尿路感染(Urinary Tract Infection,UTI)作为临床最常见的传染性疾病之一,现已严重影响全球近60%的女性健康,其病源机制复杂、高复发和高耐药的临床属性已经严重制约其临床有效诊断、治疗和抗生素开发。研究证实,尿路感染80%的临床病例是由致病性大肠染菌(Uropathogenic Escherichia Coli,UPEC)所诱导,铁载体作为UPEC在宿主体内生长繁殖和感染过程中所产生的一类具有摄取铁元素功能的次生代谢产物,已证其实合成与表达与大肠杆菌的致病力有着潜在的关联,但关联模式和机理尚不清晰。本课题首次应用代谢组学-遗传学整合策略,以致病型大肠杆菌E.coli 83972(生物合成yesiniabactin,enterobactin,salmochelin和aerobactin四种铁载体)和非致病性大肠杆菌MG1655(仅合成保守型铁载体enterobactin)为参考模型,围绕致病性大肠杆菌与宿主尿液间是否存在有别于非致病性大肠杆菌与宿主尿液间的特征性相互作用代谢组,致病大肠杆菌和非致病性大肠杆菌之间是否存在致病力相关的特征代谢组,以及铁载体生物合成是否又如何调控这些与大肠杆菌致病力相关的特征代谢组等关键科学问题,从微生物系统代谢角度进行全景式研究。本研究首先对生物样品前处理方法、NMR仪器分析与表征参数进行系统优化,并对大肠杆菌UPEC 83972所编码的四种铁载体的基因簇(ybtS,entB,iroB,iucABCD)进行排列组合式定点敲除以不同模式阻断四种铁载体的生物合成,从而建立一套代谢组学-遗传学整合策略以应用于人体尿液和细菌细胞提取物中小分子代谢组的非靶向分析平台。基于该平台,对13组不同基因敲除型UPEC胞内代谢组及经过其培养过后的人体尿液(37位志愿者提供)代谢组进行全景分析,并结合多种模式识别分析方法进行差异性代谢物(特征代谢组)的发现与表征。最后参考多种网络生物学数据库整合构建特征代谢组的分子代谢通路,并深度结合已有的生物化学知识,理解铁载体生物合成调控代谢修饰的生物学内涵。本研究初步从UPEC与non-UPEC胞内差异代谢组角度发现和鉴定23种特征代谢物,均与大肠杆菌的致病力直接相关,其中12种差异代谢物如甲基组氨酸、丙酮、苯乙酰甘氨酸、次黄嘌呤、鸟嘌呤、L-半胱氨酸、胸苷、乙酸吲哚、4-羟基苯基乙酸盐、肌酸、富马酸盐和苯丙氨酸在UPEC中合成水平明显升高;而NAD,腺嘌呤、丙氨酸、甲酸盐、L-半胱氨酸、亮氨酸、胍基乙酸盐、5-氨基戊酸、苏氨酸、乳酸盐和甘油酸盐另11种特征差异代谢物的表达水平则显著降低。同理,本研究从大肠杆菌与宿主尿液共培养特征相互作用代谢组(互作代谢组)层面发现与表征31种与致病力密切相关的特征差异代谢产物,其中L-半胱氨酸、鲨肌醇、胞嘧啶、肌酐、香草醛、胆红素、二氢胸腺嘧啶、苯甲醛、NADP,NAD,烟酰胺、硫胺素、表儿茶素和二氢尿嘧啶等14种差异代谢物尿液中表达水平在致病性大肠杆菌培养后明显升高;而尿刊酸、富马酸盐、对氨基苯甲酸、对羟基苯基乙酸、尿苷5-单磷酸、4-羟基苯甲酸、3-羟基肉桂酸、反式-2-羟基肉桂酸酯、间甲酚、邻甲酚、对甲酚、4-氨基苯酚、N-甲基烟酰胺、苯基丙酮酸、脱氧腺苷、三磷酸鸟苷、吡哆醛和L-棕榈酰肉碱等其它17种代谢物表达水平在培养后尿液中的表达水平显著下降。最后,通过比较分析不同模式铁载体生物合成即任一单阻断、双阻断、三阻断和四种铁载体全阻断对上述特征代谢组的调控作用,惊奇的发现上述两个研究层面,任意单一铁载体的生物合成被阻断,对上述致病性相关特征代谢组均无明显影响,但随着铁载体生物合成阻断数量的增加,铁载体对特征代谢组的调控作用明显增强。当四种铁载体生物合成完全阻断时,致病性大肠杆菌与非致病性大肠杆菌的代谢组表型几乎完全趋同,特征代谢组几乎无明显区分,由此我们有理由推断铁载体生物合成协同调控大肠杆菌中上述致病力相关的特征代谢组。进一步结合生物信息学分析和代谢通路数据检索对已鉴定的上述致病力相关特征代谢组进行隶属代谢通路的归属分析,共标定17条胞内代谢通路贡献UPEC致病力的形成,有16条代谢通路直接贡献尿液互作代谢组对UPEC致病力的调控作用,更重要的是这些代谢通路致病力的表达受到四种铁载体生物合成的协同调控,他们主要覆盖能量代谢、氨基酸代谢、核苷酸代谢和肠道微生物代谢等代谢通路,这些通路的表征和活性修饰分析有助于我们从微生物与人体系统共代谢角度探究尿路感染的发病机制,并为药物发现提供新的科学基础。综上所述,本研究成功建立一套代谢组学和遗传学整合分析策略,结果初步证实铁载体生物合成对大肠杆菌胞内致病力相关代谢组和与宿主尿液间的互作代谢组具有显著的协同调控作用,即从系统共代谢层面揭示E.coli 83972中aerobactin,yesiniabactin,enterobactin和salmochelin四种铁载体的生物合成协同贡献尿路感染对宿主的致病力。此外,本研究鉴定和表征的与致病力相关的特征代谢组(互做代谢组和胞内特征差异代谢组),有潜力成为未来尿路感染诊断与治疗的全新靶点和靶点群,助力尿路感染的早期预警诊断、临床治疗和铁载体生物合成靶向的新型抗生素的设计与开发。