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志贺氏菌和大肠杆菌的鉴定

志贺氏菌属(Shigella spp.)是世界上引起细菌性痢疾的最重要的肠道病原体之一,主要发生在人类身上。


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志贺氏菌(Shigella)和大肠杆菌(Escherichia coli遗传亲缘关系非常密切核苷酸相似性为80~90%很难区分,准确区分志贺氏菌在临床上具有必要性。

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志贺菌属(图片来源:环境微生物图谱)图片
大肠杆菌(图片来源:环境微生物图谱)
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通过常规的生化特征和血清分型无法区分E. coliShigella spp.,甚至分子方法,如16S rRNA 基因测序(差异<1%)和基于蛋白质特征的基质辅助激光解吸/电离飞行时间质谱(MALDI-TOF MS)也无法完全区分。
曾经有报道表明,毒力质粒进入E. coli菌株后产生了一个单系群,所有ShigellaE. coli group都是从这个单系群进化而来的,这导致了高度多样化和致病性病毒型,包括志贺氏杆菌样大肠杆菌(肠侵入性大肠杆菌,EIEC)、产志贺毒素的大肠杆菌(STEC;包括肠出血性大肠杆菌,EHEC)、肠致病性大肠杆菌(EPEC)、肠聚集性大肠杆菌(EAEC)和产肠毒素大肠杆菌(ETEC);共生E. coli菌株在获得毒力质粒后可能不会变成致病性Shigella,因为它似乎不会在E. coliShigella菌株之间水平传播。
本文汇总讨论了不同的鉴定方式用以区分E. coliShigella spp.。

01

双重实时PCR


Pavlovic等人报道了用双重实时PCR鉴定EIEC和Shigella spp.,该PCR扩增了β-葡萄糖醛酸酶的基因(uidA)和乳糖渗透酶基因(lacY)。uidA基因在E. coliShigella中很常见,而后者(lacY)仅存在于E. coli中。Lobersli等人建立了一种双重实时PCR(ipaHlacY基因)来区分EIEC和Shigella spp.,其中lacYE. coli具有特异性。该PCR靶标能够区分Shigella spp.、EIEC O121和O124群,但不能区分EIEC O164群。


02

16S rRNA基因测序用于区分大肠杆菌和志贺氏杆菌



由于EHEC、EIEC和Shigella spp.之间的16S rRNA差异很小(<1%),使用16S rRNA基因序列可能无法实现完全区分鉴定。
不同致病菌株通过来自国家生物技术信息中心(NCBI)数据库的数据计算16S rRNA序列相似性(表1)。

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MLST数据库高度保守的管家基因,这些基因在E. coliShigella spp.中都是相同的,MLST方法无法区分大肠杆菌和大肠杆菌病毒型之间的进化关系



03

大肠杆菌与志贺氏菌的全基因组测序(WGS)鉴定


基于WGS的物种鉴定可通过k-mers和全基因组单核苷酸多态性(SNP)两种方法实现。

Chattaway等人利用k-mers(DNA序列数据中k个核苷酸的子串)基于两个细菌基因组中共同出现的k-mers的数量作为进化亲缘关系的衡量标准来预测物种,这种方法准确地将菌株识别到种水平。

Pettengill等人报道了通过SNPs准确鉴定了来自WGS数据的EIEC和Shigella spp.,这个方法使用了404个用以区分志贺氏菌和EIEC谱系的SNP标记。此外,Ashton等人利用SNPs的进化系统发育关系证明了Shigella血清型的分类。


04

基于核糖体蛋白特征的鉴定


MALDI-TOF质谱用于种水平的早期鉴定,对于志贺氏菌的辨别能力较低。2013年,Khot和Fisher报道传统的MALDI-TOF MS无法区分志贺氏杆菌和大肠杆菌,但是他们报道MALDI-TOF MS利用自动数据分析方法可以从Shigella区分出无活性和其他非乳糖发酵E. coli

       表2  比较了每种分子方法区分E. coliShigella spp.血清群的能力图片


05

总    结


单独使用16S rRNA、MLST、MALDI-TOF MS等方法均只能实现部分E. coliShigella spp.的区分鉴定;多种方法的结合使用,或采用更进一步的全基因组(WGS)鉴定方法,通过基于SNPs或k-mers法的进化分析或更好地区分E. coliShigella spp.。



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参考文献

Devanga Ragupathi NK,Muthuirulandi Sethuvel DP, Inbanathan FY, Veeraraghavan B. Accurate differentiation of Escherichia coli and Shigella serogroups: challenges and strategies. New Microbes New Infect. 2017 Sep 23;21:58-62.


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