中国百日咳鲍特氏菌在转录组水平的适应性进化研究

Pertussis (whooping cough) is an acute respiratory infectious disease caused by the bacterium Bordetella pertussis (B.pertussis). The crowd is generally susceptible to pertussis, especially in infants and young children. In recent years, the incidence of pertussis in many countries showed a significant increasing trend. Pertussis still remains endemic and local outbreaks were reported in China despite the high vaccination coverage since 1990s. Molecular epidemiological studies performed by our group have shown that the main antigen gene of B.pertussis exits drift phenomenon and the bacterial genome is in a continous adaptive evolution with the use of pertussis vaccine in the past 60 years. In order to understand the rules of evolution, the molecular evolution of pathogens at the transcriptome level also should be investigated. In this study, B.pertussis epidemic strains from different periods and current vaccine strain in China under the same conditions will be performed for the whole-transcriptome sequencing and comparative transcriptomics analysis. The level of gene expression, the level of gene structure and regulation of B.pertussis in the process of genome evolution will be investigated from the transcriptome level. Based on the above results, our group will research and evaluate the relationship between the genomic variation of pathogens and the activity of major virulence antigens, the virulence of bacteria and the pathogenesis of bacteria. These data will lay the foundation for the molecular epidemiological surveillance of pertussis, disease prevention and control and the development of new vaccines in China.

百日咳是由百日咳鲍特氏菌引起的一种急性呼吸道传染病，人群普遍易感，尤以婴幼儿多见。近年来很多国家百日咳的发病率呈现明显的增多趋势。我国自上世纪90年代以来疫苗接种覆盖率一直维持在较高水平，但每年仍有不少百日咳病例的报道，局部地区甚至出现爆发流行，严重威胁人民身体健康。我们前期的分子流行病学研究显示百日咳疫苗使用近60年来，我国百日咳鲍特氏菌主要抗原基因出现了漂移现象，细菌基因组处于不断适应性进化中。为掌握这些进化规律，还应在转录组层面上研究致病菌的分子进化趋势。因此本研究拟通过对中国不同时期百日咳流行菌株和当前疫苗株在同一条件下的全转录组序列测定和比较转录组学分析，了解我国百日咳杆菌在进化过程中的基因转录表达水平差异，基因结构水平变化及调控规律，并以此探讨致病菌基因组变异与细菌主要毒力抗原活性、细菌毒力和致病机制的关系，从而为我国百日咳分子流行病监测、疾病防控和新疫苗研制工作等奠定基础。

百日咳是由百日咳鲍特氏菌引起的一种急性呼吸道传染病，人群普遍易感，尤以婴幼儿多见。近年来很多国家百日咳的发病率呈现明显的增多趋势。我国自上世纪90年代以来疫苗接种覆盖率一直维持在较高水平，但每年仍有不少百日咳病例的报道，局部地区甚至出现爆发流行，严重威胁人民身体健康。我们前期的分子流行病学研究显示百日咳疫苗使用近60年来，我国百日咳鲍特氏菌主要抗原基因ptxP、prn等出现了漂移现象，细菌基因组处于不断适应性进化中, 但这些基因变异对致病菌的转录和蛋白表达水平及细菌毒力的影响等方面还不清楚。本研究选取了6株不同时期、不同基因型百日咳流行菌株和无细胞百日咳疫苗株CS株进行全转录组测序和差异基因比较分析及验证，发现ptxP3菌株主要毒力基因ptxA、prn、fhaB的转录产物mRNA显著高于ptxP1菌株，显示了一定的株系依赖性。蛋白表达谱比较分析中虽然没有发现主要毒力蛋白表达的显著差异，但成功筛选到很多与毒力抗原基因转录、蛋白质翻译、分泌转化等相关的蛋白差异，新基因型ptxP3菌株中这些蛋白表达量显著上调。在此基础上，通过ELISA法、酶-HPLC法和碳水化合物结合试验方法对18株我国不同时期流行菌株和疫苗生产株的百日咳毒素产毒活性进行检测分析，发现在引入百日咳疫苗后较未接种疫苗时期分离的百日咳杆菌产毒相对活性低，但在2000年分离的百日咳杆菌产毒相对活性略有升高。进一步分析显示ptxp3新基因型启动子的菌株，其产毒活性显著高于ptxp1基因型启动子的菌株，与欧洲分离株结果一致。另外采用小鼠免疫鼻腔攻击动物模型用于疫苗对不同基因型菌株的保护性评价研究，结果显示现有百日咳疫苗对不同基因型细菌的清除率存在一定差异，对非疫苗基因型ptxp3细菌的清除率弱于疫苗基因型ptxp1细菌。以上结果说明百日咳杆菌基因出现了抗原漂移，菌株这种适应性进化对其产毒能力存在影响，并可能提高了菌株对疫苗的耐受性。本研究为百日咳流行病学变化和新疫苗研制提供了科学依据。