Single-Cell-Based Digital PCR Detection and Association of Shiga Toxin-Producing Escherichia coli Serogroups and Major Virulence Genes

基于单细胞的数字 PCR 检测及产志贺毒素大肠杆菌血清群与主要毒力基因的关联

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作者:Xuming Liu, Lance Noll, Xiaorong Shi, Elizabeth Porter, Yin Wang, Colin Stoy, Nanyan Lu, T G Nagaraja, Gary Anderson, Jianfa Bai

Abstract

Escherichia coli serogroups O157, O26, O45, O103, O111, O121, and O145, when carrying major virulence genes, the Shiga toxin genes stx1 and stx2 and the intimin gene eae, are important foodborne pathogens. They are referred to as the "top 7" Shiga toxin-producing E. coli (STEC) serogroups and were declared by the USDA as adulterants to human health. Since top 7 serogroup-positive cattle feces and ground beef can also contain nonadulterant E. coli strains, regular PCR cannot confirm whether the virulence genes are carried by adulterant or nonadulterant E. coli serogroups. Thus, traditional gold-standard STEC detection requires bacterial isolation and characterization, which are not compatible with high-throughput settings and often take a week to obtain a definitive result. In this study, we demonstrated that the partition-based multichannel digital PCR (dPCR) system can be used to detect and associate the E. coli serogroup-specific gene with major virulence genes and developed a single-cell-based dPCR approach for rapid (within 1 day) and accurate detection and confirmation of major STEC serogroups in high-throughput settings. Major virulence genes carried by each of the top 7 STEC serogroups were detected by dPCR with appropriately diluted intact bacterial cells from pure cultures, culture-spiked cattle feces, and culture-spiked ground beef. Furthermore, from 100 randomly collected, naturally shed cattle fecal samples, 3 O103 strains carrying eae and 2 O45 strains carrying stx1 were identified by this dPCR assay and verified by the traditional isolation method. This novel and rapid dPCR assay is a culture-independent, high-throughput, accurate, and sensitive method for STEC detection and confirmation.

文献解析

1. 文献背景信息​

  • ​标题/作者/期刊/年份​​:

    • 标题:基于单细胞的数字PCR检测及产志贺毒素大肠杆菌血清群与主要毒力基因的关联

    • 作者:Xuming Liu等(美国堪萨斯州立大学团队)

    • 期刊:Journal of Clinical Microbiology(IF=6.100,微生物学领域权威期刊)

    • 年份:2020年(时效性较强,方法学创新仍具参考价值)

  • ​研究领域与背景​​:

    • 领域:食源性病原体检测技术,聚焦产志贺毒素大肠杆菌(STEC)的快速诊断。

    • 现状:传统STEC检测依赖细菌培养和分离(耗时约1周),且无法区分毒力基因是否由目标血清群(如O157)携带。

  • ​研究动机​​:

    • 填补空白:开发无需培养的高通量方法,直接关联血清群(如O26/O145)与毒力基因(stx1/stx2/eae),解决传统PCR假阳性问题(非致病菌也可能携带毒力基因)。


​2. 研究问题与假设​

  • ​核心问题​​:如何快速、准确地在复杂样本(粪便/牛肉)中确认STEC“Top 7”血清群及其毒力基因的共定位?

  • ​假设​​:数字PCR(dPCR)可通过单细胞分区检测,实现血清群特异性基因与毒力基因的关联分析。


​3. 研究方法学与技术路线​

  • ​实验设计​​:

    • 技术验证:使用纯培养菌、人工污染样本(牛粪/碎牛肉)及自然样本(100份牛粪便)。

    • 对照设计:比较dPCR与传统培养法的检测一致性。

  • ​关键技术​​:

    • ​数字PCR(dPCR)​​:通过微滴分区实现单细胞水平检测,提高灵敏度和特异性。

    • ​多通道检测​​:同步靶向血清群标志物(如O157的rfbE基因)和毒力基因(stx1/stx2/eae)。

  • ​创新方法​​:

    • 首次将dPCR应用于STEC的“血清群-毒力基因”共定位检测,无需培养步骤(传统方法需7天,dPCR仅需1天)。


​4. 结果与数据解析​

  • ​主要发现​​:

​                      灵敏度​​:dPCR在纯培养中检测限达1-10 CFU/mL,在污染样本中保持高特异性(图3)。

                      ​​自然样本验证​​:检出3例O103(携带eae)和2例O45(携带stx1),与传统培养结果一致(表2)。

                      ​​高通量优势​​:可同时处理96样本,适合大规模筛查(如食品安全监测)。

  • ​局限性​​:

    • 依赖已知血清群特异性基因(若新血清群出现需重新设计引物)。

    • 未评估极端低浓度样本(如<1 CFU/g)的假阴性风险。


​5. 讨论与机制阐释​

  • ​机制解释​​:dPCR通过物理分区将单个细菌细胞分离,避免PCR竞争抑制,实现毒力基因与血清群的精准关联(图1原理示意图)。

  • ​与既往研究对比​​:

    • 支持:与传统培养法结果一致,但效率显著提升(呼应2018年Front Microbiol关于dPCR在病原检测中的潜力)。

    • 反驳:传统PCR无法区分毒力基因来源(如非致病性O121可能携带stx2),本方法解决此争议。

  • ​未解决问题​​:如何扩展至其他血清群(如O104:H4)及未知毒力基因的筛查。


​6. 创新点与学术贡献​

  • ​理论创新​​:提出“单细胞关联检测”范式,为微生物诊断提供新思路。

  • ​技术贡献​​:dPCR方案可直接应用于临床、食品工业的高通量STEC筛查。

  • ​实际价值​​:

    • 缩短检测时间(1天),助力疫情暴发快速响应;

    • 为USDA食品安全政策(如STEC adulterant认定)提供技术支撑。


总结

该文献通过dPCR技术革新了STEC检测流程,兼具学术严谨性和应用潜力,为食源性病原体诊断领域提供了可推广的方法学模板。未来可结合宏基因组学进一步拓展检测范围。

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