粪肠球菌噬菌体IME198的全基因组分析及其裂解酶生物学特性研究

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粪肠球菌为革兰氏阳性菌,普遍存在于环境中,近年来已经成为医院获得性感染的主要原因之一,可引起人的心内膜炎、菌血症、泌尿道感染及脑膜炎等疾病。随着抗生素的过度使用,由耐万古霉素肠球菌引起的医院感染已成为主要问题。噬菌体是感染细菌的病毒,在自然界中无处不在。裂解酶是由噬菌体自身编码的酶,在裂解周期结束时通过降解细胞壁肽聚糖释放子代噬菌体。二者在治疗耐药菌感染方面都具有极大的应用潜力。
  本研究以临床分离的一株多重耐药粪肠球菌1550为宿主菌,分离得到了一株新型的粪肠肠球菌噬菌体,命名为vB_E.faecalis_IME198(以下简称IME198)。噬菌体可产生清晰的斑块和明确的边界。透射电镜结果显示该噬菌体头部长90nm,宽50nm,尾部长约为130nm,属于有尾噬菌体目,长尾噬菌体科。对其生物学特性进行全面的研究,在最佳感染复数为0.01时,噬菌体滴度可达到109PFU/mL,在温度范围为4-40℃和pH值为6.0-9.0的环境中可保持较高的活性。通过一步生长曲线显示该噬菌体的潜伏期较短,约为20min,而裂解期约为50min;针对各种临床菌株测试噬菌体裂解谱,结果显示20株粪肠球菌(20/50)可被裂解,而不能裂解其他菌种。证明其宿主的特异性,可以用作VREF感染的潜在治疗剂。
  通过全基因组测序结果显示噬菌体IME198具有58000bp的双链DNA基因组,G+C含量为40%。在其基因组中共鉴定出93个推定的开放阅读框(ORF),涉及核苷酸代谢和复制,结构和包装以及细菌裂解的功能的蛋白。没有发现与致病性和毒力相关的基因。通过比对分析显示,IME198与噬菌体EF-P29具有最高的序列相似性,同源基因组覆盖率为92%,最高序列同一性为97%。噬菌体基因组具有340bp的末端重复。通过SDS-PAGE结果显示出8种结构蛋白,最主要的结构蛋白可能为主要衣壳蛋白,大小约30kD。
  通过原核表达噬菌体裂解酶Lys198,相对于噬菌体,裂解酶Lys198具有更宽的裂解谱,可以裂解96%的测试菌株。当裂解酶Lys198浓度达到30μg/mL及以上时,与对数期细菌作用1h后即可杀死99%的细菌。实验表明Lys198在30-37℃,pH值为6.0~9.0时表现出明显的裂解活性,当温度为37℃时其裂解活性最强。
  裂解酶Lys198由N-末端催化结构域CHAP和C-末端细胞结合结构域CWB组成.通过比对分析,在噬菌体IME198裂解酶基因中发现内部翻译起始位点,导致额外的~8kDCWB产生。为了证实该假设,我们通过定点突变使亮氨酸取代甲硫氨酸或对推定的核糖体结合位点突变,得到了具有与全长裂解酶Lys198相同的单一蛋白质,这表明它与~8kDCWB相结合。体外杀菌实验及动物实验表明噬菌体裂解酶Lys198裂解活性最高,并对粪肠球菌所导致的感染具有较好的治疗效果,而突变株活性明显减弱,单独的催化结构域CHAP并无裂解活性。
  本论文通过对噬菌体IME198及其裂解酶特性的研究,推进了人们对噬菌体及其裂解酶作用机制的认识,为噬菌体的应用奠定了基础。
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