FRONTIERS IN MICROBIOLOGY | 段广才团队揭示金黄色葡萄球菌毒素-抗毒素系统的普遍性和广泛多样性

发布时间：2023-11-11作者：管理员

近日，郑州大学公共卫生学院段广才、杨海燕团队在FRONTIERS IN MICROBIOLOGY上发表题为 Genome mining reveals the prevalence and extensive diversity of toxin–antitoxin systems in Staphylococcus aureus的研究论文。该研究全面概述了金黄色葡萄球菌毒素-抗毒素系统的多样性和普遍性，增强了我们对这些毒素-抗毒素基因及其对金黄色葡萄球菌生态和疾病管理的潜在影响的理解，并为新型抗菌策略的开发提供理论指导。

金黄色葡萄球菌是一种致病性和适应性较强的医院和社区获得性病原体，在各种环境中都表现出持久性，对全球公共卫生构成严重威胁。毒素-抗毒素（toxin–antitoxin, TA）系统是参与金黄色葡萄球菌持留性、应激生存和生物膜形成的小型遗传模块，在细菌病原体的防御机制中发挥着至关重要的作用，它们通常由编码一对相互作用蛋白的双基因操纵子组成，包括一个可伤害宿主细胞的稳定毒素蛋白和一个可中和细胞内同源毒素的抗毒素蛋白。TA系统最初是在大肠杆菌的质粒中发现的，研究人员由于其分离后杀伤作用，将其描述为一种自私的遗传元件。随后的研究发现了位于染色体上的丰富的TA系统及其附加功能，包括噬菌体防御、抗生素抗性、毒力和生物膜信息。虽然临床病原体中的TA系统已被广泛研究，但有关金黄色葡萄球菌毒素-抗毒素系统的多样性和进化复杂性的知识有限。因此，重新金黄色葡萄球菌中的所有TA模块将有助于更好地了解金黄色葡萄球菌中的TA家族，特别是考虑到公共数据库中丰富的基因组数据。

该研究从NCBI数据库中获得了总共621条金黄色葡萄球菌全基因组序列，包括621条染色体序列和502条质粒序列，总共1123条。其中，有 494 株菌株有地理起源信息。其中，大部分序列来自人体组织，占总数的76.97%。来源于牲畜的菌株占9.18%，而来源于家禽的菌株仅有9株，占1.45%。一小部分菌株，总共 10 株，与环境来源有关（占 1.61%），只有 6 株菌株与食物来源有关，仅占 0.97%。（图 1）

图1. 金黄色葡萄球菌菌株基于wgMLST的系统发育树

Spearman相关性检验表明，基因组大小与毒素-抗毒素系统计数呈现显著的中度相关性（r = 0.53，P < 0.0001）。另外，MRSA 和 MSSA 基因组中TA素位点的丰度差异具有统计学意义，并且MRSA 中的TA系统比 MSSA 中的丰度更高（P < 0.001）。（图2）

图2. 金黄色葡萄球菌基因组大小与毒素-抗毒素系统数量之间的关系

研究结果表明，流行组中所有三个毒素基因组的GC含量与全基因组序列均存在显著差异，并且常见组中六个TA组中的五个与全基因组序列存在显著差异。（图3）

图3. 每个毒素-抗毒素系统的GC含量

研究还发现，不同的ST型别与毒素-抗毒素系统的相关性存在差异，其中ST398型菌株的毒TA系统显著高于其他几个组，并且 ST398 与 1H、2H 和 4H 之间存在显着的相关性，除此之外，不同的克隆复合物（CC）与毒素-抗毒素系统的相关性也存在差异，7H 和 9H 与 CC8 显着相关，1H、2H 和 4H 与 CC398 显着相关。此外，与其他复合物相比，6H 与 CC5 显着相关。（图4）

图4.毒素-抗毒素系统在克隆复合物中分布的热图

鉴于毒素-抗毒素系统通常与携带抗性和毒力基因的可移动遗传元件的稳定性相关，我们探寻了TA系统和与AMR或毒力相关的标记基因之间的物理联系或共现，发现一些 TA组与 AMR 或毒力基因相关。（图5）

图5. 与 AMR 基因和毒力基因相关的毒素-抗毒素系统

综上所述，该研究对大规模基因组公共测序数据进行了TA鉴定，分析结果表明，TA系统在金黄色葡萄球菌中普遍并以多种模式存在。另外，研究还发现金黄色葡萄球菌能够编码多个TA系统，这些系统在激活时针对不同的细胞功能，根据研究结果，可假设TA系统可能是维持基因毒力和抗菌素耐药性的重要进化引擎。

郑州大学公共卫生学院杨海燕教授为该论文的通讯作者。郑州大学公共卫生学院博士研究生徐洁为第一作者。该研究得到了国家自然科学基金项目的资助。

论文链接：

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2023.1165981/full