克罗恩病相关大肠杆菌通过构建杂合IV型分泌系统介导生物膜形成的新机制

时间：2025年10月4日

来源：Nature Communications

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本研究针对克罗恩病(CD)相关 adherent-invasive Escherichia coli (AIEC) 的致病机制，揭示了其通过染色体ICE（整合接合元件）与IncF质粒协同组装杂合型IV型分泌系统(T4SS)的关键途径。研究发现ICE编码的TraCICE和TraVICE可互补质粒缺失的核心组分，驱动菌毛聚合和生物膜形成，显著增强细菌在肠道内的适应性和促炎能力，为靶向T4SS的克罗恩病治疗策略提供了新视角。

克罗恩病是一种以透壁性炎症和肠道屏障破坏为特征的慢性炎症性肠病，其发病机制与肠道机会性病原体的扩张密切相关。其中，adherent-invasive Escherichia coli (AIEC) 作为克罗恩病患者中频繁分离的致病菌群，可通过其卓越的粘附和侵袭能力以及逃逸宿主免疫清除的机制，显著加剧肠道炎症反应。尽管AIEC的致病性已被广泛认可，但其关键的毒力因子及调控机制仍不明确，这严重阻碍了针对该病原体的特异性治疗策略的开发。

以往研究发现，IV型分泌系统(Type IV Secretion System, T4SS) 在AIEC的肠道定植中扮演重要角色。除了介导接合转移外，T4SS还可促进生物膜形成，增强细菌对抗生素和免疫细胞的抵抗能力，从而提升其在宿主内的持久存活能力。值得注意的是，约30%的AIEC菌株携带F样质粒，其编码的IncF亚群T4SS系统是扩展型T4SS的典型代表，具有较多附加基因以增强接合效率。然而，AIEC NRG857c菌株所携带的IncF质粒却缺少两个核心组分——TraC（VirB4同源蛋白，ATP酶）和TraV（VirB7同源蛋白，外膜核心复合体锚定蛋白），这引发了关于其T4SS如何发挥功能的深入疑问。

发表于《Nature Communications》的这项研究通过分子微生物学、生物化学和体内外感染模型，系统阐释了AIEC菌株NRG857c利用染色体上的整合接合元件(ICE) 编码的TraC_ICE和TraV_ICE，与IncF质粒组分共同组装出功能完整的杂合T4SS，从而驱动生物膜形成、接合转移及肠道内菌株适应性。

研究团队首先通过生物信息学分析发现，AIEC NRG857c的IncF基因簇缺失traC和traV，但在其染色体ICE上存在高度同源的traC_ICE和traV_ICE。AlphaFold3结构预测和DALI比对显示，TraC_ICE与pR388的VirB4结构高度相似，具有典型的ATP酶结构域；TraV_ICE则具备脂蛋白特征，可参与外膜核心复合体(OMCC) 的组装。

为验证TraC_ICE和TraV_ICE的功能，研究人员纯化了TraC_ICE并证实其具有ATP酶活性，比活达到6.8 µmol/min/mg。通过共纯化实验，发现TraC_ICE可与IncF编码的TraL_IncF互作，而TraV_ICE能与TraB_IncF、TraK_IncF形成杂合OMCC。这些结果提示ICE和IncF来源的蛋白可共同参与T4SS机器的装配。

功能实验表明，缺失traC_ICE或traV_ICE显著降低了AIEC在Caco-2细胞上的生物膜形成能力，回补相应基因后表型恢复。此外，TraC_ICE的ATP酶活性突变体（K512Q）无法恢复生物膜形成，说明其酶活为T4SS功能所必需。接合实验也证实，traC_ICE和traV_ICE缺失株的接合效率下降，表明杂合T4SS也参与DNA转移。

研究进一步探索了ICE和IncF的调控机制。缺失finO（IncF的转录抑制因子）可显著上调IncF基因表达，但不影响ICE基因的转录，说明两者独立调控。在宿主细胞存在下，IncF和ICE基因的表达均显著上调，约30%的细菌群体激活IncF表达，10%激活ICE基因。体内成像显示，ICE启动子在感染16小时后在小鼠肠道中被强烈诱导。

竞争实验显示，缺失traV_ICE、traC_ICE或traA_IncF的菌株在肠道内的适应能力显著下降。此外，这些突变体未能引起强烈的肠道炎症反应，如脂钙蛋白2(lipocalin-2) 和肿瘤坏死因子α(TNF-α) 水平与未感染组相当，而野生型AIEC则显著升高这些炎症指标。

流行病学分析显示，在41株AIEC菌株中，58%携带至少一个ICE，其中46%同时具有IncF基因簇。值得注意的是，原型AIEC LF82虽无IncF系统，却含有与NRG857c高度同源的ICE，提示ICE可能广泛参与AIEC的致病机制。

本研究首次揭示了克罗恩病相关大肠杆菌通过合作利用染色体ICE和质粒IncF系统，组装杂合T4SS以增强生物膜形成和肠道定植的能力。这一发现不仅深化了对AIEC致病机制的理解，也为针对T4SS的抗菌策略（如阻断菌毛组装或ATP酶活性）提供了理论依据。由于ICE和IncF系统在克罗恩病患者肠道菌群中广泛存在，针对该杂合系统的干预可能有助于控制AIEC相关肠道炎症，具有重要的临床转化潜力。

主要技术方法包括：分子克隆与突变体构建（两步等位基因交换）、蛋白质纯化与ATP酶活性检测、免疫荧光显微镜观察生物膜、接合转移实验、RT-qPCR与报告系统检测基因表达、体内竞争指数测定与生物发光成像、酶联免疫吸附测定(ELISA) 检测炎症因子。样本来源为克罗恩病患者分离的AIEC NRG857c菌株及小鼠感染模型。