检测致病性大肠杆菌菌株的TaqManTM-PCR
本发明涉及一种基于TaqManTM-PCR技术的检测致病性大肠杆菌的快速高效分析法,和可用于该分析法中的特定的优化的寡核苷酸引物以及标记的寡核苷酸探针。
发明背景技术
肠出血性产志贺氏样毒素(stl)大肠杆菌(EHEC)最近被认为是一种重要的人和动物致病原(1-7)。EHEC导致一些食品传染病的爆发(8)。最值得注意的是在美国西部各州的与快餐链相关的在多州的爆发,在华盛顿600多人受影响,3人死亡(9),在日本流行病发生,具有6000多病人和约8例死亡病例(10)。EHEC感染导致腹泻、出血性结肠炎、血小板减少紫癜和特征在于急性肾病的溶血性尿毒症(HUS)、血小板减少和微血管溶血性贫血。HUS在受影响的儿童和免疫损害个体中最终可导致致死的后果(3,11-17)。最近,报道了在1995年10月至1996年7月期间在德国东南部(Bavaria)EHEC病例增加,至少有45例严重的导致HUS的感染,伴有7人死亡(18)。估计大约15例EHEC感染中的1例导致HUS,可推测大约600-700受影响的个体。
在大多数报道的发病中,消费被污染的切碎的牛肉是感染的来源(5,8,19-22),而在日本怀疑为幼茶(10)。EHEC已被从牛奶(6,19,23)、水(19)、小鸡、猪和苹果汁(19,24,25)中分离,但也报道了人平行的污物感染(15)。牛看来可能是储存库(22,26)。交叉污染、不当的处理和不适宜的烹调均引起由EHEC导致的食品传染感染。EHEC产生还已知为vero毒素或细胞毒素的志贺氏样毒素(slt)(12,27)。大部分EHEC被发现属于O157:H7血清型,但值得注意的是,尤其在欧洲还报道了各种属于其它血清型(O22,O26,O55,O111O114,O145)的EHEC(12,15,28-32)。
除开EHEC,一些大肠杆菌的其它菌株可导致肠炎或胃肠炎,并被分组在肠产毒性菌(ETEC)(33-36)、肠致病性菌株(EPEC)(37)、肠侵染性菌株(EIEC)(38,39)和肠聚集性菌株(WaggEC)(40,41)。这些菌株为重要的致病原,并且还导致严重的公共健康问题。由于缺乏特异和敏感程序的检测方法,对这些致病原的诊断被极大地忽略了。ETEC合成可导致类似于霍乱弧菌的分泌性腹泻(“旅行者腹泻”)的热不稳定的和/或热稳定的肠毒索(36,42,43)。ETEC生物对肠上皮细胞的表面附着为毒素产生的先决条件。毒素产生为质粒介导的,最通常包括大肠杆菌血清型O6、O15、O124、O136、O143、O145和O147(32)。
EPEC导致主要发生在婴儿中的腹泻症状(32)。虽然致病机理不清楚,肠的上皮降解和在组织切片中观察到的炎性反应可能是由于细菌的粘附特性的结果。EPEC的特异性附着因子为质粒编码的(EAF=EPEC粘附因子)(37,44)。EHEC通常包含与已知为eae的EAF极为相关的粘附因子(EHEC附着和消除基因)(45,46)。EPEC最通常属于血清型O6、O8、O25、O111、O119和O142(32)。
EIEC菌株能穿过并侵染肠上皮细胞并产生类似于由志贺氏细菌导致的炎性腹泻(38,47,48)。粪便/污物包含血液、粘液和破碎的嗜中性粒细胞。EIEC包含编码另外的致病性因子的毒性质粒(48)。血清型O28、O112、O115、O124、O136、O143、O145和O147最常见于EIEC(32)。
EaggEC与幼儿持续性腹泻和旅游者腹泻相关。EaggEC特征在于其导致Hep-2细胞聚集的粘附能力。这种作用与毒性质粒(pCVD432)的存在相关。EaggEC被怀疑还产生热稳定肠毒素(EAST1)(49-53)。它们可属于血清型O44和O126(32)。
用于EHEC的常规检测方法包括用选择性和/或指示培养基富集和分离,如大肠杆菌培养基、硫酸月桂基酯胰蛋白
4-甲基繖形酰-b-酸肉汤、伊红亚甲兰琼脂、McConkey山梨糖醇琼脂和溶血索琼脂(28,32,54-59)。不幸的是,所有这些分析是间接的并缺乏特异性鉴定EHEC或其它致病大肠杆菌菌株的能力。提出了一些生物化学鉴定和免疫检测EHEC的方法(54,60-63),然而,熟知致病性大肠杆菌菌株不具有或缺乏独特的发酵途径(58,64)。
由于血清型与致病大肠杆菌类型之间的绝对的相互关系不能确定,因此血清分型不是令人确信的(12,27,32,58,65)。
已建立了用于实验研究的DNA杂交技术,但其不能适用于大规模的常规诊断方法(66,67)。报道了基于DNA扩增的使用PCR的分析法(68-72)。这些方法的局限包括麻烦的后PCR检测方法(琼脂糖电泳,生物素/抗生物素蛋白基ELISA检测系统)。
为了克服这些问题,开发了能特异性测定EHEC、ETEC、EPEC、EIEC和EaggEC特有的毒性因子的基于PCR扩增的荧光原检测法的PCR分析法。
该分析法利用Taq-DNA聚合酶5’-3’外切酶活性(73)以裂解在5’和3’末端分别与荧光报道染料(例如6-羧基-荧光素[FAM];λem=518nm)和荧光猝灭染料(6-羧基四甲基罗丹明[TAMRA];λem=582nm)共价结合的内部寡核苷酸探针。同时通过完整的探针分子TAMRA有效地猝灭来自FAM的荧光(76)。在发生关联PCR扩增的情况下,Taq聚合酶从特定的PCR引物延伸并裂解对模板链退火的内部荧光原寡核苷酸探针。因此,报道染料和猝灭染料被从空间上分开。作为寡核苷酸的水解和报道染料和猝灭染料的物理分离的结果,可在518nm处观察到可测定的荧光强度的增加。PCR循环导致PCR产物和随后的荧光强度的指数增加。
在不打开PCR试管时能测定荧光信号的光学试管中进行TaqManTM-PCR。这大大最小化了后PCR加工时间并几乎完全消除了交叉PCR污染问题。采用这种方法,可在18小时内半自动同时进行生物物质的大肠杆菌菌株和带有毒性基因的其它肠细菌的毒性基因的存在的检测。
根据本发明,提供用于检测致病性大肠杆菌的TaqManTM-PCR,使得首次在常规细菌实验室中实现了EHEC、ETEC、EPEC、EIEC、EaggEC和相关的带有这些毒性基因的肠细菌的特异性、快速和高处理量的常规检测。
发明目的
本发明的一个目的是提供一种快速、高效用于检测和鉴定生物样品中的致病性大肠杆菌的分析法。
本发明的另一个目的是提供可用于编码致病性大肠杆菌特有的毒性因子/毒素的序列扩增的特异性、优化引物和标记的寡核苷酸探针。
发明概述
本发明尤其单独包括下面或其组合:
一种检测样品中致病性大肠杆菌的方法,包括使用选自下面的一组特异于产毒性大肠杆菌毒性因子/毒素的寡核苷酸引物将从所述样品分离的DNA进行PCR扩增:
与编码热不稳定毒素或热稳定毒素的基因杂交的用于肠产毒性大肠杆菌特有的DNA序列扩增的基因杂交的引物;
与编码热稳定毒素的基因杂交的用于肠聚集性大肠杆菌特有的DNA序列扩增的引物;
与pCVD432质粒杂交的用于肠聚集性大肠杆菌特有的DNA序列扩增的引物;
与inv质粒杂交的用于在肠侵染性大肠杆菌中含有的DNA序列扩增的引物;
与EAF质粒或eae基因杂交的用于肠致病性特有的DNA序列扩增的引物;和/或
与编码志贺氏样毒素sltI或sltII的基因杂交的用于肠出血性大肠杆菌特有的DNA序列扩增的引物,接着使用常规方法检测和鉴定扩增产物;
如上的方法,其中
与编码肠产毒性大肠杆菌特有的热不稳定毒素的基因杂交的引物组为:
LT-1: 5’GCG TTA CTA TCC TCT CTA TGT G 3’ 和
LT-2: 5’AGT TTT CCA TAC TGA TTG CCG C 3’;
与编码肠产毒素性大肠杆菌特有的热稳定毒素的基因杂交的引物组为:
ST-1: 5’TCC CTC AGG ATG CTA AAC CAG 3’ 和
ST-2a: 5’TCG ATT TAT TCA ACA AAG CAA C 3’;
与编码肠聚集性大肠杆菌特有的热稳定毒素的基因杂交的引物组为:
EASTI-1: 5’AAC TGC TGG GTA TGT GGC TGG 3’ 和
EASTI-2: 5’TGC TGA CCT GCC TCT TCC ATG 3’;
与pCVD432质粒杂交的引物组为
EA-1: 5’CTG GCG AAA GAC TGT ATC AT TG 3’ 和
EA-2: 5’TAA TGT ATA GAA ATC CGC TGT T 3’;
与inv-质粒杂交的引物组为
EI-1: 5’TTT CTG GAT GGT ATG GTG AGG 3’ 和
EI-2: 5’CTT GAA CAT AAG GAA ATA AAC 3’;
与EAF质粒杂交的引物组为
EP-1: 5’CAG GGT AAA AGA AAG ATG ATA AG 3’ 和
EP-2: 5’AAT ATG GGG ACC ATG TAT TATC 3’;
与eae基因杂交的引物组为
EPeh-1: 5’CCC GGA CCCGGC ACA AGC ATA AG 3’和
EPeh-2: 5’AGT CTC GCC AGT ATT CGC CAC C 3’;
与编码志贺氏样毒素SltI的基因杂交的引物为
SltI-1: 5’ATG AAA AAA ACA TTA TTA ATA GC 3’ 和
SltI-2: 5’TCA CYG AGC TAT TCT GAG TCA AGC 3’;和
与编码志贺氏样毒素SltII的基因杂交的引物为
SltII-1: 5’ATG AAG AAG ATR WTT RTD GCR GYT TTA TTY G 3’ 和
SltII-2: 5’TCA GTC ATW ATT AAA CTK CAC YTS RGC AAA KCC 3’
其中W为A/T,R为A/G,D为A/G/T,Y为C/T和K为G/T;
如上方法,其中具有另外的5’-3’外切酶活性的聚合酶被用于DNA的扩增,并且在大多数5’碱基被荧光染料,在大多数3’碱基被荧光猝灭染料标记的在靶DNA中杂交的寡核苷酸探针包括在扩增方法中;所述标记的寡核苷酸探针易受由所述DNA聚合酶的5’-3’外切酶降解以产生可通过荧光原检测方法检测的片段;
如上方法,其中
用于检测肠产毒性大肠杆菌特有的热不稳定毒素的标记的寡核苷酸探针为
5’AGC TCC CCA GTC TAT TAC AGA ACT ATG3’;
用于检测肠产毒素大肠杆菌特有的热稳定毒素的标记的寡核苷酸探针为
5’ACA TAC GTT ACA GAC ATA ATC AGA ATC AG 3’;
用于检测肠聚集性大肠杆菌特有的热稳定毒素的标记的寡核苷酸探针为
5’ATG AAG GGG CGA AGT TCT GGC TCA ATG TGC 3’;
用于检测pCVD432质粒的标记的寡核苷酸探针为
5’CTC TTT TAA CTT ATG ATA TGT AAT GTC TGG 3’;
用于检测inv质粒的标记的寡核苷酸探针为
5’CAA AAA CAG AAG AAC CTA TGT CTA CCT3’
用于检测EAF质粒的标记的寡核苷酸探针为
5’CTT GGA GTG ATC GAA CGG GAT CCA AAT3’;
用于检测eae基因的标记的寡核苷酸探针为
5’TAA ACG GGT ATT ATC AAC AGA AAA ATC C3’;
用于检测志贺氏样毒素SltI基因的标记的寡核苷酸探针为
5’TCG CTG AAT CCC CCT CCA TTA TGA CAG GCA3’;和
用于检测志贺氏样毒素SltII基因的标记的寡核苷酸探针为
5’CAG GTA CTG GAT TTG ATT GTG ACA GTC ATT 3’;
上述方法,其中荧光报道染料为6-羧基荧光素(fluoroscein)、四氯-6-羧基荧光素或六氯-6-羧基荧光素,而荧光猝灭染料为6-羧基四甲基罗丹明;
上述方法,其中PCR扩增方法由在MgCl2浓度为5.2mmol,55℃退火温度和65℃延伸温度下进行的35次PCR循环组成;
可用于致病大肠杆菌的毒性因子/毒素特异性的DNA的PCR扩增的一组引物选自下面:
与编码肠产毒性大肠杆菌的热不稳定毒素或热稳定毒素的基因杂交的一组引物;
与编码肠聚集性大肠杆菌的热稳定毒素的基因杂交的一组引物;
与编码肠聚集性大肠杆菌的pCVD432质粒杂交的一组引物;
与肠侵染性大肠杆菌的inv质粒杂交的一组引物;
与肠致病性大肠杆菌的EAF质粒,或eae基因杂交的一组引物;
与编码肠出血性大肠杆菌的志贺氏样毒素sltI或sltII的基因杂交的一组引物;
上述的引物组,其中
与编码肠产毒素大肠杆菌的热不稳定毒素的基因杂交的引物组为
LT-1: 5’GCG TTA CTA TCC TCT CTA TGT G 3 和
LT-2: 5’AGT TTT CCA TAC TGA TTG CCG C 3’;
与编码肠产毒素大肠杆菌的热稳定毒素的基因杂交的引物组为
ST-1: 5’TCC CTC AGG ATG CTA AAC CAG3’ 和
ST-2a: 5’TCG ATT TAT TCA ACA AAG CAA C 3’;
与编码肠聚集性大肠杆菌的热稳定毒素基因杂交的引物组为
EASTI-1: 5’AAC TGC TGG GTA TGT GGC TGG 3’ 和
EASTI-2: 5’TGC TGA CCT GCC TCT TCC ATG 3’;
与pCVD432质粒杂交的引物组为
EA-1: 5’CTG GCG AAA GAC TGT ATC ATT G 3’ 和
EA-2: 5’TAA TGT ATA GAA ATC CGC TGT T 3’;
与inv质粒杂交的引物组为
EI-1: 5’TTT CTG GAT GGT ATG GTG AGG 3’和
EI-2: 5’CTT GAA CAT AAG GAA ATA AAC 3’;
与EAF质粒杂交的引物组为
EP-1: 5’CAG GGT AAA AGA AAG ATG ATA AG 3’和
EP-2: 5’AAT ATG GGG ACC ATG TAT TAT C 3’;
与eae基因杂交的引物组为
EPeh-1: 5’CCC GGA CCC GGC ACA AGC ATA AG 3’和
EPeh-2: 5’AGT CTC GCC AGT ATT CGC CAC C 3’;
与志贺氏样毒素sltI基因杂交的引物组为
SltI-1: 5’ATG AAA AAA ACA TTA TTA ATA GC 3’和
SltI-2: 5’TCA CYG AGC TAT TCT GAG TCA AGC 3’;
和
与志贺氏样毒素sltII杂交的引物组为
SltII-1: 5’ATG AAG AAG ATR WTT RTD GCR GYT TTA TTY G 3’ 和
SltII-2: 5’TCA GTC ATW ATT AAA CTK CAC YTS RGC AAA KCC 3’
其中W为A/T,R为A/G,D为A/G/T,Y为C/T和K为G/T。
上述引物除开用于靶DNA扩增的引物外还包含在大多数5’碱基被荧光报道染料,如6-羧基荧光素、六氯-6-羧基荧光素、六氯-6-羧基荧光素标记,在大多数3’碱基被荧光猝灭染料,如6-羧基四甲基罗丹明标记的标记寡核苷酸探针,并具有选自下面的核苷酸序列:
5’AGC TCC CCA GTC TAT TAC AGA ACT ATG 3’
其与编码肠产毒素大肠杆菌的热不稳定毒素的基因杂交;
5’ACA TAC GTT ACA GAC ATA ATC AGA ATC AG 3’其与编码肠产毒素大肠杆菌的热稳定毒素的基因杂交;
5’ATG AAG GGG CGA AGT TCT GGC TCA ATG TGC3’其与编码肠聚集性大肠杆菌的热稳定毒素的基因杂交;
5’CTC TTT TAA CTT ATG ATA TGT AAT GTC TGG 3’其与pCDV432质粒杂交;
5’CAA AAA CAG AAG AAC CTA TGT CTA CCT 3’其与inv质粒杂交;
5’CTT GGA GTG ATC GAA CGG GAT CCA AAT 3’其与EAF质粒杂交;
5’TAA ACG GGT ATT ATC AAC AGA AAA ATC C 3’其与eae基因杂交;
5’TCG CTG AAT CCC CCT CCA TTA TGA CAG GCA 3’其与志贺氏样毒素SltI基因杂交;和
5’CAG GTA CTG GAT TTG ATT GTG ACA GTC ATT 3’
其与志贺氏样毒素SltII基因杂交;
上述方法在诊断活动物体,包括人的大肠杆菌感染中的用途,或在诊断消费品,如肉、奶和蔬菜的大肠杆菌污染中的用途。
本发明
用于检测PCR扩增的常规方法是费力的,采用可能的致癌物质(溴化乙啶凝胶电泳),并且不适宜作为微生物常规实验室中的常规分析法(68-72)。这提出一个严重的问题,尤其当由于特征性的生物化学、血清学和/或形态学标准不能将可能的致病细菌与兼性致病或非致病细菌区分时。因此,直接检测这些种类拥有的毒性因子或毒素的特定的基于核酸的诊断方法是必须遵循的。这主要对于致病性大肠杆菌细菌的诊断是这种情况。EHEC、EPEC、EIEC、ETEC和EaggEC的生物化学特性不是独特的,不能被用于将它们从其它大肠杆菌菌株分开中(54,60-62)。而且,也可在其它肠细菌中发现大肠杆菌的毒性质粒(38,48,83,88,89)。由于各异的血清学特性,通过血清分型鉴定致病性大肠杆菌也不是准确的鉴定方法(12,15,28-32)。使用特征性毒性因子和/或毒素基因特异性的探针的传统的菌落杂交分析法是麻烦和费时的(66,67)。为了证实是否发生了靶基因的特异性扩增,传统的PCR方法需要各种后PCR步骤(68-72)。TaqManTM-PCR检测体系(74,75,90)实现了快速、特异性、敏感和高产率的用于区分致病性大肠杆菌细菌和其它大肠杆菌菌株的诊断法。该分析法具有定量起始靶序列的能力。由于在PCR循环后,PCR反应的试管不被打开,交叉PCR污染的可能的危险几乎可以忽略。96个样品的扫描时间约为8分钟,可用可商购的铺展片程序(spred sheet porgram)自动进行试验结果的计算。因此,整个后PCR加工时间被缩至最短。
TaqManTM体系依赖于加入特定的内部荧光原寡核苷酸探针的标准的PCR技术。由于非特异性PCR扩增极不可能产生阳性荧光信号,因此常规PCR与内杂交的寡核苷酸探针的Taq聚合酶依赖性降解结合还使该检测方法具有特异性。必须遵循选择荧光原探针的一些规则(74,75)。标准是探针的长度、报道和猝灭染料的位置和在5’-末端不存在鸟苷(74)。而且,探针距一个特异性PCR引物的距离是非常重要的。这是由于探针必须对模板链退火以被Taq聚合酶裂解。由于退火至少部分依赖于探针的Tm,因此探针被设计具有如引物的较高的Tm。根据本发明,这通过设计比特异性引物长3-6个bp的探针而得以解决(除开sltII)。PCR扩增包括引物退火后的靶序列的延伸,并且延伸引物的Tm增加。对于其中3’末端被加帽以避免延长的荧光原寡核苷酸,Tm保持恒定,这使得在被Taq聚合酶降解前探针更可能解离。寡核苷酸探针的降解可通过荧光原探针和引物的空间邻近最优化。通过将sltI的探针从距引物121bp移至距其9bp,可获得ΔRQ值的显著提高。第二种优化TaqManTM-PCR的方法是在65℃下进行PCR延伸,其中在Taq聚合酶到达并与其杂交之前探针也不太可能从模板上解离。ΔRQ值因此可再次增加1.2-1.5倍。ΔRQ值的增加可能是由于Taq聚合酶获得的退火的寡核苷酸探针的比例或由于Taq聚合酶的增加的持续合成能力。
荧光原探针的浓度影响TaqManTM结果的准确性。当探针浓度大于50pmol/PCR反应时,仅相对小的部分被Taq聚合酶水解。未降解探针与降解探针的比例仍然高,并且未猝灭的报道染料的荧光发射相对于仍接近猝灭报道染料的报道染料的荧光强度没有明显增加。因此,在高的探针浓度下,ΔRQ值比使用中间探针浓度(10-20pmol)的低。当探针浓度太低时,ΔRQ值增加,然而,PCR结果的可变性增加,因为可能吸取的小的误差或PCR反应间的最小的差异变得为关键。产生最小可变性和最高RQ值的最佳探针浓度被发现为20pmol的探针浓度。
由于TaqManTM-PCR使用内部寡核苷酸探针用于模板扩增的检测,可广泛设计特异性引物和探针。当存在给定基因的核苷酸序列变异体时,引物和探针序列的设计尤其重要。对于sltI和sltII就是这种情况。对于sltI,对比所有公开的序列,设计引物和探针以与所有三种变异体的保守区结合。对于sltII,公开基因的仅一个区是保守的,因此,该区被选择用于荧光原寡核苷酸探针。用于sltII扩增的引物被设计在公开的sltII变异体的不确定的位置包含所有可能的核苷酸序列(简并引物方法)(79-83)。通过采用简并引物,可在一个PCR反应中检测所有公开的变异体。
模板DNA的分离方法影响PCR的进行。比较了适宜作为用于常规应用的快速纯化步骤的两种方法,即煮沸制备法或自旋(spin)制备法。煮沸制备物可能仍然包含一些可影响PCR反应的细菌成分,然而,它极为迅速。自旋制备法包括起从可能的阴性影响物质中纯化DNA作用的分离步骤。与当通过自旋制备法制备模板DNA的煮沸制备法比较,来自肠细菌的毒性基因的ΔRQ值和TaqManTM-PCR的敏感性未发现明显增加。
TaqManTM-PCR对所有引物/探针结合的总的敏感性可与通过用溴化乙啶染色的琼脂糖凝胶电泳检测的PCR产物的视觉值相比。在优化的条件下,每次PCR反应可在107非致病性大肠杆菌中检测到少如103的较小的cfusltI+EHEC。
由于第一种产生slt的菌株被发现为O157:H7阳性(1,2),免疫磁检测法在大肠杆菌O157中的使用(54,91)被提出作为通过富集这种血清型而提高EHEC诊断灵敏性的方法。然而,显然为O157抗原阴性的EHEC被这种方法遗漏。在最近EHEC分离物的血清分型研究中,这变得很显然,即与非O157EHEC比较,目前O157+EHEC的数目少(12,15,28,29,31)。在德国南部进行的最近的一个研究中,13种分离物中的仅2种为O157阳性(92)。目前未能获得用于其它O血清学的免疫磁检测方法。而且,在毒性基因分析之前,在偏磁富集方法的情况下,可带有志贺氏样毒素的如柠檬酸杆菌属(83)和肠细菌属(89)的其它肠细菌将被遗漏。因此,被设计用于所有肠细菌中的毒性基因检测的TaqManTM-PCR基PCR看来是优良的。
大部分腹泻疾病的感染剂是未知的。对胃肠道中的细菌致病原的常规筛选包括沙门氏菌属、志贺氏菌属、志贺氏菌(S.aureus)、弯曲杆菌属、弧菌属、耶尔森氏菌属和(C.difficile)(32)。熟知致病性大肠杆菌,如ETEC、EHEC、EIEC和EaggEC是重要的下胃肠道致病原,并因此可能明显影响腹泻感染的次数(32)。然而,未进行这些细菌的常规细菌诊断方法,而且,在大多数情况下,这些致病性大肠杆菌被误诊为非致病性共生菌群类型。为了解决这个问题,开发了一组特异性引物和荧光原探针并优化用于由这些细菌带有的毒性因子的TaqManTM-PCR基检测(表2和3)。在标准96井微量滴定的排列中,排列病人样品、所有8个检测的毒性基因的阳性和无模板对照,可获得在5小时中从样品DNA制备至荧光测定的来回时间。因此,用于致病性大肠杆菌的TaqManTM-PCR基分析提供一种极迅速的诊断这些细菌的方法。在准确、灵敏和具特异性的同时,与常规方法相比,这种分析法需要最少的后PCR加工时间。当在光学试管中进行TaqManTM-PCR时,而且PCR反应与扩增产物的交叉反应的危险被降至最小。致病性肠细菌带有的毒性质粒的检测可证实这些细菌在宿主中导致疾病的能力。不清楚是否包含毒素基因或附着因子的肠细菌也通常在宿主外表达它们。这可能是为什么在许多包含EHECs的sltI和sltII可通过基于核酸的方法检测的HUS情况下,对志贺氏样毒素的ELISA试验可能是阴性的的一种解释。
接着在用于测定在7个月中从在规定的地理区域(Bavaria南部)患有腹泻的儿童中获得的底样(stool samples)的常规诊断方法中检测用于致病性大肠杆菌检测的根据本发明的TaqManTM-PCR分析。将通过TaqManTM-PCR获得的结果与标准的用于PCR产物检测的方法比较(溴化乙啶染色的琼脂糖凝胶电泳)。分析100个底样(表4)。22%的样品对于一种或多种毒性因子被发现检测为阳性。具有2例EHEC、5例ETEC、8例EaggEC、1例EIEC和16例EPEC。这指1/5患有腹泻的儿童可能患有由致病性大肠杆菌导致的腹泻。这些数目比所有其它常规筛选的细菌胃肠道致病原组高很多。在这组中观察到仅2例沙门氏菌并且没有弯曲菌。
令人感兴趣的是,诊断带有EHEC的两名儿童为严重患病,一名患有出血性结肠炎,另一名发展成HUS,并被在危重监护病房中治疗。
总的来讲,这些研究表明在儿童中以及还在成人中的大部分腹泻疾病与在标准微生物方法中被误诊为共生菌群的致病性大肠杆菌相关。根据本发明的TaqManTM方法首次实现了对这些重要的致病原的直接、快速、特异和敏感检测。而且,用该方法检测的毒性基因不局限于大肠杆菌,它们还可自由地转移至其它肠细菌中。对这些细菌中的毒性基因的检测还通过本文公开的TaqManTM-PCR检测。该分析法仅需要最少的后PCR检测时间,因此可在18小时内进行,并且消除了PCR交叉污染的问题。
根据本发明,大肠杆菌毒性因子/毒素基因被用作PCR扩增的靶。根据公开的序列设计PCR引物和荧光原探针。特别选择了用于大肠杆菌和相关肠细菌致病组检测的八个不同的引物和探针组,参见表1。
在表2中详细描述了引物的序列和它们的位置以及GenBank登记号。EHEC sltI的检测是基于sltI同源基因排序后的共有引物和探针序列(GenBank登记号Z36899,Z36900和Z36901)(77,78)。sltII变异体的检测是基于同源基因的公开的序列(GenBank登记号M76738,Z37725,L11079,X67515,M59432,M29153,M36727和M21534)(79-83)。对于sltI的扩增,降解的引物组证实是最佳的。ETEC的诊断是基于热不稳定(LT)(84)或热稳定毒素(ST)(36)的扩增,EaggEC基于pCVD432质粒序列(40,50)、EIEC基于inv质粒序列(38,48)、EPEC基于大肠杆菌附着和脱落基因(EAF质粒)(37,85)或对于EHEC附着和脱落蛋白为大肠杆菌基因(eae)(86)。使用大肠杆菌parC基因特异性引物进行完整DNA制备物的PCR对照扩增(拓扑异构酶IV,Genbank登记号M58408)(87)。
寡核苷酸探针和它们的Genbank参考示于表3中。将寡核苷酸探针设计成GC含量为40-60%,在5’末端没有G核苷酸,探针长度为27至30bp。探针在大多数5’和大多数3’碱基处分别与荧光报道染料(例如6-羧基-荧光素[FAM];λem=518nm)和荧光猝灭染料(6-羧基四甲基乙基罗丹明[TAMRA];λem=582nm)共价结合。所有引物和探针从Perkin Elmer,德国获得。
通过从带有LT、ST、inv-质粒、pCVD342、EAF、eae、sltI和sltII基因的大肠杆菌对照菌株中分离DNA来优化TaqManTM-PCR(参见表1)。为了最大PCR产物产率(如琼脂糖凝胶电泳所证实)和RO值(RQ=FAM荧光强度/TAMRA荧光强度)使用上述致病性大肠杆菌对照菌株调节MgCl2浓度。在5.2mmol的MgCl2浓度、35次循环、55℃的退火温度和65℃的延伸温度下获得所使用的所有引物/荧光探针的最佳PCR反应。65℃的延伸温度被发现产生较高的RQ值,这可能是由于在Taq聚合酶降解前较低的模板/荧光探针解离速率。
大肠杆菌sltI基因被用作建立PCR和分析探针相对于PCR引物的不同位置的靶序列。引物被设计在sltI基因的保守区退火(参见上文)。比较位于引物上游132bp的sltI和位于距引物21bp的sltI-N1两个探针。用探针sltI-N1(RQm=6.3800)获得的RQ值被可重复性地发现比在相同的大肠杆菌sltI对照DNA的模板浓度下用探针sltI-NO(RQm=0.9620)产生的RQ值。通常,而且紧邻(4-20bp)两个PCR引物中的一个的其它靶基因特异的探针一致产生比位于聚引物更远距离的探针更高的RQ值。
由于报道了粗的细菌裂解物可包含可能干扰PCR进行的抑制因子,因此检测了DNA制备对进行TaqManTM-PCR的影响。因此,在McConkey平板上培养过夜后收集细菌。通过煮沸接种在0.9%NaCl溶液中的细菌或通过用商业上的自旋制备法(参见实施例,材料和方法)分离基因组DNA来制备DNA。当比较两种制备法时,TaqManTM-PCR的RQ值和灵敏度没有不同。从来自105包含通过煮沸或通过自旋制备法制备的EHEC的sltI或sltII的DNA的PCR扩增获得的RQ值是可相比较的。
TaqManTM-PCR法依赖于水解后从探针释放的游离的报道染料(FAM)的检测。因此,探针浓度也应通过影响在PCR循环中降解的探针部分对分析的进行产生影响。在100pmol-0.1pmol范围内滴定探针的浓度并测定ΔRQ值。取决于扩增的靶基因,最佳探针浓度在10pmol至20pmol之间变化。
为了检测TaqManTM-PCR法的灵敏度,以对数步骤稀释将包含sltI或sltII的EHEC稀释在包含为107cfu的大肠杆菌菌株ATCC11775的悬液中。在最佳条件下进行PCR,将来自溴化乙啶染色的琼脂糖凝胶的结果与TaqManTM结果比较。包含sltI的EHEC菌株的最小检测极限在107中为103cfu。对于sltII检测极限,发现在107肠细菌中为103.5cfu。通过琼脂糖凝胶电泳对PCR产物的检测和通过TaqMan方法对一个信号的测定这两种方法产生可相比较的结果,即在琼脂糖凝胶中可见ΔRQ值在ΔRQ阀值之上的PCR产物带,而且也在琼脂糖凝胶中ΔRQ值在ΔRQ阀值周围的PCR产物在检测极限之下。在对于所有毒性因子/毒素的最佳检测试验后,建立TaqManTM-PCR用于对常规生物样品的致病性大肠杆菌的存在的检测中。将TaqManTM-PCR结果与琼脂糖凝胶电泳进行比较。
下面的实施例将进一步说明本发明。然而,它不被认为是限制性的。
实施例
1.使用根据本发明的方法检测来自患有腹泻的儿童的底样中的致病性大肠杆菌的流行
为了说明TaqManTM-PCR的进行和检测致病性大肠杆菌的出现,对100份来自0至10岁的具有临床腹泻症状的儿童的底样进行筛选。在下面第2项中将详细描述试验中所采用的材料和方法。
从1996年6月至10月进行样品的收集。本研究中的所有样品来自Bavaria南部区。将底样铺在McConkey琼脂上,保温过夜并收集肠细菌。分离DNA并用作包含sltI、sltII、LT、ST、EAF质粒、eae基因、inv质粒和pCVD432特异性的引物和荧光探针的PCR反应中的模板。为了证实来自各制备的DNA的完整性,建立包含用于大肠杆菌parC基因扩增的引物和内荧光探针的对照PCR反应。作为阳性分析对照,在各分析中进行一个PCR反应,其中存在来自阳性对照菌株的DNA的各毒性因子/毒素。使用该可靠的方法,可获得所有靶基因的特异和灵敏的检测。对100个来自患有腹泻的儿童的底样的系统分析产生22个样品,其中可检测三分之一或三分之二的致病性大肠杆菌毒性因子/毒素。详细地说,2名病人带有EHEC(一名带有出血性结肠炎,以名发展成HUS)。3名病人检测为ETEC阳性,16名为EPEC阳性,1名为EIEC阳性和8名为FaggEC阳性(参见表4)。患有出血性结肠炎的病人被检测为sltI和eae阳性,发展成HUS的病人检测为sltI,SltII,和eae阳性。一名病人同时带有ETEC(LT+,ST+),EPEC(eae+)和EaggEC(pCVD342+),一名病人被检测为EIEC(inv+)和EaggEC(pCVD342)阳性,两份底样包含EPEC(eae+)和EaggEC(pCVD342)。
将来自带有EHEC的两名病人的肠细菌与sltI和sltII基因探针杂交以检测TaqManTM-PCR的准确性和特异性。在其中TaqManTM-PCR为sltI阳性的病人1的情况下,可仅发现与sltI杂交的菌落。其中TaqManTM-PCR为sltI、sltII阳性的病人2的菌落与用于sltI和sltII的探针杂交。挑取阳性菌落,生物化学定型为大肠杆菌。
抗体敏感性检测表明EHEC菌株对广谱青霉素、头胞菌素和回旋酶抑制剂敏感。
2.材料和方法
a)细菌菌株、培养基、培养和DNA制备:为了准确的PCR扩增,许多EHEC、ETEC、EPEC、EIEC和EaggEC大肠杆菌菌株被用作对照,它们由H.Karch,Wurzburg,德国和H.Beutin,柏林,德国(参见表1)友善提供。作为不带有这些毒性基因的菌株,使用大肠杆菌ATCC11775。为了TaqManTM-PCR的最优化,37℃下,在McConkey琼脂上(Becton Dickinson,德国)培养阳性对照。过夜培养后,收集细菌并重新悬浮于0.9%NaCL溶液中。将浊度调至McFarland 0.5。通过煮沸(95℃,10分钟)制备或使用QiaAmp组织试剂盒自旋制备柱(Qiagen,德国)分离DNA。10ul DNA悬液被用于PCR。在将适宜量的用于铺展在mcConkey平板上后,进行来自人或牛的底样的致病性大肠杆菌的检测。过夜培养后,收集来自McConkey平板的表面的所有细菌菌落并如上所详细描述地进行处理。
b)PCR循环:在薄壁的0.2ml“光学PCR试管”中,在70ul最终体积中进行PCR反应(Perkin Elmer,德国)。反应混合物包含:10ul细菌裂解液,5.25ul 25mmol MgCl2,7ul 10×PCR缓冲液,40pmol引物,20pmol特异性荧光探针,150uM各种dATP,dTTp,DGTP,dCTP(Perkin Elmer),1UAmpliTaq-聚合酶(Perkin Elmer)。Perkin Elmer 9600型热循环仪被用于PCR循环。通过94℃下加热5分钟进行细菌DNA的起始变性。所有循环均包括94℃,15秒的变性步骤,55℃,30秒的退火和65℃,30秒的延伸。进行35次循环。
c)后PCR加工:循环完成后,使用装有平板计数器的Perkin Elmer LS50B发光分光光度计测定报道染料,FAM和猝灭染料,TAMRA的荧光强度并在光学试管中校正PCR反应的荧光测定值。如(74)所描述地计算ΔRQ值。根据三份无模板对照的平均值之上的99%置信区间计算ΔRQ阀值值(ΔRQ阀值=6,95×std无模板对照的平均值)。如果给出ΔRQ样品>ΔRQ阀值,PCR反应被计为阳性。为了证实TaqManTM-PCR测定的灵敏度,将PCR产物进行琼脂糖凝胶电泳。将15ul样品与2ul样品缓冲液一起上样。在2%包含溴化乙啶的琼脂糖凝胶中以100V,35分钟将PCR产物分离。在紫外线下可见DNA,使用EagleEyeII系(Stratagene)获得数字图象资料。
d)PCR扩增的证实:将从各阳性对照菌株的模板获得的PCR产物直接亚克隆至TA克隆载体中(Invitrogen,德国)以证实PCR扩增的特异性。在用连接产物转染(CaCl2方法)DH5α细菌后,在包含青霉素(Sigma,德国)的LB平板中选择包含质粒分细菌。用Qiagen DNA纯化柱(Quiagen,德国)纯化质粒DNA。采用与4种染料结合的二脱氧核苷酸对插入物进行PCR循环测序(DNA染料终止子循环测序试剂盒,Perkin Elmer,德国)。用AppliedBiosystems373A型号(Applied BioSystems,德国)获得序列。使用McDNAsis程序(Appligene,英国)将插入序列与如表1所参考的公开序列比较。序列比较证实PCR产物与各毒性因子或毒素相同。
e)TaqManTM技术的灵敏度:为了确定TaqManTM方法的灵敏度,在包含107cfu大肠杆菌参考菌株ATCC11775的溶液中进行阳性对照菌株的系列对数步骤的稀释。通过煮沸法(参见上文)制备或通过使用设计用于基因组细菌DNA分离的自旋制备柱(Qiagen,德国)纯化DNA。纯化根据制造商的方法进行。使用在107大肠杆菌中为103cfu和在107大肠杆菌中为103.5cfu检测包含sltI的菌株和和sltIII的菌株的检测极限。
f)菌落杂交和EHEC细菌的分离:将EHEC细菌菌株和来自在sltI或sltIITaqManTM-PCR中检测为阳性的病人的底样进行菌落杂交。简单地说,将细菌平板接种在McConkey琼脂平板上以致可见单个菌落。将细菌在尼龙膜(Genescreen Plus,NEN,德国)上进行印迹,裂解(1%SDS),变性(0.5M NaOH,1.5MNaCl),中和(1MTRIS,1.5M NaCl),并洗涤(20×SSC)。80℃下将膜烘焙2小时。sltI或sltII特异性DNA探针被荧光素(Gene-Images随机引物标记模件,Amersham,德国)标记。此后,将滤器与标记的探针杂交。通过采用抗FITC过氧化物酶mAb和ECL检测模件(Gene-Images CDP-Star检测模件,Amersham,德国)的非放射性检测系统证实杂交。挑取与探针和非杂交菌落杂交的细菌菌落,通过TaqMan-PCR证实并检测抗生物素敏感性。
抗生物素敏感性试验:在菌落杂交中检测了sltI或sltII或两者毒性基因后,从McConkey平板中挑取EHEC和非EHEC大肠杆菌,并根据肠细菌的NCCLS指南进行MIC试验。
组 |
菌株数目 |
血清型 |
毒性因子/毒素 |
EHEC |
1193/89 |
O157:H- |
sltI,ene |
3574/92 |
O157:H7 |
sltII,ene |
A9167C |
O157:H7 |
sltI,sltIIc,ene |
5769/87 |
O157:H7 |
sltI,sltII,ene |
427/89 |
O157:H- |
sltI,sltIIc,ene |
1249/87 |
O157:H7 |
sltII,sltIIc,ene |
ETEC |
147/1 |
O128:H- |
ST |
164/82 |
O148:H28 |
LT |
EPEC |
111/87 |
O111 |
EAF,ene |
12810 |
O114:H2 |
EAF,ene |
EIEC |
76-5 |
O143 |
inv-质粒 |
12860 |
O124 |
inv-质粒 |
EaggEC |
|
|
pCVD432质粒 |
对照 |
ATCC 11775 |
|
-- |
表1:大肠杆菌菌株-毒性因子/毒性
组 |
毒性因子/毒素 |
引物 |
序列(5’→ 3’) |
引物的位置 |
PCR产物的大小 |
Gen-bank参考 |
参考文献 |
ETEC |
LT |
LT-1LT-2 |
gcg tta cta tcc tctcta tgt gagt ttt cca tac tgattg ccg c |
874-8951213-1192 |
339 |
S60731 |
(84) |
ST |
ST-1ST-2a |
tcc ctc agg atg ctaaac cagtcg att tat tca acaaag caa c |
100-120360-339 |
260 |
M34916 |
(36) |
EaggEC |
pCVD432质粒 |
EA-1EA-2 |
ctg gcg aaa gactgt atc att gtaa tgt ata gaa atccgc tgt t |
66-87695-674 |
629 |
X81423 |
(40,50) |
EIEC |
inv-质粒 |
EI-1EI-2 |
ttt ctg gat ggt atggtg aggctt gaa cat aaggaa ata aac |
17786-1780618089-18069 |
303 |
D50601emb |
(38,48) |
EPEC |
EAF质粒 |
EP-1EP-2 |
cag ggt aaa agaaag atg ata agaat atg ggg accatg tat tat c |
546-568944-923 |
398 |
X76137 |
(37,85) |
eae |
EPeh-1EPeh-2 |
ccc gga ccc ggcaca agc ata agagt ctc gcc agt attcgc cac c |
91-113963-942 |
872 |
Z11541 |
(86) |
EHEC |
sltI |
sltI-1sltI-2 |
atg aaa aaa acatta tta ata gctca cyg agc tat tctgag tca acg |
1113-11351400-1376 |
287 |
Z36899 |
(77,78) |
|
sltII |
sltII-1sltII-2 |
atg aag aag atrwtt rtd gcrgyt tta tty gtca gtc atw attaaa ctk cac yts |
1148-11781413-1385 |
265 |
L11079 |
(79-83) |
|
|
|
rgc aaa kcc |
|
|
|
|
对照 |
parC |
par-1par-2 |
aac ctg ttc agc gccgca ttgaca acc ggg attcgg tgt aac |
141-161401-381 |
260 |
M58408 |
(87) |
表2:用于致病性大肠杆菌检测的引物。W为A/T,R为A/G,
D为A/G/T,Y为C/T和K为G/T。
组 |
毒性因子/毒素 |
TaqManTM探针(FAM-5’→3’-TAMRA) |
bP |
Gen-bank参考 |
参考文献 |
ETEC |
LT |
agc tcc cca gtc tat tac aga act atg |
903-929 |
S60731 |
(84) |
ST |
aca tac gtt aca gac ata atc aga atc ag |
334-306 |
M34916 |
(36) |
EaggEC |
pCVD432质粒 |
ctc ttt taa ctt atg ata tgt aat gtc tgg |
668-639 |
X81423 |
(40,50) |
EIEC |
inv -质粒 |
caa aaa cag aag aac cta tgt cta cct |
18063-18037 |
D50601emb |
(38,48) |
EPEC |
EAF -质粒 |
ctt gga gtg atc gaa cgg gat cca aat |
575-601 |
X76137 |
(37,85) |
eae |
taa acg ggt att atc acc aga aaa atc c |
935-908 |
Z11541 |
(86) |
EHEC |
sltI |
tcg ctg aat ccc cct cca tta tga cag gca |
1367-1338 |
Z36899 |
(77,78) |
|
sltII |
cag gta ctg gat ttg att gtg aca gtc att |
1371-1342 |
L11079 |
(79-83) |
对照 |
parC |
atg tct gaa ctg ggc ctg aat gcc agcgcc |
169-199 |
M58408 |
(87) |
表3:用于致病性大肠杆菌检测的TaqManTM探针
组 |
毒性因子/毒素 |
TaqMan:阳性分离物的数目 |
琼脂凝胶电泳为:阳性分离物的数目 |
致病组 |
ETEC |
LT |
2 |
2 |
5 |
|
ST |
3 |
3 |
|
EaggEC |
60 kb质粒 |
8 |
8 |
8 |
EIEC |
inv 质粒 |
1 |
1 |
1 |
EPEC |
EAF 质粒 |
1 |
1 |
16 |
|
eae |
15 |
15 |
|
EHEC |
sltI |
2 |
2 |
2 |
|
sltII |
1 |
1 |
|
对照 |
parC |
100 |
100 |
|
表4:患有腹泻的儿童底样中的致病性大肠杆菌的频率。
参考文献:
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