脊髓液中的肺炎鏈球菌經(jīng)FA染色劑染色后的數(shù)碼彩色圖片,，圖片來(lái)自維基共享資源,。
遺傳學(xué)在解釋為什么在英國(guó)和美國(guó)使用的對(duì)抗兒童嚴(yán)重性細(xì)菌感染的疫苗部分失效的原因方面起著很重要的作用,。根據(jù)2012年1月29日發(fā)表在《自然-遺傳學(xué)》上的一篇新研究論文,，科學(xué)家研究了細(xì)菌如何改變偽裝逃避疫苗檢測(cè),，從而對(duì)未來(lái)如何能夠設(shè)計(jì)出更加有效的疫苗產(chǎn)生深刻影響,。
肺炎鏈球菌(pneumococcus,，拉丁學(xué)名Streptococcus pneumoniae)導(dǎo)致潛在性的危害生命的疾病,，包括肺炎和腦膜炎。盡管在英國(guó)和美國(guó)之類(lèi)的國(guó)家疫苗項(xiàng)目的成功開(kāi)發(fā)導(dǎo)致肺炎鏈球菌感染病例數(shù)量顯著性下降,，但是在全世界每年肺炎鏈球菌感染被認(rèn)為殺死大約一百萬(wàn)幼兒,。這些疫苗通過(guò)在肺炎鏈球菌細(xì)胞外面發(fā)現(xiàn)的多糖識(shí)別這種細(xì)菌。共有90多種不同種類(lèi)或者說(shuō)血清型的肺炎鏈球菌,，其中每種有著不同的多糖包被,。
2000年，美國(guó)引入一種識(shí)別90種血清型肺炎鏈球菌中7種的疫苗,。這種“七價(jià)(7-valent)”疫苗是非常有效的,，而且在它作用的年齡組中顯著性地降低感染疾病。引人注目的是,，這種疫苗也阻止幼兒把肺炎鏈球菌傳染給成人,，從而導(dǎo)致每年減少成千上萬(wàn)例肺炎鏈球菌感染疾病。2006年,，這種相同的疫苗也被引入英國(guó)而且獲得類(lèi)似的成功,。
盡管這些疫苗項(xiàng)目大獲成功，但是一些肺炎鏈球菌菌株通過(guò)偽裝它們自己逃避疫苗作用成功地繼續(xù)導(dǎo)致疾病發(fā)生,。在接受英國(guó)維康基金會(huì)(Wellcome Trust)資助的研究中,，來(lái)自英國(guó)牛津大學(xué)和美國(guó)疾病控制與預(yù)防中心的科學(xué)家研究了這種疫苗引入美國(guó)后發(fā)生的事情,。他們使用最新的基因組技術(shù)同時(shí)結(jié)合流行病學(xué)方法以便理解不同血清型肺炎鏈球菌如何進(jìn)化從而替換初始時(shí)能被疫苗識(shí)別的肺炎鏈球菌菌株。
研究人員發(fā)現(xiàn)肺炎鏈球菌通過(guò)將基因組中負(fù)責(zé)制造多糖包被的DNA區(qū)域與疫苗不能識(shí)別的不同血清型肺炎鏈球菌的相同DNA區(qū)域發(fā)生交換從而逃避疫苗作用,。這有效地讓細(xì)菌發(fā)生偽裝,，使得它對(duì)疫苗隱形。這種基因組區(qū)域交換在重組過(guò)程期間發(fā)生,，即一種細(xì)菌用來(lái)自另一種細(xì)菌類(lèi)型的DNA片段替換它自己的DNA片段,。
牛津大學(xué)Rory Bowden博士解釋道，“想象一下每種肺炎鏈球菌菌株是一班都穿著校服的小學(xué)生,。如果一個(gè)男孩在警察開(kāi)設(shè)的街角小店里偷竊,，警察---在這種情形是疫苗---通過(guò)看一下他的校服能夠很容易鑒定出他來(lái)自哪所學(xué)校。但是如果這個(gè)男孩跟來(lái)自另一所學(xué)校的朋友交換校服,，警察將不再識(shí)別他,，因而他能夠逃脫。這就是肺炎鏈球菌逃脫疫苗檢測(cè)的方法,。”
Bowden博士和同事鑒定出成功地逃避疫苗檢測(cè)的許多發(fā)生重組的血清型肺炎鏈球菌,。特別是其中一種肺炎鏈球菌經(jīng)常生長(zhǎng)，在幾年內(nèi)從美國(guó)東部傳播到西部,。他們也證實(shí)在重組期間,，這種細(xì)菌同時(shí)也交換基因組中許多其他部分，而這種現(xiàn)象之前從沒(méi)有在自然的肺炎鏈球菌群體中觀察到,。因?yàn)樯婕岸喾NDNA片段的重組允許細(xì)菌基因組的關(guān)鍵區(qū)域同時(shí)發(fā)生交換,，從而潛在地允許它快速地產(chǎn)生抗生素抗性。
如今,，在美國(guó)這種原始七價(jià)疫苗已被13價(jià)疫苗所替換,。這種13價(jià)疫苗識(shí)別13種血清型，其中就包括逃避這種原始七價(jià)疫苗識(shí)別的特定血清類(lèi)型,。在英國(guó),，該七價(jià)疫苗總體上導(dǎo)致疾病顯著下降。這種總體效應(yīng)是該疫苗識(shí)別的血清型肺炎鏈球菌感染病例數(shù)量大幅下降,，同時(shí)該疫苗不能識(shí)別的血清型感染病例數(shù)量表現(xiàn)出一定的增加,。2010年，這種13價(jià)疫苗也被引入英國(guó),。
牛津大學(xué)微生物學(xué)教授Derrick Crook也是牛津大學(xué)醫(yī)院國(guó)家衛(wèi)生服務(wù)信托的感染控制醫(yī)生,。他補(bǔ)充道，“在我們?nèi)菀自馐車(chē)?yán)重性感染的階段,，兒童疫苗非常有效地降低疾病和死亡,。理解是什么導(dǎo)致疫苗有效和是什么能夠?qū)е滤欠浅Ｖ匾摹Ｈ缃裎覀儜?yīng)當(dāng)能夠更好理解當(dāng)一種肺炎鏈球菌疫苗引入到新人群時(shí)會(huì)發(fā)生什么。我們的研究提示著當(dāng)前開(kāi)發(fā)新疫苗的策略是很有效的,，但是可能并不像人們希望中那樣長(zhǎng)期有效,。”
美國(guó)疾病控制與預(yù)防中心科學(xué)家Bernard Beall博士評(píng)論道，“當(dāng)前識(shí)別占優(yōu)勢(shì)地位的肺炎鏈球菌血清型的疫苗策略是極其有效的,，然而我們的研究結(jié)果表明這種細(xì)菌將繼續(xù)適應(yīng)這種疫苗開(kāi)發(fā)策略并且將成功地進(jìn)化出一些人們可以檢測(cè)到的逃避疫苗作用的菌株,。”
部分資助這一研究的維康基金會(huì)將對(duì)抗傳染病和最大化遺傳研究的健康益處作為兩種優(yōu)先策略。維康基金會(huì)分子和生理科學(xué)部門(mén)主任Michael Dunn博士評(píng)論道,，“新技術(shù)允許我們快速地對(duì)導(dǎo)致疾病的有機(jī)體進(jìn)行測(cè)序和觀察它們?nèi)绾芜M(jìn)化。通過(guò)與流行病學(xué)家合作,，我們能夠追蹤它們?nèi)绾螖U(kuò)散和監(jiān)控這將對(duì)疫苗療效帶來(lái)的潛在性影響,。這將為疫苗執(zhí)行策略提供有用的啟示。” (生物谷：towersimper編譯)
doi:10.1038/ng.1072
PMC:
PMID:
Pneumococcal genome sequencing tracks a vaccine escape variant formed through a multi-fragment recombination event
Tanya Golubchik, Angela B Brueggemann, Teresa Street, Robert E Gertz Jr, Chris C A Spencer, Thien Ho, Eleni Giannoulatou, Ruth Link-Gelles, Rosalind M Harding, Bernard Beall, Tim E A Peto, Matthew R Moore, Peter Donnelly, Derrick W Crook & Rory Bowden
Streptococcus pneumoniae ('pneumococcus') causes an estimated 14.5 million cases of serious disease and 826,000 deaths annually in children under 5 years of age. The highly effective introduction of the PCV7 pneumococcal vaccine in 2000 in the United States provided an unprecedented opportunity to investigate the response of an important pathogen to widespread, vaccine-induced selective pressure. Here, we use array-based sequencing of 62 isolates from a US national monitoring program to study five independent instances of vaccine escape recombination, showing the simultaneous transfer of multiple and often large (up to at least 44 kb) DNA fragments. We show that one such new strain quickly became established, spreading from east to west across the United States. These observations clarify the roles of recombination and selection in the population genomics of pneumococcus and provide proof of principle of the considerable value of combining genomic and epidemiological information in the surveillance and enhanced understanding of infectious diseases.
