我国宋内志贺菌的流行变迁及变异进化规律研究

The surveillance data from the Chinese National Infectious Disease Internet Reporting System showed that the reported annual incidence of shigellosis in China was one of the top four notifiable infectious diseases in recent years. Among Shigella spp., Shigella sonnei is gradually exceeding Shigella flexneri to become the dominant pathogen of bacillary dysentery. Noteworthily, we firstly identified the epidemic of ONPG-negtive Shigella sonnei in some regions of China, which has supplanted the ONPG-positive Shigella sonnei, representing a new dominant strain type in China. So the threat from the epideminc and variation trend of Shigella sonnei in Mainland China should not be underestimated. In this study we will explore the the epidemic change and variation of Shigella sonnei especially the ONPG-negtive Shigella sonnei in Mainland China. Furthermore, whole genome sequencing was performed to clarify the molecular mechanism of emergence and epidemic of ONPG-negtive Shigella sonnei, and to investigate the role of recombination, insertion/deletion, and horizontal gene transfer in the variation and evolution of Shigella sonnei. In addition, phylogenetic analysis based on single-nucleotide polymorphism, core-genome, pan-genome and accessory genome was used to better understand the evolution and national dissemination of Shigella sonnei in China. In conclusion, this study can provide the scientific basis for the shigellosis surveillance, early warning and confirmation of the outbreak, source-tracking, transmission survey, and the formulation of the control and prevention strategy.

近年来，在我国由志贺菌引起的细菌性痢疾的病死率在所有传染病中位居前四，而且宋内志贺菌正逐渐取代福氏志贺菌成为其主要病原。此外，本课题组首次发现ONPG阴性宋内志贺菌在我国的流行，其在部分地区已超过ONPG阳性菌成为优势菌型。宋内志贺菌这种新的流行变异趋势及其对公共健康的威胁不容忽视。本研究将在前期工作基础上，开展我国宋内志贺菌特别是ONPG阴性菌的流行变迁与变异规律研究；通过代表性菌株的全基因组测序及深入的生物信息学分析，揭示ONPG阴性菌流行的分子机制，阐明基因重组、插入/缺失、水平转移等遗传事件在宋内志贺菌毒力和耐药变化及其在进化中的作用；通过系统发生分析与种群结构重建，探究我国宋内志贺菌包括ONPG阴性菌在时空上的传播演化规律，以及与国外宋内志贺菌的传播进化关系，从而为细菌性痢疾的检测监测、暴发疫情的早期预警与识别、传染源的追溯、传播关系的调查以及防控策略的制订提供科学依据。

国内外研究显示，宋内志贺菌正逐渐超过福氏志贺菌成为主要的流行菌型。通过本项目研究，首次发现了ONPG阴性罕见宋内志贺菌在我国的流行扩散。通过抗生素敏感性试验，发现我国宋内志贺菌表现出严重的多重耐药性，包括对三代头孢类等腹泻治疗一线药物。通过对耐药基因检测，发现在耐头孢类抗生素的宋内志贺菌中广泛存在CTX-M型等β-内酰胺类抗生素耐药相关基因，并且ONPG阴性和阳性菌存在不同的优势CTX-M型。通过对311株ONPG阴性宋内志贺菌和402株ONPG阳性菌进行PFGE聚类分析，发现ONPG阴性菌与阳性菌相比存在遗传差异，其存在优势流行克隆在我国不同地区间扩散。选取196 株宋内志贺菌（包括84 株ONPG 阴性菌）进行全基因组测序。通过SNP系统进化分析，显示我国绝大部分宋内志贺菌属于全球流行的Global III 分支，但形成一个独特的国内分支。通过分子钟计算，国内分支很可能起源于1980年代，且与韩国分离株相似性较高，因此推测我国宋内志贺菌很可能由欧洲来源的宋内志贺菌扩散到亚洲后传入中国。ONPG 阴性菌分为6个group，其中ONPG-1为优势group，在我国不同地区流行扩散，而上海分离株很可能作为ONPG 阴性菌的传播扩散的源头。比较基因组学分析显示，所有ONPG 阴性菌均缺失了包含lacIZY操纵子和mhpABR 基因簇在内的10 kb 大片段，且是由于IS1插入子转座导致的，通过构建lac操纵子缺失突变株，证实lac操纵子缺失是ONPG阴性表型出现的分子机制。耐药基因热图分析，发现我国宋内志贺菌与国外菌株相比含有更多的耐药基因，如普遍含有pSpA多重耐药小质粒、Tn7/In2 转座整合子、blaTEM 和aac3’-IIa 等，并含有blaCTX-M头孢类耐药基因，说明耐药基因的获得在国内菌株的微进化中发挥了重要作用。本项目研究结果对于我国细菌性痢疾的检测监测、暴发疫情的早期识别、溯源调查、疫苗研发等防控策略的科学制订具有重要指导意义。