动物重要病原菌功能基因组与分子致病机理研究

项目名称：动物重要病原菌功能基因组与分子致病

机理研究

首席科学家：周锐华中农业大学

起止年限：2012.1-2016.8

依托部门：教育部湖北省科技厅

一、关键科学问题及研究内容

（一）拟解决的关键科学问题

1．病原菌在动物和人中的流行与传播机制

结核病是全球死亡人数最高的人类传染病，主要由结核分枝杆菌引起，但在发展中国家，牛结核是人结核的重要传染源，10％的人结核是由牛结核引起的。牛结核主要由牛分枝杆菌引起，但国内外关于牛感染人结核的证据越来越多。在上一个973计划项目中我们发现，我国分菌证实的牛结核中，46％为人结核分枝杆菌，54％为牛分枝杆菌；牛结核呈上升蔓延趋势，但我国结核分枝杆菌复合群在牛和人间的相互传播尚缺乏系统研究。猪链球菌有33个血清型，除在动物间流行外，1型、2型、4型、14型和16型对人致病，是致成人脑膜脑炎的重要病原菌之一。前期研究证实，除2型外的其它血清型有增加趋势。副猪嗜血杆菌虽然未见感染人的报道，但它是当前危害世界养猪业最重要的病原菌之一，其血清型和致病性的多样性是兽医临床诊断与防控的最大挑战。因此，结核和猪链球菌在动物和人中的流行与传播规律、猪链球菌和副猪嗜血杆菌优势血清型和致病性的动态变化、病原菌毒力多样性和抗原多样性的遗传基础等，是本项目拟解决的关键科学问题之一。

2．病原菌的蛋白质互作与基因调控网络

在后基因组时代，生命科学领域的研究人员面临的问题不再仅仅是某个基因、某个蛋白质等单个分子的功能，而是由分子之间相互作用形成的极其复杂的调控网络，从系统生物学的角度认识生命活动规律。结核分枝杆菌和猪链球菌是两种重要的人兽共患病原菌，研究病原菌蛋白质－蛋白质相互作用网络与基因调控网络是理解其基因和蛋白质网络结构及功能的基础和关键，继而理解病原菌的生长、代谢、毒力调控、致病机制、耐药机制等重要科学问题，并为病原菌防治提供新的药物靶标和策略。

3．病原菌的致病与免疫逃避的机制

传染病的发生、发展与转归是病原微生物与宿主相互作用的结果，不同病原菌有其特殊的感染、致病、免疫应答和免疫逃避的机制。结核分枝杆菌引起低烧及长期的慢性炎症反应，猪链球菌感染则引起急性炎症反应，致死率非常

高，而副猪嗜血杆菌感染则主要引起亚急性炎症反应。因此，这三种病原菌是研究细菌感染过程中炎症反应的作用及机制的良好模型。结核分枝杆菌是一种特殊的胞内寄生菌，其免疫逃避及引起慢性炎症的分子机制在动物个体、细胞及分子水平都已做了大量研究，但仍没有完全解释清楚，迫切需要更加深入的研究。猪链球菌和副猪嗜血杆菌分别作为动物新发的革兰氏阳性和阴性胞外菌的代表，均能引起脑膜炎、关节炎和肺炎，其感染、致病、免疫应答和免疫逃避的机制也是急需深入研究的重要基础科学问题。

（二）主要研究内容

以结核分枝杆菌复合群、猪链球菌和副猪嗜血杆菌等重要动物病原菌为研究对象，综合运用分子流行病学、现代细菌学、分子免疫学、功能基因组学、蛋白质组学、糖组学等研究手段，开展如下研究：

进一步开展牛结核、猪链球菌病和副猪嗜血杆菌病的病原学与流行病学研究，建立菌种资源库，深入研究结核分枝杆菌复合群在牛和人中的流行现状与传播规律、猪链球菌和副猪嗜血杆菌优势血清型及致病性的动态变化、病原菌毒力多样性和抗原多样性的遗传基础。

完善已构建的结核分枝杆菌全菌蛋白质-蛋白质相互作用网络，构建猪链球菌的全菌蛋白质-蛋白质相互作用网络，发掘与细菌生长、代谢、毒力调控和耐药相关的新关键因子和药物靶标。

以结核分枝杆菌、猪链球菌等病原菌为研究对象，进行细菌糖组学研究，从多糖的生物合成、结构及功能三个层面入手，阐明结核分枝杆菌和猪链球菌表面多糖的合成途径和生物学作用，深化对这两种病原菌的生长及感染机制的认识，为抗菌药物开发新策略提供理论基础。

研究人结核分枝杆菌对牛的致病性，鉴定牛分枝杆菌、猪链球菌和副猪嗜血杆菌的新的毒力因子，深入研究病原菌毒力因子与宿主细胞的相互作用及其信号传导途径，研究猪链球菌与副猪嗜血杆菌的协同致病作用及其机制。

研究结核病发生、发展和转归过程中炎性因子的变化及其调控机制，牛分枝杆菌免疫逃避以及引起慢性炎症的机制，猪链球菌引起急性炎症和导致炎症紊乱的机制。

二、预期目标

（一）总体目标

以结核分枝杆菌复合群、猪链球菌和副猪嗜血杆菌为研究对象，初步阐明结核在牛和人中的流行特征与传播规律，猪链球菌和副猪嗜血杆菌优势血清型和致病性的动态变化，揭示病原菌基因组序列的变异、毒力多样性和抗原多样性的遗传基础；解析病原菌的蛋白质相互作用与基因调控网络，及表面多糖的结构、合成机制与功能，阐明病原菌的生长、代谢、毒力调控、DNA损伤修复与耐药机制，发掘新的功能基因、蛋白质和表面多糖；研究病原菌及其蛋白质和表面多糖与宿主的相互作用及其信号传导途径，初步阐明病原菌的感染、致病、免疫应答和免疫逃避的机制，为这三种传染病的防控提供必要的科学理论依据。

（二）五年预期目标

1．揭示结核分枝杆菌复合群、猪链球菌和副猪嗜血杆菌在动物中的流行规律与生态分布，阐明优势血清型和变异株与致病性间的关系，重点探讨结核分枝杆菌复合群在牛和人间流行的传播机制，为这三大疾病的防控提供理论依据。

2．分离鉴定和收集分枝杆菌500株，其中牛源结核分枝杆菌200株（人型及牛型）、猪链球菌和副猪嗜血杆菌2000株，建立基因组多态性数据库和基因组多态性研究的技术平台，阐明主要流行株的基因组序列变异和进化规律。

3．完善和构建结核分枝杆菌和猪链球菌的蛋白质相互作用网络和转录调控网络，初步阐明细菌生长、代谢和毒力调控的分子机制，揭示结核分枝杆菌DNA损伤修复与耐药之间的关系。

4．鉴定牛分枝杆菌的乙酰化蛋白谱及Sir2蛋白的底物蛋白谱，揭示Sir2蛋白与牛分枝杆菌致病性及药物作用机理之间的关联性。

5．鉴定结核分枝杆菌和猪链球菌表面多糖及结核分枝杆菌细胞壁多糖的生物合成途径中的糖基供体合成酶基因和糖基转移酶基因，完成10种糖基供体合成酶和糖基转移酶基因的克隆及表达，并确定其在病原菌表面多糖生物合成途径中的功能；完成5种糖基转移酶基因对病原菌生长及感染影响的分析；解