铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）会导致人类多重耐药性感染，特别是在患有免疫缺陷或炎性肺病，如囊性纤维化（Cysticfibrosis，简称CF）的患者中。然而，目前尚不清楚铜绿假单胞菌如何演变成一种高度适应性、全球传播的病原体。2024年7月，剑桥大学Victor Phlillip Dahdaleh心肺研究所Aaron Weimann等人在Science（IF=44.7）上发表了题为“Evolution and host-specific adaptation of Pseudomonas aeruginosa”的研究论文，研究结果揭示了铜绿假单胞菌从环境生物进化为主要人类病原体的关键连续步骤。研究团队分析了全球 9829 个铜绿假单胞菌分离株，识别出 21 个主要克隆，被其命名为“流行”克隆。这些流行性克隆引起了全世界大多数临床铜绿假单胞菌感染，在系统发育树上广泛分布，并且都在全球范围内传播。据该团队估计，这些流行病克隆起源于分布在世界各地的祖先地点，然后在 17 世纪末至 20 世纪末之间非同步扩张，可能是由人口密度、迁徙模式或空气污染的变化驱动的。通过泛基因组分析，发现流行性和散发性分离株基因组在获取参与特定细胞过程（例如转录控制）的基因方面存在显着差异。该团队还发现流行性克隆似乎对 CF 或非 CF 个体具有内在偏好，并且发现了与 CF 亲和力呈正相关和负相关的基因的清晰表达特征。高 CF 亲和力克隆能够更好地在 CF 巨噬细胞内存活，部分是由严格反应调节剂 DksA1 的表达介导的，这表明增强的宿主先天免疫逃避可能解释了某些流行性克隆感染 CF 患者的内在成功。通过检查各个克隆的近期突变历史，以了解铜绿假单胞菌的流行性克隆如何通过多轮患者体内进化来适应人类宿主，在 5641 个基因中发现了 224 个基因，被称为“病理适应性”基因。他们的总突变负担比偶然预期的要高，并对此进行了研究。发现这些病理适应基因的产物紧密相连，表明它们可能具有协调的功能作用。许多基因在 CF 或非 CF 分离株中更频繁地发生突变，这表明不同的功能程序正在被修改，并作为宿主特异性适应的一部分。病理适应基因经常与遗传性或宿主特异性适应的变化相关，从而可能推动宿主的特化。为了证明这一观点，该团队发现了 CF 患者之间或非 CF 患者之间存在交叉感染的有力证据，但 CF 与非 CF 的传播很少。该研究精确的描述了铜绿假单胞菌的致病进化，并强调了全球监测和交叉感染预防对于避免未来流行性克隆出现的重要性。

图1 铜绿假单胞菌的宿主特异性进化

显示了铜绿假单胞菌致病进化的关键步骤：（1）通过比较全基因组图分析揭示，通过水平基因转移创建具有流行潜力的环境克隆； (2) 新兴克隆对 CF 宿主的内在的、转录驱动的不同偏好与 CF 巨噬细胞内生存能力的增强有关； (3)感染CF患者与感染非CF患者的分离株随后进化的不同轨迹是由224个病理适应基因的突变介导的，这些突变影响传播性或宿主特异性适应； (4) 由于宿主的特殊化，CF 和非 CF 患者之间的传播受到限制。

图2 铜绿假单胞菌流行性克隆的出现

(A) 从本研究分析的患者、动物和环境中获得的全基因组测序铜绿假单胞菌分离株的地理位置 (n=9829)。(B) 铜绿假单胞菌克隆中分离株的累计数量，通过使用算术平均值的未加权配对方法对基因组进行聚类来定义（参见补充材料和方法），并按每个克隆的基因组数量升序排列并分层为流行病（n ≥ 30）分离株/克隆；红色）、非独特（1 < n < 30分离株/克隆；浅棕色）和独特（n=1分离株/克隆；蓝色）组。(C) 左：从所有研究分离株的基因组生成的最大似然系统发育树。主要流行克隆被标记为红色。右：条形图代表发现每个流行病克隆的城市数量，按大陆着色。(D) 使用 BEAST 通过贝叶斯推理预测的 21 个流行克隆的首次种群扩张的估计日期。(E) 使用 Panaroo 构建的流行性克隆 (n = 21) 和散发性克隆 (n = 80) 的祖先代表的泛基因组图分析。

图3 DksA1 调节子的激活有助于铜绿假单胞菌克隆的 CF 宿主偏好。

(A) 根据 Fortuna 等人的定义，DskA1调节子内正向控制（红色）和负向控制（绿色）基因的 log2 倍表达变化与 CF 比例的火山图可视化。(B) DksA1 促进 CF 巨噬细胞内铜绿假单胞菌的存活。 在用 WT（蓝色）、同基因 DskA1- 感染分化的 WT 和同基因 F508del 纯合敲入 (CF-F508del) THP1 细胞后 1 小时和 4 小时，测量活细胞内铜绿假单胞菌，通过计数细胞相关 CFU 进行定量。(C) 上图：斑马鱼的卡通图，说明 GFP 标记的荧光铜绿假单胞菌的注射部位下图：代表性荧光和差异。感染后1天的整个受感染斑马鱼幼虫的干涉对比 (DIC) 图像比例尺，150毫米标记的卵黄囊具有自发荧光。 (E) 感染铜绿假单胞菌 PAO1 WT（蓝色）、DDksA1,2 敲除型（粉色）和 DDksA1,2::DksA1 补充荧光菌株（黄色）后第 1 天。 (F 和 G) 具有 mCherry 标记巨噬细胞的对照和 cftr 变形斑马鱼幼虫肌肉内感染250至350个 GFP 标记的铜绿假单胞菌 PAO1 WT、DDksA1,2、DDksA1,2::DksA1 菌株，并使用实时活体共聚焦显微镜追踪感染。 (F) 共焦成像的代表性三维重建显示巨噬细胞（红色）和细胞外（灰色）和细胞内（绿色）铜绿假单胞菌的自动分类。 (G) 注射部位感染巨噬细胞数量的定量（左），以及通过感染铜绿假单胞菌 PAO1 WT（蓝色）、DDksA1,2 敲除后 6 小时内每个巨噬细胞内观察到的细菌相关荧光体积计算出的细胞内细菌负荷水平 （粉色）和 DDksA1,2::DksA1 互补（黄色）荧光菌株。

原文链接：https://doi.org/10.1126/science.adi0908

Doi:10.1126/science.adi0908