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摘要:
本文對(duì)莢膜多糖進(jìn)行了概述,綜述近年來細(xì)菌莢膜多糖相關(guān)的研究進(jìn)展,并從理化性質(zhì)與生物學(xué)功能的角度出發(fā),總結(jié)了近年來莢膜多糖提取、分離、純化等方面的研究,重點(diǎn)介紹了與莢膜多糖結(jié)構(gòu)相關(guān)的研究進(jìn)展。本文為進(jìn)一步研究細(xì)菌致病性、分型機(jī)制提供必要的方法,為疫苗的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),對(duì)加強(qiáng)致病菌的防控具有重要意義。
關(guān)鍵詞:
莢膜多糖;提?。环蛛x;純化;理化性質(zhì)
莢膜多糖是細(xì)菌細(xì)胞壁外層的膠狀物質(zhì),具有抗原性和特異性,可用于細(xì)菌鑒定[1],是細(xì)菌重要的毒力因子[2]。莢膜多糖是一種分子量大、極性大的物質(zhì),對(duì)其進(jìn)行分離純化和結(jié)構(gòu)解析要比單糖和寡糖更加復(fù)雜。很多細(xì)菌的表面都具有莢膜,例如肺炎鏈球菌,B群鏈球菌,豬鏈球菌等[3]。有報(bào)道認(rèn)為莢膜的存在與細(xì)菌耐藥性呈正相關(guān),一旦感染則發(fā)病率和死亡率都很高[4]。為進(jìn)一步了解細(xì)菌的致病機(jī)制,設(shè)計(jì)及研制更加有效的疫苗,研究細(xì)菌莢膜多糖的結(jié)構(gòu)日益引起了國內(nèi)外學(xué)者的重視。本文主要針對(duì)莢膜多糖的分離純化和結(jié)構(gòu)解析的最新研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。
1細(xì)菌莢膜多糖的概述
莢膜是某些細(xì)菌表面的特殊結(jié)構(gòu),是一層位于細(xì)胞壁表面的松散的粘液物質(zhì),莢膜的成分因菌種不同而異,主要是由糖與糖醛酸組成的聚合物,如豬鏈球菌的莢膜多糖。也有部分細(xì)菌的莢膜多糖含有多肽及脂質(zhì),如炭疽桿菌[5]。細(xì)菌莢膜具有抗原性,可用于細(xì)菌的鑒定[1]。細(xì)菌鑒定的前提是對(duì)細(xì)菌進(jìn)行科學(xué)的分型,目前對(duì)于細(xì)菌分型主要有兩大分型系統(tǒng),即血清型分型系統(tǒng)和基因分型系統(tǒng)。血清型分型系統(tǒng)主要依據(jù)莢膜多糖和脂多糖不同的抗原性對(duì)細(xì)菌進(jìn)行區(qū)分?;蚍中拖到y(tǒng)主要依據(jù)毒力因子,與免疫相關(guān)的因子等因素為主,將具有相同致病機(jī)制的細(xì)菌分為一類[6]。莢膜多糖作為細(xì)菌的毒力因子,其與細(xì)菌的血清型有密切關(guān)系。不同血清型的細(xì)菌會(huì)產(chǎn)生不同的毒力因子,對(duì)宿主造成不同的影響,而不同的毒力因子是通過不同的基因進(jìn)行編碼的,因此,毒力因子與血清型之間存在著密不可分的關(guān)系。由于莢膜位于細(xì)菌最外部,是細(xì)菌感染宿主時(shí)最先接觸的物質(zhì),所以多為細(xì)菌主要的毒力因子[2]。莢膜多糖作為毒力因子,在細(xì)菌抵抗免疫系統(tǒng)中吞噬細(xì)胞吞噬過程中擔(dān)任著重要角色[7]。以豬鏈球菌為例,豬鏈球菌2型的莢膜多糖主要由鼠李糖、半乳糖、葡萄糖、N2-乙酰半乳糖胺和唾液酸這5種單糖組成,其糖蛋白是由231個(gè)氨基酸殘基組成,由位于基因組3846~4541bp之間的一段長696bp基因序列編碼[8]。莢膜多糖的存在降低了豬鏈球菌被吞噬細(xì)胞吞噬的程度,而無莢膜的突變株容易被吞噬。莢膜的厚度越大越有利于抵抗豬多形核白細(xì)胞的吞噬[9]。實(shí)驗(yàn)表明,由于莢膜多糖的存在,使豬鏈球菌2型能夠抵抗巨噬細(xì)胞的吞噬,并且使被吞噬的細(xì)菌可以在巨噬細(xì)胞中存活至少3h[10]。Gottschalk和Segura在2000年提出“特洛伊木馬”模型,即豬鏈球菌黏附在免疫細(xì)胞上,特別是單核細(xì)胞,隨著單核細(xì)胞通過血腦屏障[11],這就是莢膜多糖發(fā)揮抗吞噬能力的機(jī)制。莢膜多糖作為毒力因子,致病機(jī)理就在于抗吞噬能力,黏附能力和維持細(xì)菌在細(xì)胞內(nèi)部存活的能力。
2細(xì)菌莢膜多糖的理化特征
從化學(xué)組成上來說,大部分的細(xì)菌莢膜多糖是以2種或以上的單糖(如D-葡萄糖,D-半乳糖,L-鼠李糖等)及其他物質(zhì)(如磷酸根,唾液酸等)為重復(fù)單元,聚合形成的大分子物質(zhì)。大多數(shù)細(xì)菌的莢膜多糖為酸性黏多糖,屬于雜多糖類。有文獻(xiàn)報(bào)道b型流感嗜血桿菌莢膜多糖的主要成分是多聚核糖基核糖醇磷酸鹽[12]。還有一部分細(xì)菌莢膜多糖是有乙酰化的多糖組成[13]。A群腦膜炎奈瑟菌莢膜多糖,其主要結(jié)構(gòu)是多聚磷酸乙酰氨基吡喃型甘露糖,乙?;Y(jié)構(gòu)是該菌最重要的免疫原性表位[14]。從化學(xué)結(jié)構(gòu)上來說,莢膜多糖通過各種作用力,如分子間氫鍵或者其他非共價(jià)鍵,與細(xì)胞壁之間形成了比較強(qiáng)韌的外膜,黏附在細(xì)菌的表面。莢膜多糖是由重復(fù)的單糖通過糖苷鍵連接形成聚合物,由于單糖種類不同,連接方式不同,多糖結(jié)構(gòu)中是否存在支鏈,有機(jī)或者無機(jī)分子等因素導(dǎo)致莢膜結(jié)構(gòu)解析存在巨大的復(fù)雜性[15]。正是因?yàn)槠浞肿咏M成復(fù)雜性和構(gòu)型多樣性,科研人員以此作為細(xì)菌血清學(xué)分型的基礎(chǔ),即根據(jù)細(xì)菌莢膜多糖的抗原性的異同對(duì)細(xì)菌進(jìn)行分型。肺炎雙球菌,根據(jù)其莢膜多糖的抗原性,迄今為止,可分為96種血清型,而其中有30多種血清型有致病性。大腸桿菌,據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)超過90種血清型,其中有少數(shù)是具有侵襲感染能力的,而在可以引發(fā)新生兒腦膜炎的這類大腸桿菌具有相同的多糖鏈,只是多糖的不同修飾導(dǎo)致它們之間存在差異[16]。
3細(xì)菌莢膜多糖的功能
莢膜由于其具有耐干燥,黏附,儲(chǔ)存養(yǎng)分等功能,成為致病性細(xì)菌的一種重要的毒力因子。細(xì)菌莢膜中水分占到95%以上,含有大量水分的莢膜在細(xì)菌的表面,可以避免細(xì)菌脫水死亡,這就使得有莢膜的細(xì)菌更容易在宿主間相互傳播[17]。莢膜多糖還能夠促進(jìn)細(xì)菌與細(xì)菌或者細(xì)胞之間的黏附,從而促進(jìn)生物膜的形成和在不同的生存環(huán)境中的定植[18]。例如,能夠引起齲齒的唾液鏈球菌和變異鏈球菌會(huì)分泌己糖基轉(zhuǎn)移酶,使口腔中的蔗糖轉(zhuǎn)變成果聚糖,這種果聚糖能使細(xì)菌牢牢黏附于牙齒表面,而細(xì)菌發(fā)酵糖類產(chǎn)生的乳酸在局部積累后,會(huì)使牙齒表面的琺瑯質(zhì)層發(fā)生腐蝕而引起齲齒[19]。某些細(xì)菌的莢膜還是儲(chǔ)存養(yǎng)分的場所,以備細(xì)菌處于營養(yǎng)缺乏時(shí)可以利用,如黃色桿菌的莢膜。而豬鏈球菌的莢膜除上述作用外,最重要的作用是抗吞噬作用,由于它的存在大大降低了豬鏈球菌被吞噬的程度,而莢膜厚度的增加也會(huì)使豬鏈球菌抗白細(xì)胞殺傷能力[20]。
4細(xì)菌莢膜多糖的分離純化
莢膜多糖的提取分離一般分以下幾個(gè)步驟:去菌體,粗提總糖,去除蛋白質(zhì)和核酸,分級(jí)分離[21-22]。
4.1去除菌體和總糖粗提取在提取多糖之前,首先需要去除菌體。目前,去除菌體提取總糖的方法主要有離心法,酶解法,巴氏滅菌法[23]等。離心法,將滅菌過的培養(yǎng)液通過離心機(jī)離心,然后收集上層清液的方法除去菌體。但是該方法去除菌體的效果差,離心的效果依賴于高效能的離心設(shè)備。對(duì)于含有唾液酸等不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的莢膜多糖,最常用的方法是酶解法,即細(xì)菌培養(yǎng)液離心得到菌體,然后將菌體分散在緩沖液中,再加入不同的酶,酶解菌體,最后再次離心使菌體碎片和莢膜多糖分離,取上層清液[24]。用溶菌酶來裂解菌體,從而可以避免破壞莢膜多糖。酶解法的成本較高,但是專一性強(qiáng),去除菌體的效果較好。中國海洋大學(xué)的趙峽課題組通過將菌體分散在甘氨酸緩沖液中,然后加入溶菌酶裂解消化的方法去除豬鏈球菌菌體,從而得到莢膜多糖[25]。巴氏滅菌法,通過對(duì)菌液進(jìn)行加熱滅菌,隨著溫度的提高,多糖的溶解度逐步提高,有利于后續(xù)的離心。巴氏滅菌法便于操作,去除菌體效果較好,過程中要注意溫度,溫度過高會(huì)導(dǎo)致多糖分解。在2013年Gottschalk課題組發(fā)表的文章中,通過此方法,在121℃加熱菌液75min來達(dá)到去除菌體的目的,從而得到14型豬鏈球菌的莢膜多糖[26]。
4.2去除蛋白質(zhì)和核酸由于一些細(xì)菌的莢膜多糖結(jié)構(gòu)復(fù)雜且穩(wěn)定性較差,所以在純化過程中要注意方法的選擇。有機(jī)溶劑多級(jí)沉淀法由于其操作簡單并且對(duì)操作人員的良好性被廣泛使用[27]。有機(jī)試劑引起多糖、蛋白等物質(zhì)沉淀的原因是加入有機(jī)試劑使水溶液的介電常數(shù)降低,從而增加了具有相反電荷的基團(tuán)之間的吸引力,促使分子聚集而沉淀,此類現(xiàn)象類似鹽析。但是利用該法沉淀莢膜多糖的同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致核酸和蛋白的沉淀,為避免多糖中混合核酸和蛋白,可以在溶液中加入陽離子,例如CaCl2,NaCl,利用陽離子和帶負(fù)電的基團(tuán)結(jié)合,降低多聚核苷酸鏈之間的排斥作用,從而去除核酸和蛋白,或者通過加入酶,將蛋白質(zhì)去除,得到莢膜多糖的沉淀[28]。
4.3分級(jí)分離根據(jù)莢膜多糖的理化性質(zhì)對(duì)其進(jìn)行分級(jí)分離,莢膜多糖是一種極性很大,分子量之間存在較大差異的物質(zhì)。所以可以通過體積排阻色譜技術(shù)進(jìn)行分離純化,其中凝膠層析技術(shù)運(yùn)用最為成熟,且效果最佳[29]。莢膜多糖除了可以根據(jù)分子量差異進(jìn)行分離純化,在其組成中有磷酸基或者乙?;@些基團(tuán)可以使莢膜多糖具有不同的電荷性質(zhì)和pH值,根據(jù)此類理化性質(zhì)可以采用離子交換技術(shù)對(duì)其進(jìn)行分離純化[30]。進(jìn)一步的純化還可以采用超濾法,這是一種用于分子分離的膜分離技術(shù),操作簡便,無需添加化學(xué)試劑[31]??梢愿鶕?jù)待分離的物質(zhì)的性質(zhì)選擇不同規(guī)格的超濾膜。
4.3.1凝膠色譜法凝膠色譜法是一種簡單而快速的分離技術(shù),對(duì)高分子物質(zhì)有較好的分離能力。分離的基本原理是分子篩效應(yīng)。根據(jù)凝膠的種類和性質(zhì)不同,分為交聯(lián)葡聚糖凝膠(sephadex),瓊脂糖凝膠(sepharose)[32],丙烯葡聚糖凝膠(sepharcryl)等。根據(jù)多糖的性質(zhì)和分子量范圍選擇適合的凝膠種類和型號(hào)。CristinaDeCastro課題組于2008年發(fā)表的文章中,采用sepharcrylS-500HR凝膠柱成功地從Rhizobiumrubi分離純化出一種新的莢膜多糖[33]。在2010年Gottschalk課題組通過乙醇沉淀法提取2型豬鏈球菌的莢膜多糖,然后通過使用sepharcrylS-400HR凝膠裝柱,對(duì)粗多糖進(jìn)行分離純化,然后運(yùn)用GC-MS技術(shù)得到2型豬鏈球菌莢膜多糖的單糖組成,結(jié)合質(zhì)譜,核磁共振,以及相關(guān)化學(xué)反應(yīng),確定了2型豬鏈球菌莢膜多糖的結(jié)構(gòu)[28]。該課題組在2013年又得到了14型豬鏈球菌莢膜多糖的結(jié)構(gòu)[26]。
4.3.2離子交換色譜法離子交換色譜的基本原理是根據(jù)物質(zhì)的酸堿性,極性的不同極性分離。運(yùn)用離子交換色譜技術(shù)分離糖類,可以有效地去除酸堿成分和無機(jī)離子,從而得到糖和糖苷[30]。但是對(duì)于帶有唾液酸的多糖樣品,不宜使用強(qiáng)陰離子交換,唾液酸會(huì)發(fā)生嚴(yán)重脫離[34]。
5莢膜多糖的結(jié)構(gòu)解析
莢膜多糖由于極性大,分子量高,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,多以復(fù)合物存在等原因,增加了結(jié)構(gòu)解析的難度。分離純化度高會(huì)增大結(jié)構(gòu)解析的成功率和準(zhǔn)確性。結(jié)構(gòu)解析一般分為以下幾個(gè)步驟,單糖組成分析,分子量確定[35],糖殘基連接位置和順序、構(gòu)型、分支點(diǎn)結(jié)構(gòu)分析[36]。單糖組成分析方面,主要技術(shù)有高效液相色譜[37],氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)[38],離子色譜技術(shù)[39]等。由于糖類物質(zhì)沒有紫外吸收,可以通過柱前衍生化使其結(jié)合上有光學(xué)活性的基團(tuán),1-苯基-3-甲基-5-吡唑啉酮(PMP)是目前最常用的衍生化試劑,該反應(yīng)條件溫和,操作簡便,衍生化效率高,適合復(fù)雜樣品的單糖組成[40]。中國海洋大學(xué)的趙峽課題組在2014年發(fā)表的文章中,使用PMP做柱前衍生化,成功得到豬鏈球菌4種血清型的單糖組成及其摩爾比例[25]。離子色譜技術(shù)在近些年逐漸被運(yùn)用在糖化學(xué)研究中,2013年FionaL.Lin課題組通過運(yùn)用離子色譜技術(shù),準(zhǔn)確的分析出肺炎鏈球菌33C和33D血清型的單糖組成[41]。糖殘基連接位置和順序方面,當(dāng)前常見的分析手段有氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)。通過對(duì)多糖依次進(jìn)行甲基化反應(yīng),水解反應(yīng),還原反應(yīng)和乙?;磻?yīng),然后運(yùn)用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)對(duì)糖殘基連接位置和順序進(jìn)行確定。核磁共振技術(shù)為糖類物質(zhì)的結(jié)構(gòu)解析起推動(dòng)作用,通過核磁共振圖譜分析可以推測出糖類物質(zhì)中碳鏈的連接位置,構(gòu)型等信息[42],還可以進(jìn)行樣品檢定[43]。BentO.Petersen課題組在2013年通過核磁共振技術(shù)成功解析了肺炎鏈球菌47A血清型的結(jié)構(gòu)[44]。在2010年Gottschalk課題組運(yùn)用GC-MS技術(shù)得到2型豬鏈球菌莢膜多糖的單糖組成,結(jié)合質(zhì)譜,核磁共振,以及相關(guān)化學(xué)反應(yīng),確定了2型豬鏈球菌莢膜多糖的結(jié)構(gòu)[28]。該課題組在2013年又得到了14型豬鏈球菌莢膜多糖的結(jié)構(gòu)[26]。莢膜多糖的結(jié)構(gòu)解析需要諸多分析技術(shù)的結(jié)合,譜圖解析工作難度仍然很大。
6多糖合成的相關(guān)基因和途徑
莢膜多糖合成的相關(guān)基因主要包含3種,即莢膜多糖合成調(diào)節(jié)基因,糖基轉(zhuǎn)移酶基因和轉(zhuǎn)運(yùn)基因。以肺炎鏈球菌為例,其90個(gè)血清型的莢膜多糖合成的相關(guān)基因簇已經(jīng)被測序并分析。除去3型和37型以外,其余的血清型的莢膜多糖合成的相關(guān)基因簇均位于染色體上dexB和aliA之間的一個(gè)完整的轉(zhuǎn)錄單位,具有位于上游位置高度保守的4個(gè)合成調(diào)節(jié)基因(cpsABCD),基因簇內(nèi)包含多種糖基轉(zhuǎn)移酶,多糖合成酶,乙酰基轉(zhuǎn)移酶和翻轉(zhuǎn)酶等[15]。糖基轉(zhuǎn)移酶(GT)作為多糖生物合成的主要酶之一。多糖結(jié)構(gòu)的多樣性取決于催化反應(yīng)中的GT。GT催化轉(zhuǎn)糖基反應(yīng),即催化一個(gè)糖基供體上的糖殘基轉(zhuǎn)移到另一個(gè)受體上。糖基供體為糖核苷酸,而糖基受體可以是單糖、寡糖、多糖、多肽、蛋白質(zhì)等物質(zhì)[45]。根據(jù)糖基供體和生成的糖苷鍵的立體構(gòu)型,GT分為保留型和反轉(zhuǎn)型[46]。由于GT的不同作用的結(jié)果,使多糖結(jié)構(gòu)從組成到構(gòu)型都存在巨大的多樣性。從基因研究角度,表明細(xì)菌多糖的生物合成途徑分為3種,wzy-依賴途徑,ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體-依賴途徑和合酶-依賴途徑[47]。以生物合成分為3個(gè)步驟,起始-延伸-連接終止。以上3種合成途徑主要根據(jù)延伸步驟進(jìn)行劃分。基因調(diào)控酶進(jìn)行多糖的生物合成。從多糖的多樣性,到多糖的合成調(diào)控,現(xiàn)階段仍暗含著尚不明確的步驟,有待進(jìn)一步的研究。
7展望
莢膜多糖作為細(xì)菌的主要毒力因子,在研制疫苗方面有重要作用。肺炎鏈球菌23型多糖疫苗于1983年在美國批準(zhǔn)并開始使用,在使用的過程中問題也隨之發(fā)生,該疫苗對(duì)成年人的效果較好,但是對(duì)嬰幼兒效果不好[48]。這使人們對(duì)莢膜多糖制備的疫苗有了新的思考。細(xì)菌莢膜多糖作為主要的毒力因子,研究人員對(duì)其結(jié)構(gòu)組成,功能及基因已越來越重視[49]。高效地分離純化莢膜多糖對(duì)其結(jié)構(gòu)解析至關(guān)重要,不斷改進(jìn)原有分離技術(shù)和開發(fā)新型分離技術(shù)要齊頭并進(jìn),從而得到純化度更高的多糖樣品,增加結(jié)構(gòu)解析的準(zhǔn)確性。隨著對(duì)莢膜多糖研究的深入,進(jìn)一步解析莢膜多糖結(jié)構(gòu)以及合成基因與調(diào)節(jié)機(jī)制等方面[50],會(huì)對(duì)莢膜多糖在疫苗研制和疾病治療中的作用有更加清晰的認(rèn)識(shí)。在此基礎(chǔ)上,通過生物工程手段對(duì)細(xì)菌進(jìn)行改造,使細(xì)菌的莢膜多糖向著有利于人類生存和應(yīng)用的方向發(fā)展。
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