大肠杆菌毒力因子研究进展

大肠杆菌毒力因子研究进展

作者：史素云

来源：《现代农业科技》2008年第19期

摘要 致病性大肠杆菌的外毒素、黏附素、外膜蛋白（OMP）及铁转运系统等毒力因子，无论是在致病机理还是在免疫上都扮演着很重要的角色。综述了毒力因子的生物特性、致病作用、免疫原性及其在疾病防制中的应用，并指出今后的研究方向。 关键词 致病性大肠杆菌；毒力因子；研究进展

中图分类号 S852.612 文献标识码A文章编号1007-5739（2008）19-0271-02

大肠杆菌通常栖居在动物的肠道，与宿主呈共生关系；但其致病菌株能引起宿主的局部或全身感染性疾病。由于动物的日龄、饲养条件、免疫状态的不同，其大肠杆菌病的临床表现就有所不同。禽的大肠杆菌病有大肠杆菌性败血症、大肠杆菌性肉芽肿、腹膜炎、脐炎、输卵管炎、关节炎等；猪的大肠杆菌病主要包括仔猪黄痢、仔猪白痢、水肿病等；人的大肠杆菌病主要是人的出血性肠炎。大肠杆菌病给畜禽养殖业造成了巨大的经济损失，也给人类带来了危害，所以对大肠杆菌毒力因子的研究是极其必要的，在大肠杆菌侵袭宿主组织引起其发病的过程中，毒素、黏附素、外膜蛋白等毒力因子相互协调，发挥作用。现将毒力因子的研究进展介绍如下。 1毒素

1.1外毒素

1.1.1外毒素生物特性。外毒素包括类志贺毒素、肠毒素等。其中类志贺毒素一般均由一个Ａ亚单位（32kDa）和一个5聚体Ｂ亚单位（77kDa单聚体）组成。Ｂ亚单位是受体结合蛋白，介导与靶细胞膜的结合，致使毒素分子内化。Ａ亚单位能酶解生成一个具有催化活性的27kDa的A1亚单位，A1发挥ＲＮＡＮ2糖苷酶的活性，特异性裂解真核细胞28Ｓ rRNA，从而抑制细胞蛋白合成过程中的肽链的延伸，致使细胞死亡[1]。对于肠素毒，其可分为2种，一种是热敏肠毒素（LT），另一种是耐热肠毒素（ST），2种肠毒素可单独产生，也可同时产生，两者的产生在遗传学上均有质粒控制。

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1.1.2外毒素致病作用。①细胞毒素（VT）。类志贺毒素或VERO毒素O157一旦粘附到肠黏膜，就会定植和大量繁殖，并分泌大量的细胞外的产物；其中最主要的是志贺毒素，由于该毒素能使VERO细胞病变，因此称为细胞毒素（VT）。EMERY等[2]在研究鸡、火鸡的大肠杆菌病致病因子时发现在火鸡的分离株中5.7%和鸡的分离株22.5%可产生VT；鸡、火鸡的分离株不产生毒素。1983年SMITH等发现患水肿病猪体内的大肠杆菌能产生VT，现在VT被命名为志贺氏菌样毒素变异体（SLT-V），SLT-V与红细胞具有特殊的亲和力，毒素对血管作用的时间比较长，从而会损害血管，引起猪的水肿病。②肠毒素。以断奶后的仔猪的大肠杆菌进行检测，有31.3%的大肠杆菌产生ST。根据其是否溶于甲醇可分为ST1和ST2两类，其中ST1溶于甲醇，可引起乳鼠和乳猪肠腔积液；ST2不溶于甲醇，不能引起乳鼠肠腔积液。现在研究还发现35株、17株鸡源大肠杆菌均有3株能产生肠毒素。 1.2内毒素

大肠杆菌内毒素的主要化学成分为糖类和脂类。糖类主要是一些戊糖、己糖、庚糖和氨基糖。不同成分组成的内毒素对动物有不同程度的致病作用。kaitiyar等[3]给10~16周龄来航鸡皮内注射大肠杆菌内毒素，然后用伊文思蓝检测小血管的通透性，发现内毒素可引起产蛋鸡急性死亡，以出血性坏死和血管内凝血为特征；何伟勇等[4]给4周龄肉鸡腹腔注射自制的内毒素，结果发现试验鸡出现一系列病症，主要表现为低头缩颈，翅膀下垂，血液检查发现纤维蛋白原和红细胞数降低，血清白蛋白含量升高。随着攻毒次数的增加，临床症状加重，出现拉稀和死亡，剖检可见心包炎和心包积液。组织学变化为心脏和肝脏淋巴细胞浸润，后期还可见心肌变性，肝细胞坏死，血管内皮肿胀、变性、坏死和脱落。猪水肿病的发生中，大肠杆菌内毒素可能也起到了一定作用。朴永成等用鲎血细胞溶解物试验（TAL）检测患水肿病病猪的血清，出现阳性反应，和对照的标准内毒素反应一致。 1.3 在疾病防制中的应用

根据肠毒素的生物特性，可制备LT和ST双价苗，此苗通用于各种菌型，ST单独存在不具有免疫原性，完整的LT分子和无毒性的LTB均具有良好的免疫原性，清除ST的生物毒性，保留LTB的免疫原性，成为研究的主题。何孔旺等[5]报道，用基因融合的方法把ST1的结构基因片段（SER54-VAL72）连在STB基因的下游且处于同一个阅读框架内，构建了3种不同的LTB-ST1，ST1的融合基因，许崇波等[6]将LTB基因融合在pre-ST 基因的3′末段，表达的pre-ST-LTB融合蛋白同样具有良好的ST 和LTB免疫原性，也无ST 的生物毒性。随后他们又构建了大肠杆菌肠毒素ST-LTB融合基因，并进行了高效表达研究；在此基础上，他们又进行了表达ST-LTB融合蛋白工程菌株及表达产物ST-LTB融合蛋白的免疫原性研究，结果获得了良好的免疫效果。 2黏附素

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2.1生物特性

黏附素是生物定殖的基础，也是细菌致病感染的先决条件。具有粘附作用的细菌结构成分都属于黏附素，一般都是细菌表面的一些大分子结构成分，主要是革兰氏阴性菌的菌毛，其次是非菌毛黏附素，如某些外膜蛋白（OMP）以及革兰氏阳性菌的脂磷壁酸（LTA）等。 2.2致病作用

大肠杆菌具有Ⅰ型和Ⅳ型菌毛。现已经知道：在禽类上，一些致病性大肠杆菌能与上皮细胞膜上的特异性碳水化合物受体相结合，这些致病性大肠菌在鸡的气管表达为Ⅰ型菌毛；甘露糖抵抗血凝性菌毛能吸附于鸡的气管和喉头的上皮细胞。而无菌毛的病原菌不能黏附于气管黏膜，容易被气管的分泌物及纤毛的摆动所清除，所以没有致病性。在猪上，大肠杆菌具有黏附特性的菌毛主要有K88、K99、987P、F41等。此类菌毛与仔猪腹泻有密切的关系，主要原因是产肠毒素性大肠杆菌（ETEC）侵入宿主后，必须依靠菌毛才能黏附于小肠黏膜上皮细胞绒毛边沿的受体上，经黏附定居后，发挥空间阻遏作用，不被肠蠕动或分泌物的清洗而排除，然后大量繁殖，并分泌肠毒素，导致细胞吸收障碍，引起腹泻，甚至死亡；此类大肠杆菌如失去生成菌毛的能力，就不能致病。周碧君等[7]还对仔猪腹泻源大肠杆菌贵州株K88菌毛进行了研究，结果表明其所产K88菌毛的血凝谱能凝集豚鼠和鸡红细胞，能介导细菌黏附于仔猪离体肠上皮细胞，这种黏附作用能被特异的K88抗血清阻断。 2.3在疾病防制中的作用

大肠杆菌的菌毛是一种能够被免疫系统识别的特异蛋白质，为疾病的防治奠定了重要的基础。现在，对具有黏附性菌毛大肠杆菌的致病机理已经比较清楚了。像研制成功的全菌体疫苗、纯化菌毛疫苗都能将定居因子K88、K99等与其特异性受体结合，使致病菌无法定居。对于禽致病菌，现研制成功的多价菌苗油乳剂疫苗有效地保护鸡抵抗同源菌株对鸡气囊攻毒。目前利用基因工程技术生产的黏附性疫苗和大肠杆菌制作的工程苗在疾病防制中发挥了极大的作用。

3外膜蛋白

3.1致病作用

外膜蛋白OMP主要是由质粒编码来调控的。大肠杆菌的OMP因菌株不同其毒力也不同，许多研究表明：40.7kDa和2.88万个2种蛋白可能在大肠杆菌败血症致病中起了一定的催化作用[8]。大肠杆菌的OMP的致病作用主要通过以下2个途径实现的。首先，外膜蛋白可以帮助细菌逃逸机体的免疫防御。在一般情况下，细菌不易通过生理屏障。近来发现，引起新生

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儿脑炎的大肠杆菌的OMPA在脑微血管内皮细胞的侵入中有作用，该作用也许是通过增强菌株抗血清的杀菌作用而实现的。大量试验证明：血清抗性是禽败血性大肠杆菌的一个致病因素，这种性质可能存在于有表达OMPTraT的接合质粒中，使细菌拥有抵抗血清杀菌作用的功能。从而细菌的OMP通过抗吞噬、抗补体及抵抗血清杀菌作用而对细菌的致病过程起着非常重要的影响。其次，OMP有助于细菌对宿主细胞的吸附[9]。大肠杆菌O157∶H7的一种9.4万个的OMP具有免疫原性，并且可能是一种很重要的致病因素，从荧光显微镜的观察显示，9.4万个的OMP的免疫血清阻止了大肠杆菌对Hela细胞的黏附。从有腹泻症状病人的粪便中分离到了73-1株大肠杆菌，它以扩散方式吸附到组织培养细胞和盖片上，其黏附因子为110kb质粒编码、有D-甘露糖抵抗血凝活性的一种5.7万个的OMP，大肠杆菌的另一种OMPA在F纤毛黏着上也起着作用。致病性大肠杆菌（EPEC）的黏附力与5 500万个的大质粒有关，一旦消除该质粒，黏附力也失去，而5 500万个的大质粒又与9.4万个的外膜蛋白有关。

3.2在疾病防制中的应用

大肠杆菌的外膜蛋白具有良好的免疫原性，可以提高巨噬细胞摄取抗原的速度，刺激机体体液免疫和细胞免疫，从而抵抗异种菌的攻击。有资料报道：禽病原性大肠杆菌OMPs的微孔蛋白可能在禽大肠杆菌病的发生和免疫保护中起重要作用。此外，OMP通过加强巨噬细胞对抗原的摄取，增强淋巴细胞的活化，还可以表现出在免疫反应中的重要作用。试验证实，OMP诱发高免疫保护作用[10]，而纯化LPS保护性很低，表明OMP是大肠杆菌的主要免疫保护性抗原；而LPS为次要免疫保护性抗原，推测微量LPS可能对OMP起免疫佐剂作用，或与OMP抗原决定簇形成LPS-OMP复合物，维护抗原的天然构型。鱼艳荣首次将表达不同外膜蛋白的禽大肠杆菌进行原生质体融合，找出其融合的最佳条件，筛选出融合菌株，并以其制苗来免疫雏鸡，证明其抗原谱广、保护力强。诸多试验表明，提纯的外膜蛋白和通过基因工程表达的外膜蛋白具有良好的免疫原性和保护作用。

4铁转运系统

细菌为了满足自身生长繁殖的需要，必须摄取铁，但是细菌所在的环境中游离铁的浓度非常低，细菌就利用了一个危害机体的手段从而获得必需的营养因子。大肠杆菌摄取铁的机制有2种，即产生溶血素和结合性复合物。肠溶血素的特征是在含洗涤过的红细胞的血琼脂平板上形成较小的混浊的溶血圈，且在液体培养液上清中缺乏溶血活性。而大肠杆菌的α溶血素在含洗涤过的或未洗涤过的血琼脂平板上培养4ｈ就能产生透明的大溶血圈，且在液体培养液上清中有溶血活性。有溶血性的菌株毒力较强，溶血后就可获得大量的细菌生长所需要的铁离子。日常所见的猪水肿病和黄痢大多数是由溶血性菌株引起的。至于复合物，其主要分为羟偶基/产气杆菌素（Hydroxymate/aerobactin）和酚盐/肠杆菌素（phenolate/enterobactin）。产气杆菌

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素一般比肠杆菌素更适合于从血清中摄取铁。与肠杆菌素还有不同的是，产气杆菌素在将运载的铁释放入细胞内后，还可循环利用。产气杆菌素的产生也与鸡大肠杆菌的致病性存在一定关系。

在大肠杆菌毒力因子研究中，其许多个毒力因子共同作用于一种疾病过程的致病机理并没有完全明朗。此外，一些毒力因子相关性也得不到有效的利用。这些对于基因融合的研究及一些多价菌重组菌株构建有着重大的意义。还有一些大肠杆菌病愈演愈烈，如：猪的水肿病发病率呈上升趋势。针对这些问题，今后应全面对这些毒力因子进行细致深层的研究，从而研制出更有效的疫苗，为畜禽的发展谱写新的乐章。

5参考文献

[1] 严亚贤，华修国.大肠杆菌Ｏ157∶Ｈ7的毒力因子的研究进展 [J].畜牧与兽医，2003，4（33）：37-40.

[2] EMERY DA，NAGARAJA KV，SHAW DP，et al.Virulence factors of Escherichia coli associated with coli septicemia in chickens and turkeys[J].Avian Disease，1992（36）：504-511. [3] 戴鼎震，郑明球，恽时锋，等.鸡大肠杆菌I型菌毛亚单位苗交叉保护的初步研究[J].畜牧与兽医，1999，31（5）：1-2.

[4] 何伟良.大肠杆菌内毒素对鸡致病作用的研究[D].北京：北京农业大学，1993.

[5] 张雪寒，何孔旺，张书霞. Progress in Veterinary Medicine产肠毒素性大肠杆菌肠毒素的研究概况[J].动物医学进展，2003，24（3）：38-40.

[6] 许崇波，卫广森，冯书章，等.大肠杆菌耐热性肠毒素I融合基因的构建及其免疫原性研究[J].畜牧兽医学报，1997，28（4）：330-335.

[7] 周碧君，苟万里，王开功，等.仔猪腹泻源大肠杆菌贵州株K88菌毛研究[J].中国预防兽医学学报，2000，22（4）：291-296.

[8]FANTIATTI F，SILVERIVA WD，CASTRO AFP.Characterisric sass-ociatal with pathogenicity ofavian septicaemic Escherichia coli strains[J]. Veterinary Microbiology，1994（41）：75-86.

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[9] 张越男，张彦明，张怀喜. Progress in Veterinary Medicine大肠杆菌毒力因子研究概况[J].动物医学进展，2003，24（4）：26-29.

[10] 高崧，吴晓东，张扬，等.禽大肠杆菌外膜蛋白、脂多糖疫苗的免疫保护试验[J].中国兽医学报，2002，22（5）：457-459.