绝大多数(90.5%)。
5. 主要MDR谱系中的K基因座
在全球传播的MDR谱系CC131中，观察到至少17个不同的K基因座被引入，凸显了该谱系中荚膜的快速多样化。在另一个全球分布的MDR ExPEC谱系CC69中，观察到11种O型、9种H型和23种K型。该谱系中最常见的K基因座是K52，其估计的侵袭潜能也最高。
6. K基因座进化
尽管超过一半的BSIs谱系中，K多样性高于O或H多样性，但不同谱系间的K型多样性差异很大。谱系中K基因座的数量与该谱系的重组-突变比率(r/m)相关。在BSIs中排名前四的谱系(CC73、CC95、CC69和CC131)中，kps基因座是一个明显的重组热点(CC95除外，其仅表达K1)。
7. K基因座结构变异
已知的K表型仅占K基因座的34%，这些表型零散分布在K基因座系统发育树中。共有238个区域2荚膜决定基因簇，其中13.0%被注释为假设蛋白，显示了大量未探索的荚膜决定基因变异。九个K基因座具有非典型的G2基因座结构，其中区域2位于区域1和3之外。与G2不同，G3中多样的kps基因形成两个主要的基因簇，划分了G3-A和G3-B亚型。
8. K基因座多样化与基因流动性
在独特的K基因座序列中，28.2%的序列含有至少一个插入序列元件。插入序列IS1和IS3是在K基因座集合中观察到的最常见的插入序列家族。重要的是，在17个K基因座中观察到插入序列与荚膜编码序列重叠，其中9个的插入序列在区域2中携带了推定的荚膜基因作为“货物”。G3-B K基因座曾在质粒中被观察到，这也可能作为荚膜移动的载体。在BSI集合中，观察到一个E. coli杂交组装在质粒上携带G3-B KL132，而不在染色体上。
讨论与结论
本研究系统性地展示了在BSIs中发现的G2和G3 K基因座的多样性远远超过了目前已知的G2和G3表型荚膜类型的数量。这种多样性对预防策略的开发具有重大意义，因为观察到K型流行率因分离来源和地理位置而异，并且与K型相关的侵袭潜能也存在差异。G2和G3荚膜存在于大多数ExPEC感染中，其中K1和K5是UTIs和BSIs中最常见的K型。尽管这两种类型也是中低收入国家新生儿疾病中最常见的G2和G3 K型，但相当一部分感染是由非G2和G3 K型引起的，这表明荚膜流行病学在资源有限和高资源地区存在显著差异。
研究利用大规模英国婴儿-母亲队列的宏基因组数据，首次对大肠杆菌不同荚膜类型的相对侵袭潜能进行了量化评估。结果表明，K52和K14等具有高估计侵袭潜能的K型是明显的疫苗靶点。研究还揭示了在CC69和CC131这两个主要MDR谱系中，K基因座的快速多样化可能促进了它们在21世纪BSIs中的迅速扩张。此外，插入序列元件在K基因座中很常见，可能通过将基因导入区域2来促进荚膜多糖组成的多样化。
总之，该研究的结果为恢复对该物种的荚膜分型提供了动力，并重新激起了对毒力实验研究的兴趣，有助于进一步厘清荚膜与谱系对侵袭性的贡献，从而制定有效控制ExPEC疾病的策略。所构建的计算机分型数据库和工具，为未来的流行病学监测、疫苗设计和靶向治疗（如噬菌体疗法）提供了重要的资源和方法学基础。
