第3章细胞免疫系统

课时：32学时授课方式：讲授+讲座开课时间：2014年秋季第三章细菌免疫系统及其与宿主相互作用细菌的免疫系统微生物群落与宿主相互作用本章主要内容R-M系统T-A系统Abi系统CRISPR-Cas系统人体各部位微生物群落结构特征微生物群落和人体代谢微生物群落与免疫系统细菌的免疫系统被动适应：阻止噬菌体吸附，阻止DNA进入细胞主动防御：裂解侵入DNA，宿主细胞死亡阻止噬菌体扩散各种机制相互配合构成有效免疫系统噬菌体无处不在，对细菌生存构成极大威胁DNA遗传元件可通过转导、转化和结合转移DNA细菌面临各类DNA侵袭，进化多种防御机制细菌的免疫系统细菌的防御机制细菌的免疫系统--R-M系统最早发现的细菌免疫系统，典型的RM系统由限制酶(REase)和修饰酶（主要为甲基转移酶）构成，它们通常成对出现，具有相同DNA识别位点REase识别并裂解特定的DNA序列，同源的甲基转移酶(MRase)对同一识别位点上的腺嘌呤或胞嘧啶进行甲基化，保护DNA不被REase裂解R-M-系统限制修饰系统(Restriction-Modification，RM)R-M系统的发现细菌的免疫系统--R-M系统大肠埃希菌（Escherichiacoli）的EcoRI和EcoRII流感嗜血菌（Haemophiliusinfluenzae）的HindII和HindIIIR-M系统的作用方式通过限制酶的作用切合和裂解外来核酸，即对外来遗传物质的限制作用无修饰噬菌体羟甲基胞嘧啶～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～无修饰噬菌体胞外胞内感染经典R-M系统无感染感染细菌的免疫系统--R-M系统R-M系统分型依据亚基组成、酶切位置、识别位点和辅助因子等可分为：I、II、III和IV型I型R-M系统（代表：EcoKI）•兼有限制酶和甲基化酶活性的多亚基蛋白质复合体•包含：2个R亚基、2个M亚基、1个S亚基•标志：hsd基因盒，包含hsdR、hsdM和hsdS基因对应蛋白质为：HsdR、HsdM和HsdS•需要ATP提供能量HsdRHsdMHsdS决定DNA序列催化甲基化反应限制性切割蛋白质功能细菌的免疫系统--R-M系统II型R-M系统（代表：商品化限制酶）•研究最多、应用最多•较小：200-350个氨基酸•特点：识别特定DNA位点（一般为短对称序列），在该位点上或者附近进行切割，产生3’羟基和5’磷酸•需要Mg2+作为辅助因子，一般不需要甲基化酶伴侣的协同•限制酶是一群形状和来源都不尽相同的蛋白质•根据识别位点、切割方式及其与甲基化酶的协同方式不同分为多个亚型BbvCIBglI细菌的免疫系统--R-M系统细菌的免疫系统R-M系统II型R-M系统亚型特征举例A不对称识别序列FokI、AciIB在双链上切割识别位点的两端BcgIC对称或者不对称识别位点，限制酶和甲基化酶融合成一个多肽GsuI、HaeIV、BcgIE两个识别位点，一个是切割位点，另一个是效应器EcoRII、NaeIF两个识别位点，协同切割SfiI、SgrAIG对称或不对称识别位点，受AdoMet影响BsgI、Eco57IH对称或不对称识别位点，同I型R-M系统基因结构相似BcgI、AhdIM亚型IIP或IIA，依赖甲基化位点DpnIP对称识别位点和切割位点EcoRI、PouMI、BslIS不对称识别位点和切割位点FokI、MmeIT对称或不对称识别位点，限制酶是异二聚体Bpu10i、BslI细菌的免疫系统R-M系统III型R-M系统（代表：EcoP1I和EcoP15I）IV型R-M系统（代表：大肠埃希氏菌的McrBC和Mrr）•限制酶兼有限制和修饰两种功能•包含：mod和res两种基因，编码识别与修饰功能的Mod亚基和限制性切割功能的Res亚基•需要ATP水解提供能量•由1-2个亚基组成，其编码的蛋白质仅切割修饰的DNA•McrBC系统识别Rmc位点，切割在距其约30bp的位置发生•Mrr系统限制多种腺嘌呤甲基转移酶及几种5-甲基胞嘧啶甲基转移酶修饰的DNAT-A系统，即毒素-抗毒素系统(Toxin-AntitoxinTA)细菌的免疫系统T-A系统1983年首次发现于质粒上，一度被认为质粒成瘾系统（plasmidaddictionsystem）1995年Aizenman等首次在大肠埃希氏菌的染色体上发现T-A系统（theMazEFaddictionmodule）目前认为广泛存在于几乎所有的真细菌和许多古菌中T-A系统的发现细菌的免疫系统T-A系统核心：由一个稳定的毒素和一个不稳定的抗毒素组成的负反馈环（negative-feedbackloop）功能：维持质粒稳定性、调控基因表达、控制细菌生长、介导持留菌（persister）的形成及细胞程序性死亡（programmedcelldeath，PCD），抵御噬菌体等外来核酸的侵染基因簇：9个二元基因家族和1个三元基因家族，在细菌染色体和质粒上均有分布，某些古细菌也含有T-A系统T-A系统的结构特点细菌的免疫系统T-A系统抗毒素毒素促进胞内蛋白酶（Lon或Clp）抑制靶向细胞内多种靶标，会导致细菌生长抑制或死亡T-A复合体基因细菌的免疫系统T-A系统T-A系统的分型：根据毒素和抗毒素不同的相互作用方式可分为：I、II、III、IV和V型I型T-A系统：抗毒素RNA抑制毒素RNAII型T-A系统：抗毒素蛋白结合并抑制毒素蛋白III型T-A系统：抗毒素RNA结合并抑制毒素蛋白IV型T-A系统：抗毒素蛋白通过结合毒素蛋白作用靶标的方式抑制毒素V型T-A系统：抗毒素蛋白通过切割毒素蛋白mRNA的方式抑制毒素T-A系统的作用方式作为细菌对抗可移动遗传成分（如噬菌体和质粒）入侵的手段作用方式：当外来核算侵染时，细菌T-A系统的平衡被打破或扭转，毒素会释放，最终细菌死亡，同时也把入侵的噬菌体杀死在“摇篮中”。Abi系统，即流产感染系统（abortiveinfectionsystem），也称为“噬菌体排除系统”细菌的免疫系统Abi系统典型的Abi系统会靶向噬菌体增殖的一系列关键步骤，包括复制、转录和翻译，最终导致受噬菌体感染细胞的死亡。少数Abi系统会阻止噬菌体进入细胞，或者破坏已经侵染到细胞内的噬菌体DNA。Rex系统（典型的Abi系统）～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～噬菌体DNA外膜内膜～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～肽聚糖层与噬菌体DNA相互作用的蛋白质RexB失活的RexA激活的RexARexB+++一价阳离子细菌的免疫系统大肠埃希菌的Abi系统Lit系统通过阻止蛋白翻译机器的方式引导噬菌体的流产感染作用方式：在T4噬菌体感染晚期，其主要衣壳蛋白上会展示有29个氨基酸的Gol多肽，此多肽会激活Lit蛋白。激活后的Lit蛋白具有锌金属蛋白酶活性，可以在Gly59和Ile60之间切割延长因子Tu，从而终止蛋白质合成，造成T4感染流产。细菌的免疫系统大肠埃希菌的Abi系统PrrC系统细菌的免疫系统大肠埃希菌的Abi系统主要成分：一种反密码子核酸酶PrrC，对应的PrrC基因定位于大肠埃希氏菌CT196染色体上一个隐含遗传元件中，为prrA，prrB和prrD组成的基因盒的一部分作用方式：激活的PrrC会切割tRNAlLys的反密码子环，而T4噬菌体由于没有多聚核苷酸酶和RNA连接酶，被切割的反密码子环不能被修复，从而导致蛋白合成终止T4噬菌体的Stp多肽会改变EcoprrI（prrD编码的限制酶）和PrrC的相互作用，释放有活性的PrrC蛋白，并导致噬菌体的流产感染PifA系统细菌的免疫系统大肠埃希菌的Abi系统PifA是个膜相关的蛋白作用方式：在噬菌体感染的含有PifA系统的细菌中，噬菌体基因的早期转录正常发生，随之，大分子合成严重减少，限制了后期转录。最后，噬菌体DNA终止复制，细菌染色体被降解。细胞膜的通透性被改变，导致像ATP这样的分子漏出。在细菌死亡的同时，噬菌体的增殖也受到了限制。细菌的免疫系统乳球菌的Abi系统通常由宿主细菌的某一个单独基因所介导，也有少数由2-4个基因所介导同的Abi蛋白被认为会影响噬菌体增值周期中的不同步骤•AbiA、AbiB、AbiK、AbiP和AbiT会干扰噬菌体DNA复制•AbiB、AbiG和Abiu则会影响噬菌体RNA的转录•AbiC可以限制噬菌体主要衣壳蛋白的翻译•Abie、AbiI和AbiQ则会影响噬菌体DNA包装•AbiD1可以干扰噬菌体编码的RuvC样的内切核酸酶•AbiZ的存在会导致噬菌体感染细胞的过早裂解•AbiP抑制噬菌体中晚期基因的转录•AbiK可关闭噬菌体的裂解周期细菌的免疫系统CRISPR-Cas系统CRISPR，即簇集存在的规则短间隔重复序列(clusteredregularlyinterspacedshortpalindromicrepeats)，存在于细菌染色体上Cas，即CRISPR的相关蛋白质（CRISPR-assocated），是一类DNA结合蛋白，具有核酸酶和解旋酶等活性首次发现的细菌编码的获得性免疫系统，是细菌获得并保持对抗外来核酸（如噬菌体和质粒DNA）侵染能力的重要武器约90%的古生菌和40%的真细菌基因组中含有CRISPR-Cas结构1987年，Ishino等在大肠埃希菌的iap基因3‘端发现2002年正式使用CRISPR-Cas缩写CRISPR-Cas系统发现CRISPR-Cas系统分型----I型CRISPR-Cas系统结构特点细菌的免疫系统CRISPR-Cas系统CRISPR-Cas系统由CRISPR基因和Cas蛋白组成通常21-48bp的正向重复序列的长度，可以形成稳定的、保守的二级结构由长度相似的21-72bp的非重复性间隔子（non-repetitivespacer）隔开，大部分间隔子与细菌所捕获的病毒及质粒序列相关5‘端有一段高AT含量的前导序列（leadersequence）CRISPR基因簇临近4-20个cas基因，这些cas基因表达一整套Cas蛋白，发挥核酸酶、解旋酶、聚合酶及RNA结合蛋白等功能6个“核心”cas基因（cas1-6），其中cas1和cas2在目前发现的所有CRISPR-Cas系统的标志基因，对应的Cas1和Cas2单笔在目前发现的所有得CRISPR-Cas系统中都是非常保守的，这两个蛋白质与细菌捕获外来核酸物质并形成相应的间隔子密切相关cas操纵子前导序列重复间隔子细菌的免疫系统CRISPR-Cas系统质粒噬菌体DNAPAM前间隔子I型II型III型结合未知的Cas蛋白cas操纵子前导序列1234重复间隔子Cas1Cas2前间隔子整合43215转录I型II型III型crRNA的切割crRNACascadeCas3靶DNACas9靶DNACsm/CmrCas6靶DNAtracrRNA前体-crRNA细菌的免疫系统CRISPR-Cas系统CRISPR-Cas系统分型----I型I型基因簇包含一