大肠杆菌的分型方法及其研究进展.docx

1、大肠杆菌的分型方法及其研究进展2020大肠杆菌的分型方法及其研究进展肠埃希氏菌是一种条件性致病菌，致病性的大肠埃希氏菌具有高度的传染性，会严重危害健康。快速准确地测定大肠埃希氏菌的污染来源对有效缩小疫情影响范围极有帮助，从而避免对人类健康和经济贸易造成重大损失。建立简便高效的分型方法是微生物溯源的关键，常见的大肠埃希氏菌分型方法可分为表型分型和分子分型，这些分型方法各有优劣，具有不同的适用范围。大肠埃希氏菌(Escherichia coli，E. coli)又称大肠杆菌，属革兰氏阴性菌，于1885年首次被发现1，是人和动物体内的正常寄居菌。大肠埃希氏菌是一种条件致病菌，在正常情况下不致病，然而

2、一些特殊血清型菌株可导致人或动物腹泻、腹痛甚至会产血性粪便，重症病例会并发溶血性的尿毒综合征以及血小板减少性紫癜2-3。根据大肠埃希氏菌对人类的致病机理不同，可将其分为5种类型：1.肠致病性大肠埃希氏菌(Enteropathogenic escherichia coli，EPEC)2.肠产毒性大肠埃希氏菌(Enterotoxigenic escherichia coli，ETEC)3.肠侵袭性大肠埃希氏菌(Enteroinvasive escherichia coli，EIEC)4.肠出血性大肠埃希氏菌(Enterohemorrhagic escherichia coli，EHEC)5.肠集聚

3、性大肠埃希氏菌(Enteroaggregative escherichia coli，EAEC)大肠埃希氏菌的肠道传染具有比较广泛的特性，而食品在生产、包装及运输过程中极易感染此菌，进而引发传染性疾病5。2018年6月，大肠埃希氏菌O157:H7污染生菜事件的暴发，影响了美国36个州，事件造成96人住院和5人死亡6。2019年4月，美国的10个州暴发牛肉感染大肠埃希氏菌O103事件，导致177人感染，其中21人住院，涉事公司紧急召回了53 200磅牛肉7。大肠埃希氏菌是一些传染性疾病的重要来源之一，致病性的大肠埃希氏菌严重威胁着人类健康8。迅速确定大肠埃希氏菌的污染来源可有效缩小疫情影响范围，

4、避免对人类健康和经济贸易产生重大损失。根据大肠埃希氏菌表面抗原的不同，大肠埃希氏菌可分为1 000多种血清型9，建立简便高效的追溯技术和分型方法是微生物溯源的关键。大肠埃希氏菌的常见分型方法可分为表型分型和分子分型，这两种类型的分型方法各有优劣，具有不同的适用范围，随着分子生物学和生物信息学等学科的迅速发展，大肠埃希氏菌的分型方法不断地被丰富和完善，国内对大肠埃希氏菌的分型方法综述尚未见报道。本文围绕表型分型方法和分子分型方法综述了国内外大肠埃希氏菌分型的研究进展，为致病菌溯源方法的选择提供参考依据，对防御并控制致病菌引起的流行病传播具有重要的意义。1、表型分型方法表型分型方法是以各种微生物基

5、因产物发生的生物化学反应为基础来判断微生物菌体种类的一类分型方法10。表型分型方法具有多方优势，如分型成本低、操作技术简单、不需要大型分析仪器和设备、一次可进行大批量样本分析等11，因此在基层应用比较广泛12。然而，此类方法的鉴定结果容易受到菌体生存条件和培养条件的影响，导致鉴定结果不够准确和稳定，还需要其他分型方法的补充和验证13-14。常用的表型分型方法有血清分型和噬菌体分型15。1.1 血清分型血清分型是大肠埃希氏菌表型分型中最常用的方法之一，也是鉴定大肠埃希氏菌是否含有致病性的最重要方法。大肠埃希氏菌的抗原结构较复杂，可归为4类抗原：菌体抗原(O抗原)、表面抗原(K抗原)、鞭毛抗原(H

6、抗原)和菌毛抗原(F抗原)16。大肠埃希氏菌的血清分型是基于O抗原、K抗原和H抗原来进行分型，研究表明大肠埃希氏菌的K抗原、H抗原与O抗原具有一定程度的相关性，F1、F11菌毛抗原与O78、O1、O2三种菌体抗原型菌株之间存在较为显著的相关性17，因此通常在大肠埃希氏菌病的诊断过程中，若仅以鉴定O抗原难以达到预想的分型效果。血清分型的鉴定方法是通过血清凝集实验来实现的，血清凝集实验是通过高温(100 ，2 h)处理菌株获得菌株表面O抗原，基于免疫共沉淀的原理，O抗原与相应抗体结合，在电解质存在的条件下，经过一段时间可出现肉眼可见的凝集小块，以此来判断是否有目标抗原存在。目前已知的大肠埃希氏菌O

7、抗原血清型有170种，在中国已经有50多种致病性大肠埃希氏菌血清型被成功分离和鉴定18。高崧等19运用血清分型对595株大肠埃希氏菌进行了分析，发现6个血清型为优势血清型，分别是O18、O78、O2、O88、O11和O26。2003年我国颁布的致泻大肠埃希氏菌检验国家标准20采用的是血清分型方法，2016年修订了新的国家标准21，采用的是聚合酶链式反应(polymerase chain reaction，PCR)对5种致泻大肠埃希氏菌的14种特征基因进行扩增，进而判断结果。有些菌株属于不可分型，例如有一些菌株因O抗原的相关基因发生突变或者丢失，导致丧失合成O抗原的能力，则不与抗血清发生凝集反应

8、，这些菌株不能通过血清分型鉴定22。血清分型依据细菌表面的单一抗原表位来对目标菌进行分型，不能将菌株之间的遗传关系完全反映出来，可能存在具有相同血清型但菌株之间遗传关系相差很远的现象，不同菌株致病性可能存在巨大差异，此时运用血清分型方法会影响分型的效果，导致鉴定结果不准确23。由于血清分型方法具有操作简单、易于掌握的特点，在基层得到了广泛的应用，但传统的血清学分型方法也有一定的缺陷，如耗时长、费用高，不利于大规模应用，敏感性也不高，需要重复检测才能得出结果。此外，该方法要求鉴定的致病菌纯度尽可能高、保持新鲜并传代次数较少，并且还要求标准免疫血清和标准菌株具备特异性强和滴度高的特点。分型结果会受

9、到很多因素的影响，如血清质量、血清来源、血清交叉反应以及菌体表面其他抗原成分，使得检测准确度、检出率和灵敏度很难达到理想的效果24。1.2 噬菌体分型噬菌体是一类能够感染细菌、真菌等微生物的病毒，主要结构是由蛋白质外壳包裹着遗传物质。噬菌体可以通过蛋白质外壳与宿主细菌表面的受体特异性结合，将自身的遗传物质注入宿主细菌体内。噬菌体对宿主细菌的感染和裂解作用通常具有较高的特异性。噬菌体分型方法的原理就是依据噬菌体与相应细菌具有特异性的裂解作用，能够在培养基上形成直观清晰的噬菌斑来确定宿主细菌的种类25，通常被用于区分不同的细菌亚型。噬菌体分型在众多细菌分型方法中扮演着非常重要的角色，常作为联合分型

10、方法受到广泛运用26。李萌等27通过对肠出血性大肠埃希氏菌O157:H7的研究发现，由于该类型菌株的高度保守性，对其引起的流行病学检测研究必须采用不同种类的分型方法，比较不同分型方法的实验结果后发现噬菌体分型方法具有较高的分辨率，可将66种详细类别的大肠埃希氏菌O157:H7分离出来。噬菌体分型具有高特异性和成本低廉的优点，并具有可区分活细菌和死细菌的能力，较易运用于其他检测领域，目前基于噬菌体识别食源性致病菌的模式已在检测领域得到广泛的应用28。然而，此方法对噬菌体的用量、侵染时间等一系列条件有特殊的要求，通常需要较长时间，对操作人员的实践能力和操作技术要求较高，噬菌体分型方法的使用受到限制

11、29。2、分子分型方法分子分型方法基于致病菌(病原体)的遗传物质(DNA)，通过构建不同细菌个体的“DNA指纹”文库，将分离得到的细菌样本与可能的污染源(食品、粪便等)分离得到的同类细菌样本的“DNA指纹”进行分析对比，从而判断致病菌的污染来源30。常见的分子分型方法包括脉冲场凝胶电泳分型技术、多位点序列分型技术、限制性片段长度多态性分型技术、随机引物扩增多态性DNA分型技术、扩增片段长度多态性分型技术、变性高效液相色谱分型技术、重复序列聚合酶链反应分型技术、成簇的规律间隔的短回文重复序列分型技术、质粒图谱分型技术和单核苷酸多态性分型技术等分型方法。2.1 脉冲场凝胶电泳分型技术 脉冲场凝胶电

12、泳(pulsed field gel electrophoresis，PFGE)分型技术在1984年由Schwartz和Cantor首次提出31，其原理是在脉冲电场的作用下，可分离大于20 kb以及小于5 Mb的DNA分子混合物，然而传统的琼脂糖凝胶电泳技术仅能分离小于50 kb的DNA分子片段，无法清晰地分辨大于50 kb的DNA分子片段，PFGE使得DNA分子片段的分离更为准确。大量研究已证实，PFGE方法具有很高的鉴定能力，在致病菌的研究领域中具有较大的优势32，大肠埃希氏菌是其中较为显著的菌种之一。PFGE被称为细菌分子分型技术的“金标准”，被广泛地应用于致病微生物的分型33。如今PF

13、GE还为致病菌基因分型、传染源追踪和传播途径探讨等研究提供了有力的支持。Bono等34利用PFGE研究产志贺毒素大肠埃希氏菌(shiga toxin-producing Escherichia coli，STEC) O157的来源，对426个致病菌株进行了分析，研究结果显示STEC O157存在762个基因组多态性，可被分成175个型，研究还发现在其中8个主要的STEC O157谱系中，有7个谱系的菌株来源于牛，作者还对流行病菌株内部之间的进化关系进行了详细的探讨。吴宁鹏等35采用PFGE对分离到的32株耐黏菌素大肠埃希氏菌进行分型研究，实验结果显示，32株耐黏菌素大肠埃希氏菌呈现出遗传多样性

14、，但不同的菌株之间具有着一定的遗传关系，表明PFGE在大肠埃希氏菌的分型和溯源中起重要作用。然而PFGE的使用也存在一定的缺陷，如需要花费较长的时间，且色谱图上只能反映片段的尺寸和数目，无法明确具体的序列信息，两个片段碱基序列不同的菌株可能存在相似分子量，因此结果可能会出现假阳性。此外，如果实验中使用的限制性内切酶不同，所得到的电泳图谱会有一定的误差36。2.2 多位点序列分型技术多位点序列(multilocus sequence typing，MLST)分型技术是近些年发展比较迅速的分子分型方法，该方法合理地运用了高通量测序技术和生物信息学方法。MLST方法一般测定610个管家基因的核苷酸序

15、列(内部长度为400600 bp)，如金黄色葡萄球菌通常需要测定7个管家基因，致伤弧菌需测定10个管家基因；根据每个位点的序列被发现的时间顺序来赋予等位基因编号，每一株细菌的等位基因编号按照指定的顺序排列就是它的等位基因谱，称为该株菌的序列型(sequence type，ST)，所得到的ST代表一组单独的核苷酸序列信息。通过比较菌株的ST可判定菌株的相关性，密切相关菌株具有相同的ST或仅有极个别基因位点不同的ST，不相关菌株的ST至少有3个或3个以上基因位点不同37。该方法只涉及扩增细菌的管家基因，操作过程简便，研究者将数据提交到MLST网站上就可以了解到全球不同国家实验室的相关菌株信息，该技

16、术具有快速简便、重复性好、分辨率较高、数据标准和实验结果可比性高等优点，被广泛应用于许多致病微生物的进化研究中。王龙光等38利用MLST对698株鸡源大肠埃希氏菌进行分型研究，将135株高致病菌株分型为48个ST型。Aghamohammad等39运用MLST对产超广谱-内酰胺酶的大肠埃希氏菌毒力群(ESBL-EC)进行分型，结果在120例受试个体中，ESBL-EC携带率为60.0% (72/120)，ESBL-EC分离株的主要序列类型为ST 769和ST 472，分析结果表明MLST具有较好的分型能力。MLST的不足之处是不适用于管家基因无变异或变异程度低的菌株分型，此外，测序成本相对较高也是

17、限制其广泛应用的一个重要因素。2.3 限制性片段长度多态性分型技术限制性片段长度多态性(restriction fragment length polymorphism，RFLP)分型技术是最早用于反映DNA分子中不同限制性酶切位点分布的分子标记技术，其原理是利用特定的限制性内切酶识别并切割不同生物个体的基因组DNA，得到大小不等的DNA片段，所产生的DNA数目和各个片段的长度反映了DNA分子上不同酶切位点的分布情况。结合凝胶电泳法可将不同的条带分离，与标记菌体特异性DNA片段的探针进行Southern印迹杂交或放射自显影处理，以获得反映不同个体特征的RFLP图谱，从而识别致病菌株的种类40。

18、RFLP的优点是共显性好、结果稳定，并且不受标记基因座数量的限制，该法有利于构建遗传连锁图谱。Ho等41利用PCR-RFLP方法对不同来源的大肠埃希氏菌进行分析，研究结果发现携带CTX-M编码质粒的大肠埃希氏菌同时存在于检测目标来源，包括动物粪便、人粪或人尿，结果证实此类大肠埃希氏菌具有人和动物交叉污染的风险。Shridhar等42从牛粪中分离的除大肠埃希氏菌O157以外的STEC血清群菌株的stx亚型，通过计算机模拟RFLP，在核苷酸水平上鉴定了志贺毒素基因型，结果显示RFLP具有较好的基因分型能力，可为致病菌的分型提供参考。RFLP的拷贝编码序列分布低且十分稳定，但RFLP方法的实验操作比

19、较繁琐，而且检测周期较长，成本相对较高，不便于进行大规模的操作。2.4 随机引物扩增多态性DNA分型技术随机引物扩增多态性DNA (randomly amplified polymorphic DNA，RAPD)分型技术利用随机引物进行PCR扩增基因组DNA，然后通过电泳分离产物，进而分析片段多态性。任何特定的RAPD引物在基因组DNA序列上都有特异的结合位点，如果在基因组区域发生DNA片段插入、缺失或碱基突变，可能会导致某个特定结合位点的分布发生变化43。由于引物的使用量不同会导致扩增产物的数量和大小不一样，最终展现出多态性，因此RAPD可用来检测细菌体全基因组的DNA多态性，进而可构建基因

20、组指纹图谱44。Krger等45分析来自动物的6株大肠埃希氏菌获得3种RAPD图谱，在此过程中发现了2种新的人源大肠埃希氏菌RAPD图谱，为研究大肠埃希氏菌的分型提供了支持。Fazel等46在5个不同的城市采集了来源于14个奶牛群的430份临床乳腺炎样本，采用多重PCR方法确定系统发育群，并运用RAPD对所有菌株进行分型，研究结果均表明RAPD具有较好的分型能力且操作简便；此方法耗时较短，所需用的菌体DNA量较少，并且在实验过程中引物可通用，不需要全基因组的序列信息来确定特定靶标。RAPD分型技术的不足是随机性较高，模板量、Mg2+浓度和DNA聚合酶质量等因素会影响分型效果，可重复性较差，且准

21、确性低于PFGE和扩增片段长度多态性分型技术47，这些不足导致RAPD未得到广泛的应用。2.5 扩增片段长度多态性分型技术扩增片段长度多态性(amplified fragment length polymorphisms，AFLP)分型技术最早是由荷兰科学家Zabeau和Vos48在1992年提出的，其结合了RFLP与RAPD的特性，即通过核酸内切酶切割基因组DNA获得大小不一的DNA片段，这些离散的DNA片段由特定的连接子连接，通过对连接子序列的识别和PCR扩增，经过聚丙烯酰胺电泳分离获得特异限制性片段。AFLP既有RFLP的可靠性，又有RAPD的灵敏性，使其更适合分子分型研究。该方法需要的

22、DNA用量少、检测效率高，且有含量丰富的多态信息，是相对有效的分子标记方法49。Leung等50利用AFLP技术研究了分离自不同寄主的110株大肠埃希氏菌寄主的溯源和致病性鉴定，结果显示了AFLP技术对寄主的识别率超过90%，对肠致病性大肠埃希氏菌、非致病性大肠埃希氏菌和细胞毒素型大肠埃希氏菌的鉴别率均超过90%，研究结果表明AFLP技术对大肠埃希氏菌寄主的溯源及其致病性研究具有较高的效率。Spindola等51对尿源性大肠埃希氏菌中引起泌尿系统感染的毒力基因、系统发育背景和克隆多样性进行研究，成功地将从巴西母猪分离得到的186株尿源性大肠埃希氏菌分为4种类型。AFLP的缺点是费用较昂贵、对模

23、板质量要求较高，同时要求操作人员具有较高的工作技能，因此AFLP难以实现在基层使用。2.6 变性高效液相色谱分型技术变性高效液相色谱(denaturing high performance liquid chromatography，DHPLC)分型技术是近年来迅速发展的一种新型基因突变筛查技术。其原理是首先提取多种细菌16S rRNA基因中含有的高度变异序列片段，然后分别将上述细菌和参照菌株的扩增产物混合，通过控制调节不同的变性温度，得到同源双链和异源双链扩增样品，这两种双链产物具有不同的洗脱时间，所以具有高度不同的色谱峰，病原菌的检测和溯源就是通过比对不同目标菌的色谱峰而得出52。该方法具

24、有较高的灵敏度和特异性。姜芹等53利用PCR结合DHPLC测定大肠埃希氏菌喹诺酮耐药决定区gryrA和gryrB的基因突变率，通过PCR扩增22株喹诺酮耐药大肠埃希氏菌的2种基因，产物经DNA杂交后运用DHPLC进行检测和序列测定，结果发现其中20株试验菌的gryrA基因出现异常峰型，14株试验菌的gryrB基因发现异常峰型。实验结果证明运用DHPLC分型方法得出的结果与传统血清学鉴定结果没有明显的差别，并且鉴定时间较短、通量较高。Xu等54采用PCR结合DHPLC方法对食源性肠毒素大肠埃希氏菌、肠致病性大肠埃希氏菌、肠出血性大肠埃希氏菌和肠侵袭性大肠埃希氏菌进行分型，并且建立了一种可以同时检

25、测不同种类大肠埃希氏菌的方法，结果表明多重PCR-DHPLC可同时快速鉴定上述四大类大肠埃希氏菌。DHPLC对引物的设计和反应条件要求比较高，需要筛选DNA片段的多个解链温度，并且只可以定性，无法确定具体的突变位点和突变类型。2.7 重复序列聚合酶链反应分型技术重复序列聚合酶链反应(repetitive sequence-based polymerase chain reaction，Rep-PCR)分型技术是指原核生物基因组中存在重复的DNA序列，如基因外重复回文序列(repetitive extragenic palindrome，REP)、肠杆菌基因间重复一致序列(enterobacte

26、rial repetitive intergenic consensus，ERIC)、插入序列(insertion sequence，IS)等55，Rep-PCR根据重复序列设计引物，应用PCR技术对目标基因进行扩增，通过电泳对比分析，实现对细菌分型和溯源56。该方法的优势在于操作简单、鉴定率较高。韩彦垒等57运用Rep-PCR法验证环境因素对大肠埃希氏菌Rep-PCR指纹图谱稳定性是否存在一定的影响，研究结果表明Rep-PCR指纹图谱具有高度稳定性，从而证实大肠埃希氏菌可被用作粪便指示菌。Dominguez等58从阿根廷商业肉鸡场收集的粪便样品中获得大肠埃希氏菌菌株(n=41)，通过ERIC

27、-PCR和Rep-PCR分析发现分离株具有较高的多样性，同时对分离株携带的耐药基因进行了分析，发现健康鸡携带的大肠埃希氏菌具有广泛的抗生素耐药机制，该研究为防控动物滥用抗生素的风险及其对公共卫生的影响提供了依据。2.8 成簇的规律间隔短回文重复序列分型技术成簇的规律间隔短回文重复序列(clustered regularly interspaced short palindromic repeats，CRISPR)分型技术是一种新发现的可遗传性原核防御系统，用于获取外源遗传物质(如噬菌体)的遗传性59，它于1987年在大肠埃希氏菌中首次被发现60。CRISPR序列是由一段不连续的同向DNA重复序

28、列(direct repeat，通常为2447 bp)组成，其中插入了间隔序列(spacer，通常为2172 bp)。在CRISPR序列中，同向重复序列的大小和顺序几乎无差别，但间隔序列在不同致病菌、相同致病菌的不同血清型或不同菌株之间差异很大61。由于间隔序列的获得、丢失或复制，促使CRISPR序列成为细菌中进化最快的位点之一62。因此，基于间隔序列的特异性，CRISPR不仅能够精确地反映致病性菌株或血清型之间的关系，而且可以反映宿主环境和地理位置的差异63。杨广珠等64应用CRISPR成功地对39株大肠埃希氏菌O157进行分型，结果发现大肠埃希氏菌O157:H7有8株，大肠杆菌O157有3

29、株。Toro等65用CRISPR对产194株志贺毒素大肠埃希氏菌进行分型，研究发现具有相同H抗原的大肠埃希氏菌O26、O103和O111含有相同的CRISPR序列。研究结果表明CRISPR的分型能力比较强，并且可为致病菌的分型研究提供有效的参考依据。由于CRISPR的高度多态性为致病菌分子分型提供了理想的位点，CRISPRS网络数据库(https:/crispr.i2bc.paris-saclay.fr/crispr/)已建成，在该数据库可查到原核生物基因组测序的CRPSIPR位点信息。CRISPR在数据分析、输出、标准化和数据交换方面优于现行的分型方法，现广泛应用于各类微生物致病菌的分子分型

30、中，并成为现今多种分型方法的补充手段。2.9 质粒图谱分型技术质粒图谱分型技术是在病原微生物和流行病学研究中较早被使用的分子分型技术之一。质粒是可以在细菌体内自我复制的环状双链DNA分子，在细菌染色体外可以稳定且独立的存在。质粒通常具有选择性的特点，可以携带编码将具有毒性、抗生素抗性和重金属耐受性的基因转录到宿主细菌中。每株细菌可能含有几种不同大小的质粒，在经过电泳后会呈现出几条大小不同的电泳条带66。细菌的质粒相对稳定，并且其指纹图谱具有特异性，因此质粒图谱分型技术是根据该特点实现对不同细菌鉴定的目的67。彭苗苗等68运用质粒图谱分型技术分析了猪源大肠埃希氏菌耐药性，发现其中含有3个或更多质

31、粒条带的大肠埃希氏菌有9株，其质粒谱型均不一样。王淑娟等69对携带鸡白细胞介素-6 (ChIL-6)基因的重组大肠埃希氏菌的遗传稳定性进行了质粒图谱分型研究，结果显示不同代次菌株的蛋白电泳图谱、ChIL-6蛋白表达量、ChIL-6蛋白的体外促鸡脾淋巴细胞增殖活性方面并无显著差异，研究结果表明质粒图谱分型技术为致病菌株遗传稳定性的分型和检测提供有效依据。质粒图谱分型技术在暴发性流行菌株的鉴定和流行病学的调查中具有一定的优势，此方法克服了传统的表型分型方法稳定性差和灵敏度低的缺点，具有较高的特异性，可重复且鉴定周期短70。2.10 单核苷酸多态性分型技术单核苷酸多态性(single nucleot

32、ide polymorphism，SNP)分型技术是第三代分子标记技术，是基于基因组上单个核苷酸发生突变引起的DNA序列多态性实现对细菌进行分型71。SNP所涉及的变异由单个碱基的转换或颠换所引起，该比例约为2:1。SNP是双等位基因多态性，出现3或4个等位基因多态性的可能性很小72，由于双等位基因多态性是非此即彼，通常只做阳性和阴性分析，这有利于进行快速的基因分型73。SNP可被广泛应用，一切已知或未知基因附近几乎都能找到相关的标记位点74。大量研究证实，在获得更加丰富的单核苷酸多态性基础上，可大大提高对大肠埃希氏菌的分型能力75。Hommais等76利用MLST研究大肠埃希氏菌SNP位点，并进行了基于单核苷酸多态性的进化关系，结果都显示出良好的分型效果。Zhang等77利用STEC O157:H7全基因组测序芯片获得了大量的单核苷酸多态性，在523对染色体组基因中共发现906个不同的单核苷酸多态性，因此获得了STEC O157: