魯 曦 吳定燕 任 珂 朱振寶 錢衛(wèi)生
(1.陜西科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院,西安 710021;2.空軍軍醫(yī)大學(xué)唐都醫(yī)院,西安 710038)
腸毒性大腸桿菌(enterotoxigenicEscherichiacoli,ETEC)是導(dǎo)致仔豬腹瀉的常見病原微生物之一,約50%的仔豬死亡與ETEC感染有關(guān)[1]。2016年我國新生活仔豬8.79億頭,其中1.53億頭因腹瀉等疾病在斷奶前后死亡,直接導(dǎo)致經(jīng)濟損失高達240億元[2]。此外,ETEC也是導(dǎo)致發(fā)展中國家兒童腹瀉和旅行者腹瀉最常見的病原體之一[3-5],而全世界有10%~60%的腹瀉患者由ETEC感染導(dǎo)致,嚴(yán)重威脅著人體健康[6-7]。
生物被膜(biofilm,BF)是細菌生長過程中的天然保護機制[8],通過增加病原微生物對腸道黏膜表面的黏附從而增強耐受力[9-11]。ETEC感染機體腸道的第1步是在定植因子的介導(dǎo)下黏附于小腸上皮細胞上,而生物被膜無疑大大增強了ETEC的致病性[12-13]。此外,大腸桿菌致病性還受宿主腸道微環(huán)境中信號分子的影響[14]。其中,N-乙酰乙醇胺(N-acylethanolamine)和磷脂酰乙醇胺(phosphatidylethanolamine)作為哺乳動物小腸上皮細胞膜和細菌細胞膜的主要成分,可在體內(nèi)分解為乙醇胺(ethanolamine,EA)而被腸道微生物直接利用。前人研究發(fā)現(xiàn),腸內(nèi)乙醇胺濃度約為4 mmol/L[15],乙醇胺不僅能夠調(diào)節(jié)出血性大腸桿菌O157∶H7編碼志賀毒素和毒力相關(guān)基因的表達量[14],也會對鼠傷寒沙門氏菌在宿主腸道內(nèi)的適應(yīng)性與毒力表達起到促進作用[16]。而病原菌eut操縱子在其中發(fā)揮了重要作用,該操縱子編碼了乙醇胺受體eutR基因和參與乙醇胺代謝的eutB等10余個基因[17-20]。
為了研究乙醇胺對ETEC生物被膜的調(diào)控作用,本研究首先使用Red重組系統(tǒng)(λ噬菌體γ、β和exo同源重組系統(tǒng))對eutR和eutB基因進行敲除,然后在體外模擬腸內(nèi)缺氧條件下,利用乙醇胺對野生型ETEC(WT)和eutR、eutB基因敲除株(△eutR和△eutB)進行干預(yù),通過對ETEC生長情況、生物被膜生成量進行測定,探討了腸內(nèi)乙醇胺對ETEC致病表型的可能影響。本研究揭示了乙醇胺影響ETEC生物被膜生成量的一般規(guī)律,為預(yù)防和控制ETEC對仔豬腸道損傷提供理論依據(jù),也為緩解畜禽腹瀉問題提供新的可能突破口。
本試驗所用菌株和質(zhì)粒信息見表1[21]。pfu DNA聚合酶、Taq聚合酶、dNTP、切膠純化試劑盒等分子生物學(xué)試劑購自生工生物工程(上海)股份有限公司(以下簡稱生工)。乙醇胺、L-阿拉伯糖、異丙基-β-D-硫代半乳糖苷(IPTG)、氯霉素(Cm)和卡那霉素(Kn)購自西格瑪奧德里奇有限公司(Sigma-Aldrich)。
表1 菌株和質(zhì)粒信息
伯樂Western blotting電泳轉(zhuǎn)印系統(tǒng)(Bio-Rad Mini-Protean Tetra System)、厭氧培養(yǎng)系統(tǒng)(Gene Science A30)、伯樂電穿孔(Bio-Rad Gene Pluser Xcell)和生化培養(yǎng)箱(Heal Force)、Varioskan LUX多功能酶標(biāo)儀(Thermo)。
菌株培養(yǎng)參見文獻[22]。試驗條件下利用無氧培養(yǎng)系統(tǒng)對ETEC進行培養(yǎng),其中厭氧氣體成分為:80.0%氮氣、9.6%二氧化碳及10.4%氫氣,重復(fù)置換3次后放置在37 ℃生化培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)。
1.4.1eutB基因敲除打靶片段的設(shè)計與制備
根據(jù)ETEC H10407菌株的eutB基因及上、下游序列進行引物設(shè)計,通過PCR反應(yīng)獲得外側(cè)50 bp序列為eutB基因的同源重組臂,內(nèi)側(cè)20~30 bp序列為卡那霉素抗性基因表達框。引物由生工合成。eutB-F、eutB-R引物用于擴增eutB基因兩翼的同源序列中間為卡那霉素抗性基因的打靶DNA片段。引物信息參見表2,其中大寫序列為ATCC35401菌株eutB基因的同源重組臂;小寫序列為卡那霉素抗性基因的特異引物序列。
以pET28a質(zhì)粒為模板,eutB-F、eutB-R為擴增引物,利用pfu DNA酶進行PCR擴增。反應(yīng)體系如下:pET28a質(zhì)粒(10 ng/μL)0.5 μL、10×pfu Buffer 5 μL、dNTP(2.5 mmol/L)4 μL、eutB-F(50 pmol/μL)0.5 μL、eutB-R(50 pmol/μL)0.5 μL、pfu DNA polymerase(MBI,5 U/μL)0.5 μL,加dH2O至50 μL。PCR擴增條件:首先95 ℃ 5 min;隨后95 ℃變性30 s,55 ℃退火(每循環(huán)降低0.5 ℃)45 s,72 ℃延伸90 s,重復(fù)30個循環(huán);最后72 ℃延伸7 min,4 ℃反應(yīng)終止。利用生工膠純化試劑盒進行純化回收,去除非特異性片段和PCR反應(yīng)組分并調(diào)整濃度為20 ng/μL。
1.4.2eutR基因敲除打靶片段的設(shè)計與制備
根據(jù)ETEC H10407菌株的eutR基因及上、下游序列進行引物設(shè)計,通過PCR反應(yīng)獲得外側(cè)50 bp序列為eutR基因的靶向同源重組臂,內(nèi)側(cè)20~30 bp序列為氯霉素抗性基因表達框。引物由生工合成。eutR-F、eutR-R引物用于擴增eutR基因兩翼的同源序列中間為卡那霉素抗性基因的打靶DNA片段。引物信息參見表2,其中大寫序列為ATCC35401菌株eutR基因的同源重組臂;小寫序列為氯霉素抗性基因的特異引物序列。
表2 PCR引物信息
以pKD3質(zhì)粒為模板,eutR-F、eutR-R為擴增引物,利用pfu DNA酶擴增。pKD3質(zhì)粒(10 ng/μL)0.5 μL、10×pfu DNA Buffer 5 μL、dNTP(2.5 mmol/L )4 μL、eutR-F(50 pmol/μL)0.5 μL、eutR-R(50 pmol/μL)0.5 μL、pfu DNA polymerase(MBI,5 U/μL)0.5 μL,加dH2O至50 μL。PCR擴增條件:同1.4.1。利用生工膠純化試劑盒進行純化回收,去除非特異性片段和PCR 反應(yīng)組分并調(diào)整濃度為20 ng/μL。
1.5.1 ETEC H10407菌株感受態(tài)細胞的制備及eutB基因打靶
首先制備ETEC H10407菌株的電轉(zhuǎn)化感受態(tài)細胞,然后將pKD46質(zhì)粒電轉(zhuǎn)化進入ETEC H10407感受態(tài)細胞,將其涂布在含有氨芐青霉素的LB瓊脂平板上,30 ℃培養(yǎng)過夜培養(yǎng)。接著挑選H10407/pKD46單克隆,制備成電轉(zhuǎn)化感受態(tài)細胞。最后將eutB打靶片段轉(zhuǎn)化進入H10407/pKD46感受態(tài)細胞,隨后涂布添加有卡那霉素的LB瓊脂平板上,37 ℃培養(yǎng)過夜。在上述含有抗生素的LB平板上隨機挑取正常生長的淡黃色菌落,各接種至3 mL LB(含50 μg/mL卡那霉素),37 ℃培養(yǎng)過夜。用基因組上同源手臂外側(cè)的1對引物進行PCR檢測。引物序列eutB-outF和eutB-outR見表2;反應(yīng)體系:菌液0.5 μL、10×Taq Buffer 5 μL、dNTP(2.5 mmol/L)4 μL、eutB-outF(50 pmol/μL)0.5 μL、eutB-outR(50 pmol/μL) 0.5 μL、Taq DNA polymerase(5 U/μL) 0.5 μL、dH2O 39 μL,總共50 μL;擴增條件:95 ℃ 5 min;95 ℃ 30 s,60 ℃ 30 s,72 ℃ 90 s,進行35個循環(huán);最后72 ℃延伸7 min。
1.5.2 ETEC H10407菌株感受態(tài)細胞的制備及eutR基因打靶
方法同上(1.5.1),最后將eutR打靶片段轉(zhuǎn)化進入H10407/pKD46感受態(tài)細胞。轉(zhuǎn)化細胞涂布在含有卡那霉素的LB平板上,37 ℃培養(yǎng)過夜培養(yǎng)。利用eutB-outF/CmSeqR2和CmSeqF2/eutB-outR(具體序列見表2)引物組進行PCR驗證,反應(yīng)體系:菌液0.5 μL、10×Taq Buffer 5 μL、dNTP (2.5 mmol/L )4 μL、eutR-outF/CmSeqR2 (50 pmol/μL) 0.5 μL、CmSeqF2/eutR-outR (50 pmol/μL)0.5 μL、Taq DNA polymerase(5 U/μL) 0.5 μL、dH2O 39 μL,總共50 μL;擴增條件:95 ℃ 5 min;9 5℃ 30 s,60 ℃ 30 s,72 ℃ 45 s,進行35個循環(huán);最后72 ℃延伸7 min。
為了在體外模擬宿主腸道乙醇胺濃度,本研究選用4 mmol/L作為試驗濃度,將活化培養(yǎng)好的WT和△eutR和△eutB按照1∶100的比例接種至含有乙醇胺或者不含有乙醇胺的LB肉湯培養(yǎng)基中,用Varioskan LUX多測定功能酶標(biāo)儀測定生長曲線,孵育溫度為37 ℃(在此溫度下乙醇胺穩(wěn)定),共測定12 h。
分別挑取WT、ΔeutR和ΔeutB單菌落,至3 mL的LB肉湯培養(yǎng)基中,37 ℃搖床過夜培養(yǎng)。次日將WT、ΔeutR和ΔeutB菌液以1∶100的比例接種至含有不同濃度乙醇胺的新鮮LB肉湯培養(yǎng)基的樣品瓶中,在37 ℃搖床上,160 r/min有氧培養(yǎng)12 h。接著取出樣品瓶,倒掉菌液,用磷酸鹽緩沖液(PBS)洗去殘留菌體,放置晾干。向樣品瓶中加入0.5 mL 2.5%的結(jié)晶紫溶液,染色1 min,然后用無菌水洗去染液,放置晾干。最后向樣品瓶中加入1 mL 33%的冰乙酸,在吸光度(OD)570 nm處測定。
利用實時熒光定量PCR技術(shù)對qesE基因表達水平進行相對定量,首先使用Steadypure Universal RNA提取試劑盒進行總RNA提取,并利用Evo-M-MLV Premix進行反轉(zhuǎn)錄,具體操作嚴(yán)格按照試劑盒說明書進行。PCR反應(yīng)體系如下:2×SYBR Green pro Taq HS Premix 10 μL,50 pmol/μL引物各0.2 μL,模板cDNA 1 μL,dH2O補足20 μL,其中引物序列見表2。以gyrA基因作為內(nèi)參,結(jié)果采用2-ΔΔCt方法進行計算。
數(shù)據(jù)表示為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”(means±SD),使用GraphPad Prism 8軟件進行數(shù)據(jù)的處理分析以及圖像的繪制,試驗數(shù)據(jù)采用單因素方差分析(one-way ANOVA)進行差異顯著性檢驗。P<0.05表示差異顯著。
利用PCR擴增出了eutB基因打靶片段,其兩側(cè)為60~80 bp的eutB基因同源重序列,內(nèi)側(cè)為卡那霉素抗性基因序列;同理擴增出eutR基因打靶片段,其內(nèi)側(cè)為氯霉素抗性基因序列。PCR擴增結(jié)果見圖1,其中eutR和eutB基因打靶片段長度分別為1 106和967 bp,片段大小與預(yù)期相符。隨后使用膠回收試劑盒對目標(biāo)產(chǎn)物進行純化。
圖A:1為eutB基因打靶片段;M為DNA分子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(DL 5 000);圖B:1為eutR基因打靶片段;M為DNA分子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) (DL 5 000)。
2.2.1 △eutB的PCR驗證
在卡那霉素平板上篩選eutB敲除成功的菌株:隨機挑取了12個單菌落,同時用出發(fā)菌株(H10407)作為陰性對照,提取DNA后使用eutB-outF和eutB-outR引物進行PCR驗證。出發(fā)菌株擴增產(chǎn)物長度為1 525 bp,而eutB基因被卡那霉素抗性基因替換后擴增產(chǎn)物長度應(yīng)為1 045 bp。結(jié)果如圖2所示,除了第2、6、11號菌落外,其余擴增產(chǎn)物大小均與預(yù)期相符,可能為替換成功的陽性克隆。選擇第1號菌落,在含有卡那霉素的LB平板上連續(xù)傳代3次后隨機挑取單菌落,接種至3 mL含卡那霉素的LB肉湯培養(yǎng)基,37 ℃,220 r/min培養(yǎng)過夜,離心后提取菌體DNA,用eutB-outF和eutB-outR引物再次進行PCR擴增,并測序驗證。測序結(jié)果顯示與預(yù)期相符,提示eutB基因敲除成功,該菌命名為:Ecoli10407/ΔEutB::Kn。
+: 原始菌株的擴增結(jié)果。M: DNA分子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(DL 5 000)。1~12:第1~12號菌落的擴增結(jié)果。
2.2.2 △eutR的PCR驗證
同理,誘導(dǎo)eutR基因敲除后在氯霉素平板篩選,結(jié)果僅有單一菌落生長。用于敲除的氯霉素抗性基因長度與目標(biāo)基因長度一致,因此難以通過eutR-outF和eutR-outR擴增的PCR產(chǎn)物長度進行分辨(圖3-A),因此我們選擇eutR-outF與CmSeqF2對氯霉素LB平板上的唯一菌落進行擴增。結(jié)果顯示(圖3-B)PCR擴增為陽性,且產(chǎn)物長度與預(yù)計(638 bp)相符,提示此菌落可能為成功敲除菌株。為進一步驗證,同理,將此菌落在氯霉素抗性平板上連續(xù)劃線傳代3次,用雙外側(cè)引物對菌體DNA進行PCR擴增,并將產(chǎn)物進行測序驗證。測序結(jié)果顯示與設(shè)計一致,提示eutR基因敲除成功,該菌命名為:Ecoli10407/ΔEutR::Cm。
圖A為利用外側(cè)引物(eutR-outF和eutR-outR)PCR擴增敲除菌株驗證結(jié)果。其中,1為陽性克隆PCR擴增結(jié)果(理論長度1 250 bp);M為DNA分子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(DL 5 000);2為原始菌株外側(cè)引物PCR擴增結(jié)果(理論長度1 267 bp)。Figure A shows the validation results of PCR amplification using external primers (eutR-outF and eutR-outR) to knock out strains. Among them, 1 was PCR amplification results of positive clone (theoretical length: 1 250 bp); M was DNA marker (DL 5 000); 2 was PCR amplification results of primers on the outer side of the original strain (theoretical length: 1 267 bp).
為探討eutR和eutB基因敲除對ETEC生長繁殖的影響,我們對WT和ΔeutR和ΔeutB進行了生長曲線測定,結(jié)果如圖4-A:ΔeutR和ΔeutB在LB培養(yǎng)基中的生長速度與WT相比并未出現(xiàn)明顯差異(P>0.05)。接著,使用含有4 mmol/L乙醇胺的LB培養(yǎng)基模擬腸內(nèi)乙醇胺濃度條件下,檢測了上述3株ETEC在37 ℃培養(yǎng)12 h后的OD600值,并以不含乙醇胺的LB培養(yǎng)基作為對照。結(jié)果如圖4-B所示,4 mmol/L乙醇胺并不能夠改變3株ETEC在LB肉湯培養(yǎng)基中12 h時的生長。
圖A為WT、ΔeutR和ΔeutB在LB培養(yǎng)基中的生長曲線;圖B為4 mmol/L乙醇胺對WT、ΔeutR和ΔeutB在LB培養(yǎng)基中培養(yǎng)12 h時OD600值的影響。ns表示無統(tǒng)計學(xué)差異。
2.2.3eutR和eutB基因敲除對ETEC生物被膜生成量的影響
雖然ETEC對乙醇胺的感知與代謝并不影響其在LB培養(yǎng)基中的生長繁殖,但為了進一步探究乙醇胺對ETEC致病能力的影響,本研究在4 mmol/L乙醇胺條件下,對WT、ΔeutR和ΔeutB生物被膜生成量進行測定,并以不含乙醇胺的LB培養(yǎng)基作為對照,探討乙醇胺的識別和利用對ETEC生物被膜生成的影響。結(jié)果如圖5所示,相比對照條件,4 mmol/L乙醇胺可以顯著提高WT生物被膜生成量(P<0.05)。然而,當(dāng)eutB或eutR基因敲除后,4 mmol/L乙醇胺不能夠顯著改變其生物被膜的生成量(P>0.05)。以上數(shù)據(jù)提示:1)腸道中乙醇胺濃度可以顯著提高野生型ETEC生物被膜的體外生成;2)eutR和eutB基因在乙醇胺促進ETEC生物被膜產(chǎn)生的過程中起到關(guān)鍵作用。
ns為無統(tǒng)計學(xué)差異;*為差異顯著(P<0.05)。下同圖。
接下來,為了進一步探討乙醇胺識別和利用通過何種途徑影響了ETEC生物被膜的生成,本研究測定了乙醇胺對生物被膜調(diào)控基因qesE表達量的影響,結(jié)果如圖6所示,4 mmol/L乙醇胺可以顯著提高野生型ETEC的qesE基因表達量(P<0.05),但無法對ΔeutR和ΔeutB敲除qesE基因表達量產(chǎn)生影響。這一結(jié)果提示,環(huán)境中乙醇胺對ETEC生物被膜生成量的影響,或許是通過提高qesE基因表達量導(dǎo)致。
圖6 乙醇胺對WT、ΔeutB和
研究表明,宿主腸道中的營養(yǎng)物質(zhì)、細胞代謝產(chǎn)物等可以作為信號分子影響腸道病原菌的毒力表達[15,23]。乙醇胺作為宿主腸道上皮細胞膜和腸道微生物細胞膜的主要成分,對腸道病原菌毒力表達已有相關(guān)報道,例如:食源性鼠傷寒沙門氏菌會識別腸道環(huán)境中的乙醇胺促進對宿主環(huán)境的適應(yīng)和定植,且eutR基因可以促進乙醇胺的代謝、影響病沙門氏菌毒力表達和傳播,而eutB基因在乙醇胺信號傳導(dǎo)、影響鼠傷寒沙門氏菌毒力表達中也起到重要作用[14,16,24]。此外,在對出血性大腸桿菌(EHEC)H7∶O157的研究中發(fā)現(xiàn):EHEC將乙醇胺作為信號分子在多種環(huán)境因素共同作用下激活EHEC的毒力表達。以上研究提示,乙醇胺對腸道致病菌的毒力表達起到關(guān)鍵作用,然而,乙醇胺是如何影響ETEC毒力表型尚不明確。
為了探究乙醇胺對ETEC毒力表型的影響,本研究首先利用λ噬菌體Red重組系統(tǒng)對ETEC編碼乙醇胺受體和乙醇胺代謝關(guān)鍵基因eutR和eutB分別敲除成功。該技術(shù)在大腸桿菌基因敲除中具有較高的敲除效率[25]。接下來,對生長情況進行測定。結(jié)果發(fā)現(xiàn),敲除株與突變株的生長情況并無顯著差異,造成這一現(xiàn)象的原因可能是乙醇胺識別和利用功能的缺失,并不會影響ETEC對培養(yǎng)基中其他碳源或者氮源的利用。
環(huán)境中的乙醇胺并不會影響ETEC在LB培養(yǎng)基中的生長和繁殖。根據(jù)這一結(jié)果我們推測:1)4 mmol/L乙醇胺對ETEC致病性的影響可能并非通過促進其生長繁殖的方式來體現(xiàn);2)從ETEC的營養(yǎng)利用角度看,可能在LB肉湯培養(yǎng)基中的乙醇胺作為碳源或氮源與其他營養(yǎng)物質(zhì)并無顯著區(qū)別??墒窃诤罄m(xù)研究中,可以通過將乙醇胺作為唯一碳源或唯一氮源,在不同濃度條件下進一步深入研究乙醇胺作為營養(yǎng)物質(zhì)對ETEC生長繁殖的影響。
雖然腸道中乙醇胺濃度并不能顯著影響ETEC的生長繁殖,但在接下來的研究中發(fā)現(xiàn),這一濃度的乙醇胺可以顯著提高WT生物被膜的生成。對于△eutR和△eutB,由于它們無法識別和利用環(huán)境中的乙醇胺,因此不論乙醇胺是否存在,均不會影響敲除株的生物被膜生成量。這一數(shù)據(jù)提示:1)腸道濃度的乙醇胺可能影響ETEC生物被膜的生成;2)編碼乙醇胺受體的eutR基因和編碼乙醇胺代謝的關(guān)鍵基因eutB在這一過程中起到了關(guān)鍵作用。眾所周知,生物被膜可以增強細菌的抵抗力,從而保護自身免受宿主免疫系統(tǒng)的攻擊,而ETEC進入宿主腸道后,首先會在定植因子的介導(dǎo)下黏附在小腸上皮細胞上,然后進行生長繁殖、表達毒力,其生物被膜的產(chǎn)生會進一步增強ETEC對宿主的抵抗力從而增強其對宿主的損傷作用。綜合以上數(shù)據(jù),由于△eutB的基因組上依然編碼有乙醇胺受體基因eutR,因此,△eutB依然能夠感知環(huán)境中乙醇胺的存在。而eutB敲除卻能夠抑制乙醇胺對ETEC生物被膜生成的促進作用。這一數(shù)據(jù)提示,乙醇胺對ETEC對生物被膜生成的影響,可能受到了乙醇胺代謝或其代謝物的影響,而不僅僅是ETEC對乙醇胺信號分子的識別。
雖然,本研究并未揭示乙醇胺促進ETEC生物被膜生成的確切機制,例如:這一促進作用是通過ETEC對乙醇胺代謝后產(chǎn)生的何種物質(zhì)起到關(guān)鍵作用,但是本研究發(fā)現(xiàn)qesE基因在4 mmol/L乙醇胺處理條件下表達量發(fā)生顯著上調(diào)。前人研究也發(fā)現(xiàn),該基因參與生物被膜的生成過程,但乙醇胺對ETEC生物被膜的促進作用是否由qesE基因?qū)е?,仍需要進一步研究。另外,本研究也并未對乙醇胺影響ETEC其他毒力表型進行研究,例如,對LT毒素表達、黏附作用以及耐藥表型進行研究。但本研究數(shù)據(jù)足以說明,腸道中乙醇胺濃度在體外厭氧條件下可以提高ETEC生物被膜的生成,應(yīng)當(dāng)引起足夠重視。最后,通過阻斷對乙醇胺的利用,或許能夠成為緩解ETEC感染造成仔豬死亡率的靶點之一。
本研究利用λ噬菌體Red同源重組系統(tǒng),成功敲除了ETEC基因組中參與乙醇胺識別和利用的eutR和eutB基因。研究發(fā)現(xiàn),eutR和eutB敲除并不會影響ETEC在LB培養(yǎng)基中的正常生長,但4 mmol/L的EA可以顯著促進ETEC的生物被膜的生成量,且這一作用可能與eutR和eutB基因密切相關(guān)。