牙龈卟啉单胞菌致病岛研究进展

　　作者：刘静波综述,潘亚萍审校　　作者单位：中国医科大学口腔医院牙周病科 辽宁 沈阳 110002

　　【摘要】牙龈卟啉单胞菌是重要的牙周可疑致病菌，在牙周炎的发生和发展过程中发挥着重要的作用。致病岛是病原微生物通过基因水平转移获得的外源性DNA片段，与细菌的致病性密切相关。下文就牙龈卟啉单胞菌致病岛的研究现状作一综述。

　　【关键词】 牙龈卟啉单胞菌; 致病岛; 重组活化基因座

　　AResearch progress of pathogenicity islands of Porphyromonas gingivalis LIU Jing-bo, PAN Ya-ping. (Dept. of Periodontology, College of Stomatology, China Medical University, Shenyang 110002, China)

　　[Abstract] Porphyromonas gingivalis is regarded as one of major putative periodontopathic bacteria in the bacterial etiology study, which plays a significant role in the generation and development of periodontitis. Pathogenicity islands are foreign DNA taken up via horizontal gene transfering by pathogenic microorganism, which are closely related to the bacterial virulence. In this paper, research progress on pathogenicity islands of Porphyromonas gingivalis was reviewed.

　　[Key words] Porphyromonas gingivalis; pathogenicity island;recombination activation genes locus

　　致病岛(pathogenicity island，PI)最初发现于尿路致病性大肠埃希菌中，与细菌的毒力密切相关[1]。随着研究的不断深入，学者们发现在许多病原性细菌中都存在致病岛，例如幽门螺杆菌的细胞毒素联合基因A～T和沙门菌的SPI-8和SPI-10基因等[2-3]。

　　1 致病岛

　　致病岛是指编码细菌毒力基因簇的一个相对分子质量较大的DNA片段[1]，是整合于细菌基因组的外源性DNA成分，推测其来自于细菌进化过程中的基因水平转移事件，尤其是噬菌体和质粒所介导的基因水平转移。通过这一过程，细菌获得编码毒力因子的大片段的致病岛基因。携带大片段DNA的致病岛的转移对宿主菌的致病能力或性状改变显著，且与细菌进化和新病原菌出现有关。随着近年大量细菌基因组序列的破译，致病岛的概念又有新的延伸，还有更多在组成结构、进化来源上与致病岛相似，但功能却并不局限于编码细菌毒力的基因组结构的基因组岛。依据编码基因的不同功能，可将基因组岛分为致病岛、固氮岛、抗药性岛和分泌岛等[4]。

　　2 致病岛的特征

　　不同菌种的致病岛具有不同的结构和功能，但均具有下列基本特征[5-6]。1)致病岛携带编码毒力相关的基因或基因簇，其大小为10～100 kb。致病岛编码的基因产物大多是分泌性蛋白和细菌表面蛋白，如溶血素、菌毛和血红素结合因子。一些致病岛编码细菌的分泌系统(如Ⅲ型分泌系统)、信息传导系统和调节系统。2)致病岛往往位于细菌染色体上的特定位置，整合位点常常与转移RNA(transfer ribonucleic acid，tRNA)密切相关。3)致病岛占据染色体较大的区域。4)致病岛大多数两端具有顺向重复序列和插入序列。5)致病岛具有不稳定性，包含整合酶、转位酶、噬菌体基因、插入序列、质粒复制起始点等潜在的基因组不稳定成分，可在细菌之间进行水平位置的转移。6)致病岛DNA片段的(G+C)摩尔百分数、密码子使用和核苷酸偏好与宿主菌染色体存在较大差异，较宿主菌(G+C)摩尔百分数高者称为高(G+C)致病岛，低者称为低(G+C)致病岛。7)一种病原菌往往具有一个或几个致病岛，致病岛存在于强毒株中，但在与病原菌同种或相关菌的弱毒株或无毒株中缺失，某些致病岛可在不同的细菌中存在。8)致病岛可能与新发现的病原菌有关。

　　3 牙龈卟啉单胞菌致病岛

　　人类口腔为约定植了500种细菌的高度复杂的微生态体系。在牙菌斑中，外源性基因的转移通常是通过质粒、结合转座子和噬菌体来实现的，当细菌生长于类似菌斑的生物膜中时会显示出自然感受态DNA的增加，有利于细菌对外来基因的获取和基因的转移[7]。

　　牙龈卟啉单胞菌是牙周微生物领域重点研究的厌氧菌之一，与慢性牙周炎、侵袭性牙周炎、牙周脓肿和牙髓感染以及伴发性全身性系统疾病密切相关[8-10]。病原菌致病是一个多因素共同作用的过程，有参与基本生理过程的看家基因和多种毒力基因参与。牙龈卟啉单胞菌基因的多态性与复杂性使得其致病机制迄今尚不明了。牙龈卟啉单胞菌致病岛自1999年Curtis等[11]在对牙龈卟啉单胞菌W50菌株的研究中发现后，其致病力已经逐渐成为研究的热点之一。目前，有关牙龈卟啉单胞菌致病岛研究主要集中在以下方面。

　　3.1 重组活化基因座

　　Curtis等[11]发现，在牙龈卟啉单胞菌W50菌株的外膜上存在着一个由重组活化基因(recombi-nation activation gene，rag)B编码的相对分子质量为5.5×104的免疫显性表面抗原。ragA基因位于ragB基因下游，两者为共转录基因，ragA基因编码假定的tonB依赖性受体。另外，他们用聚合酶链反应技术在牙龈卟啉单胞菌阳性的浅牙周袋中未检出rag基因座(ragA和ragB)，而在牙龈卟啉单胞菌阳性的深牙周袋内该基因座检出率高达36%。该研究提示，获得rag基因座有利于牙龈卟啉单胞菌在牙周病变位点的定植。ragB基因存在于高毒力株牙龈卟啉单胞菌W83中，而在低毒力株牙龈卟啉单胞菌ATCC 33277中缺失[12]。Hanley等[13]认为，rag基因座具有由水平基因转移获得、低(G+C)摩尔百分数、侧端有可移动元件和插入元件(IS 1126，原命名为ISPg1)，参与细菌表面药物转运等致病岛基因特征，即rag基因座为牙龈卟啉单胞菌W50菌株的致病岛。

　　Hall等[14]发现，rag基因座有4种等位基因型，其中牙龈卟啉单胞菌W50菌株为rag-1型，ATCC 33277菌株为rag-4型;在168株牙龈卟啉单胞菌临床分离株中，rag-1、rag-2、rag-3和rag-4基因型的检出率分别为26%、36%、25%和14%;在小鼠感染模型中，rag-1型牙龈卟啉单胞菌对牙周软组织的破坏性最强，为高毒力基因型。不同基因型编码的RagA蛋白有63%～71%的氨基酸序列一致性，RagB蛋白具有43%～56%的氨基酸序列一致性;RagA、B蛋白与许多拟杆菌属蛋白有同源性，与多糖的摄取有关。同时，模拟炎症牙周袋的温度升高可调控ragAB基因的表达，提示在炎症牙周袋中存在逃避宿主免疫反应的机制[15]。Shi等[16]运用等位基因突变技术灭活牙龈卟啉单胞菌W50菌株的rag-1基因，构建rag基因突变株，结果该突变株在全细胞蛋白和外膜蛋白中均无RagA、B蛋白活性。用不同剂量的rag-1缺陷株和野生株牙龈卟啉单胞菌W50菌株感染小鼠牙周病变模型，结果显示rag-1缺陷株对小鼠牙周软组织的损伤显著低于野生株。Nagano等[17]在构建牙龈卟啉单胞菌W83菌株的ragA、ragB和ragAB基因突变株过程中，通过特异性培养基培养、感染小鼠牙周模型、细胞表面标签、细菌交联和免疫共沉淀等试验表明，RagA和RagB蛋白位于菌细胞的最外层，构成一个蛋白复合体。在功能方面，这两个蛋白形成一个有活性的大分子退化产物运载体，同时具有一定毒力作用。

　　3.2 PG0819～0844和PG1435～1454基因

　　Chen等[12]运用基因芯片技术分析牙龈卟啉单胞菌W83和ATCC 33277菌株基因差异发现，在牙龈卟啉单胞菌毒力株W83基因序列中有两个平行进化且同源的长约28 kb(PG0819～0844)和18 kb(PG1435～1454)的基因片段。这两个基因片段可能由复制和染色体内重组产生，且具有致病岛的特征：与牙龈卟啉单胞菌W83全基因组的(G+C)摩尔百分数(48%)相比较，该基因片段的(G+C)摩尔百分数较低(41%);该区域包含保守和种属特异性的假定基因、转座子、插入序列和整合酶;这两个基因片段的一侧基因序列同源于拟杆菌属的转座子5520，另一侧为一个丝氨酸或天冬氨酸tRNA。这两个基因岛中50%的基因编码转录调控子、接合转座子、切除酶、整合酶、ISPg1和流出泵家族蛋白等，其余的基因编码保守的假定开放阅读框或种属特异性的开放阅读框。

　　林莉等[18]运用抑制消减杂交法发现了36个在牙龈卟啉单胞菌W83菌株中特有而ATCC 33277菌株中缺乏的克隆子，其中PG0836、PG0838、PG0839和PG1436分别是两个致病岛中的成员。PG0836、PG0838编码整合酶。整合酶在基因组进化和毒力元件水平转移(甚至是跨越物种屏障)过程中发挥重要的作用。针对整合酶活性和产物的不同调控可能在细菌感染时增加更进一步的精细调节[19]。PG0839编码保守的假定蛋白，与普通拟杆菌ATCC 8482的金属-β-内酰胺酶超家族假定蛋白具有高度的同源性。金属-β-内酰胺酶可由质粒或整合子介导在细菌间移动，传播细菌的耐药性[20]。PG1436编码的蛋白为腺苷三磷酸酶。

　　林莉等[18]在进一步运用基因芯片技术筛查大量的慢性牙周炎患者不同牙周部位的牙龈卟啉单胞菌差异基因表达频率过程中发现，PG0836和PG0839的检出率与患者的牙周探诊深度、临床附着丧失、探针出血和牙松动度呈正相关关系，即PG0836和PG0839与牙龈卟啉单胞菌的致病力有关，可能为牙周炎的高致病性基因。PG0838和PG1436与上述牙周指数之间的关系无统计学意义。PG0819～0844和PG1435～1454基因片段在牙龈卟啉单胞菌致病过程中发挥的具体作用，还有待于进一步深入研究。

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