綠膿桿菌之缺乏第三型分泌系統的新臨床菌株會藉由Two-partner 系統分泌Exolysin蛋白而造成宿主出血性肺炎

論文: Elsen, S., et al. A Type III Secretion Negative Clinical Strain of pseudomonas aeruginosa Employs a Two-Partner Secreted Exolysin to Induce Hemorrhagic Pneumonia. Cell Host Microbe(2014) 15:164-176

報告者: 李瑋庭                           時間: 15:10~16:00, Apr. 30, 2014

講評老師: 鄧景浩 老師                    地點: Room 601

摘要:

    綠膿桿菌是一隻隨處可見的革蘭氏陰性菌也是伺機性的人類病原菌，目前對於大部分的抗生素已具抗藥性。此菌可以感染人類多處地方，包括呼吸道、尿道、眼睛、皮膚、指甲、傷口或燒燙傷處等區域。也常造成院內感染，嚴重會導致患者出現肺炎及敗血病而造成死亡(1)。由先前的文獻已知第三型分泌系統對於綠膿桿菌是非常重要的毒力因子，細菌能藉由第三型分泌系統將毒素直接送至宿主細胞內而造成細胞失去正常生理功能(圖一)，因此有利於此細菌的致病能力(2)。

    在此篇研究中，作者從一位患有出血性肺炎的病人身上分離到了一隻新的綠膿桿菌菌株，並命名CLJ1。藉由比對一些核甘酸序列，作者發現CLJ1與另一隻無毒力的綠膿桿菌菌株- PA7之親緣關係非常相近，且兩者都缺乏第三型分泌系統及能透過此系統而分泌的毒素之基因。在體外實驗分析發現CLJ1不像無毒力的PA7，它具有細胞毒性而能造成巨噬細胞死亡。而體內的實驗結果發現，感染CLJ1的老鼠其存活率明顯降低；也發現CLJ1與擁有第三型分泌系統之綠膿桿菌毒力菌株- PAO1一樣，能突破宿主上皮細胞及血管內皮的屏障而透過血液擴散至其他器官。由CLJ1感染老鼠肺部之組織切片染色結果及支氣管沖洗物的分析，都顯示此細菌能造成宿主產生出血性肺炎之特徵。已知ExoU是由第三型分泌系統分泌的毒素，被運送至宿主細胞內後會破壞細胞膜結構，對於綠膿桿菌的毒力扮演非常重要角色(3)。接下來進一步探討CLJ1的細胞毒性，結果發現此細菌雖不會製造ExoU毒素，卻會破壞內皮細胞膜的構造而造成細胞的壞死，所以判斷CLJ1應會分泌另外一個毒力因子而能造成細胞的死亡。將CLJ1的培養上清液做蛋白質體的分析，作者發現此細菌會分泌一種能在細胞膜形成孔洞的蛋白-Exolysin/ ExlA，其編碼的基因exlA與exlB基因為一組操縱子都能在CLJ1基因體中被發現，且兩者產物皆參與第五型分泌系統中的two -partner分泌途徑(TPS pathway) (圖二)。在過去研究中已知此系統中ExlB會形成外膜蛋白而能運送ExlA至菌體外，使ExlA發揮破壞宿主細胞膜的能力。為了測試CLJ1之ExlA的能力，作者建構了一隻缺乏exlBA操縱子且喪失第三型分泌系統功能的無毒力突變菌株- PAO1ΔpscD。藉由導入exlBA基因後，此菌株的確會擁有破壞內皮細胞之細胞膜的能力且也使老鼠出現出血性肺炎病徵，進而提升老鼠的死亡率。綜合以上實驗結果，作者證明了ExlA的確是CLJ1此毒力菌株的重要毒力因子，也是造成出血性肺炎的原因(圖三)。

(圖一) 綠膿桿菌第三型分泌系統       (圖二) 第五型分泌系統之TPS途徑

(圖三) 總結歸納圖

參考文獻:

1.     Engel, J., and Balachandran, P. (2009). Role of Pseudomonas aeruginosa type III effectors in disease. Curr. Opin. Microbiol. 12, 61–66.

2.     Hauser, A.R. (2009). The type III secretion system of Pseudomonas aeruginosa: infection by injection. Nat. Rev. Microbiol. 7, 654–665.

3.  Finck-Barbançon, V., Goranson, J., Zhu, L., Sawa, T., Wiener-Kronish, J.P., Fleiszig, S.M., Wu, C., Mende-Mueller, L., and Frank, D.W. (1997). ExoU expression by Pseudomonasaeruginosa correlates with acute cytotoxicity and epithelial injury. Mol. Microbiol. 25, 547–557.