札幌医科大学Toyotaka Sato团队揭示肺炎克雷伯菌进化与临床风险

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来源：优在生物

2026-07-02 10:39:29

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核心提示：该研究介绍了一种新的方法——快速整合细菌进化分析（Rapid and Integrated Bacterial Evolution Analysis, RIBEA），通过实验进化和基因组测序技术，揭示了肺炎克雷伯菌在进化过程中发生的基因突变及其对临床风险的影响。

细菌进化是一个持续的过程，对人类健康有着深远的影响。肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）作为一种重要的病原体，其进化导致的耐药性和致病性增强已成为全球公共卫生的重大挑战。传统的细菌进化研究方法存在局限性，难以实时、系统地监测细菌的进化过程。因此，开发一种能够快速监测细菌进化的分析方法对于理解细菌进化机制和预测临床风险至关重要。

这些挑战背后是缺乏对细菌进化过程中基因突变功能的系统性认识。尽管已有研究尝试通过收集临床菌株来阐明细菌致病性和耐药性进化的机制，但这些研究往往只能提供回顾性的推测，且耗时较长。因此，开发一种能够快速、系统地监测细菌进化的分析方法对于理解细菌进化机制和预测临床风险至关重要。

2025年3月25日，札幌医科大学/北海道大学Toyotaka Sato团队在Nature Communications发表了题为Rapid and Integrated Bacterial Evolution Analysis unveils gene mutations and clinical risk of Klebsiella pneumoniae的研究论文。该研究介绍了一种新的方法——快速整合细菌进化分析（Rapid and Integrated Bacterial Evolution Analysis, RIBEA），通过实验进化和基因组测序技术，揭示了肺炎克雷伯菌在进化过程中发生的基因突变及其对临床风险的影响。

该研究开发的RIBEA方法，通过连续传代实验、全基因组测序和转座子导向测序，结合体内评估，能够在一个月内监测细菌在不同环境下的进化过程。研究人员利用超突变菌株进行实验，这些菌株由于DNA错配修复酶MutS的功能缺失，突变频率显著增加，从而加速了细菌的进化过程。通过这种方法，研究人员不仅观察到了肺炎克雷伯菌在进化过程中获得的血清和抗菌药物耐药性，还揭示了与进化相关的基因突变。这些发现为理解肺炎克雷伯菌的进化机制和预测临床高风险菌株提供了重要的理论依据。

正文

研究人员首先对肺炎克雷伯菌的临床分离株进行了基因突变频率的测定，发现非高黏液性（non-HMV）肺炎克雷伯菌的突变频率显著高于高黏液性（HMV）菌株。基于这一发现，研究人员构建了一个超突变菌株，通过删除MutS基因，使该菌株的突变频率增加了824倍。利用这个超突变菌株，研究人员进行了连续传代实验，模拟了细菌在人体血清和抗菌药物环境下的进化过程。实验结果显示，超突变菌株在短短6天内就获得了血清耐药性，并在13天后达到了72%的血清MIC值。相比之下，野生型菌株在20天内未能超过血清耐药性的阈值。这些实验表明，超突变菌株在适应环境压力方面具有显著优势。

为了进一步验证这些基因突变的功能，研究人员利用转座子导向测序（TraDIS）技术，分析了在血清存在下细菌生存所需的基因。通过将连续传代实验中积累的基因突变与TraDIS数据进行整合分析，研究人员成功鉴定出22个与血清耐药性相关的基因，其中包括一些之前未被报道的基因，如surA、mrcB和ramA等。这些基因的突变被认为能够增强细菌在血清环境中的生存能力。此外，研究人员还通过构建特定基因缺失突变株，验证了这些基因在血清耐药性中的作用。这些实验结果不仅证实了RIBEA方法的有效性，还揭示了肺炎克雷伯菌进化过程中关键的基因突变。

在体内实验中，研究人员评估了非高黏液性肺炎克雷伯菌在小鼠肺炎模型中的致病性。实验发现，免疫抑制小鼠更容易被感染，并且感染后细菌能够从肺部侵入血液。研究人员还比较了野生型菌株和超突变菌株在小鼠体内的生存能力，发现超突变菌株在感染后能够更快地获得血清耐药性和抗菌药物耐药性，并且在小鼠体内的致死率更高。这些结果表明，超突变菌株在体内环境中具有更强的适应能力和致病性。这些发现进一步证实了RIBEA方法在评估临床风险方面的潜力。