核心概念人类健康发布日期:2022年12月19日

军团菌的故事:从在变形虫体内存活到引起肺炎

作者

Tasneem Al-quadan

尤瑟夫Abukwaik

年轻的评论家

莎莉

阿卜杜拉

在床上

摘要

嗜肺性军团菌是一种存在于自然水源中的细菌，如河流、池塘和人造水库，如饮水机。变形虫是单细胞生物，也生活在水源中，通常以细菌为食。然而,军团菌不被变形虫消化，甚至进化到在试图消化它们的变形虫体内繁殖!这种抵抗被变形虫吃掉的能力使得军团菌细菌在水源中生存，并通过受污染的水滴传播给人类。它们在变形虫体内生存的能力也允许军团菌细菌在人类肺部细胞内存活和繁殖，导致肺炎。因此，关系长久军团菌变形虫帮了大忙军团菌进化并感染人类巨噬细胞导致疾病

什么是军团病?

1976年夏天，一种未知的疾病开始在美国费城的酒店客人中传播。1- - - - - -3.］．症状包括感觉呼吸短促、咳嗽、发冷、头痛、胸痛，有时还有腹泻。有180人被感染，其中29人死于这种神秘的疾病，其中包括美国退伍军人组织美国军团的几名成员。

美国疾病控制与预防中心(CDC)立即介入，以确定这种神秘疾病的原因。研究人员从死者身上提取了肺组织样本，试图弄清楚感染源是吸入的细菌、病毒还是真菌。经过5个月的实验，科学家们确定了这种神秘流行病的原因，令他们惊讶的是，这是一种通常存在于自然界的细菌，以前不知道它会感染人类。科学家称之为嗜肺性军团菌- - - - - -”军团菌"被感染的美国军团士兵"瞭解表示肺部感染。由这些细菌引起的疾病被称为军团病。

但是病人是如何感染这些细菌的呢?研究人员知道，在自然界中，军团菌在河流和沼泽等水环境中发现。因此，一种理论是，患者吸入了被肺炎污染的水雾军团菌无论是在酒店内还是在周边地区。从酒店空调系统的水箱、加湿器、水冷塔中采集样本后发现，酒店中央空调系统的冷却塔被此污染军团菌pneumophilia．

从变形虫到人类

但为什么人类突然成为了军团菌？要回答这个问题，我们必须回到几百万年前，那时军团菌与许多其他微生物一起生活在其自然的水生环境中，包括一种叫做藻的单细胞生物变形虫．变形虫主要以水生环境中的细菌为食。变形虫通过包围细菌并将其带入变形虫体内来进食细菌，从而形成一个被膜包围的隔间食物泡，细菌便会被液泡内的消化酶分解(图1一个)．然而，几百万年过去了，军团菌细菌的进化方式帮助它们避免被变形虫吃掉，甚至控制和操纵变形虫体内的许多细胞过程!例如,军团菌细菌进化出了在阿米巴原虫体内生存和繁殖的能力(图1 b)，以及其他类似变形虫的生物，包括被称为巨噬细胞，这是身体的一部分免疫系统也可在人类肺部发现(图1 c) [4］．

图1 - (A)当变形虫从周围环境中摄取食物(包括大多数细菌)时，变形虫会在食物液泡内利用消化酶分解食物。 — 图一-**(一)**当变形虫从周围环境中摄取食物(包括大多数细菌)时，变形虫会在食物液泡内利用消化酶分解食物。

**(B)**然而，当变形虫进食时*嗜肺性军团菌*时，细菌迅速将一大群细菌蛋白质注入变形虫体内，通过Dot/Icm“注入器”。这些蛋白质针对变形虫内的细胞过程并防止*军团菌*从被消化——而是创造一个适合它们繁殖的环境。乘以大的数字后，*军团菌*细菌从变形虫中出现，准备感染新的细胞并重复这一过程。**(C)**电子显微镜图像显示的增殖*军团菌*巨噬细胞(左)和变形虫(右)。

人工水系统的发展，如空调系统、冷却塔、喷泉、淋浴器和其他释放喷雾的设备，都有所帮助军团菌感染人类。当一个人吸入被污染的水嗜肺性军团菌当细菌到达肺部时，作为一种防御机制，存在于肺部的免疫细胞——特别是巨噬细胞——攻击并吞噬细菌嗜肺性军团菌消除它。自嗜肺性军团菌已经进化到在变形虫样的细胞中生存，它开始控制巨噬细胞并在其中繁殖。这会导致肺炎。

老年人及免疫系统较弱的人士最容易患上军团病[5］．幸运的是，感染者可以通过服用药物康复抗生素-杀死细菌的药物。军团菌细菌不能在人与人之间传播，因此被感染的人不能将疾病传播给健康的人。

如何军团菌控制细胞?

如何嗜肺性军团菌设法在变形虫和巨噬细胞中生存和繁殖?科学家们发现，最重要的因素之一是在质膜的整合结构军团菌,被称为点/ Icm（图2)．这个结构看起来像一根针，它被用来注射350多种细菌蛋白质军团菌变成了变形虫或巨噬细胞。这些细菌蛋白质会干扰阿米巴原虫或巨噬细胞的正常细胞活动，阻止这些细胞消化军团菌创造条件，允许军团菌为了生存和繁衍。为了了解这些细菌蛋白如何控制阿米巴原虫或巨噬细胞的细胞活动，研究的DNA嗜肺性军团菌是至关重要的。因此，科学家发现5%的嗜肺性军团菌细菌蛋白质的DNA编码在结构和功能上与它们感染的阿米巴原虫或巨噬细胞中发现的蛋白质相似。这些相似的蛋白质可能在干扰受感染细胞的细胞功能中发挥作用，从而允许军团菌生存和复制。

图2 - (A) Dot/Icm是嗜肺军团菌表面的一种结构，它将细菌蛋白直接“注射”到阿米巴或巨噬细胞中。 — 图二-**(一)**Dot/Icm是一个表面结构*嗜肺军团菌*将细菌蛋白质直接“注射”到变形虫或巨噬细胞中。

上图是下图中圆圈区域的放大图。**(B)**Dot/Icm由几个部分组成，这些部分共同工作，使其能够注入细菌蛋白质。

这些与变形虫和巨噬细胞如此相似的重要基因从何而来?几百万年来，军团菌很可能是在被阿米巴原虫吸收后获得了这些基因，或者是从两种生物都生活的水环境中获得的。军团菌已知能够吸收存在于水环境中的DNA片段，无论它们来自哪种生物!

结论

军团菌pneumophilia是一种迷人的生物，自然存在于水环境中。但是，随着过去几十年人工供水系统的发展，人类接触被水喷雾污染的机会大大增加军团菌增加了。由于人类肺部的巨噬细胞与阿米巴原虫相似军团菌在自然界中已经进化到感染，这些细菌产生的一些蛋白质可以控制巨噬细胞的细胞活动，允许军团菌避免消化并在人体巨噬细胞内繁殖，导致肺炎。可以说，阿米巴与阿米巴的关系由来已久军团菌帮助军团菌既能在大自然中生存，又能感染人类(并引起疾病)。