细胞免疫系统第三章

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

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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

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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

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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DNAMcrBC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RNAII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型基因簇包含一个cas3基因，所编码的Cas3蛋白质具有解旋酶与DNA酶的活性编码CRISPR相关抗病毒防御复合体（Cascade）在Cascade复合体中，主要有一种具有RNA内切核酸酶活性的RAMP蛋白催化前体crRNA形成成熟的crRNAI型CascadeCas3细菌的免疫系统

CRISPR-Cas系统CRISPR-Cas系统分型

II型包含“HNH”型系统，除广泛存在的Cas1和Cas2外，还包含Cas9，它与crRNA的产生和靶DNA的切割有关Cas9至少包含2个核酸酶结构域：位于氨基酸附近的RuvC样核酸酶结构域；位于蛋白质中部的HNH核酸酶结构域Cass9的失活会造成外来DNA干扰的终止切割时，一种反向编码的小RNA（tracrRNA）会与前体-crRNA中的部分重复区域形成双螺旋结构，并且前体-crRNA的第一次切割会发生在这个重复区域内切割在Cas9的协同下，由管家蛋白—双链RNA特异性RNA酶III所催化cas操纵子前导序列1234Cas1Cas243215转录II型Cas9靶DNAtracrRNA前体-crRNACRISPR-Cas系统分型----III型细菌的免疫系统

CRISPR-Cas系统包含聚合酶和RAMP模块，其中至少有一些RAMP与间隔-重复序列转录物的形成有关，这与Cascade复合体类似分为亚型III-A（Mtube和CASS6）和III-B

（聚合酶-RAMP模块）亚型III-A靶向质粒，其编码的聚合酶样蛋白的HD结构域与靶标DNA的切割有关亚型III-B靶向RNA123443215转录前体-crRNAIII型Cas6靶DNACsm/Cmr细菌的免疫系统

CRISPR-Cas系统CRISPR-Cas系统作用方式对抗外源核酸的方式类似于真核生物的RNA干扰（RNAi）不同：CRISPR-Cas系统能整合一小段外源DNA到CRISPR基因簇上，形成对该核酸入侵的“记忆”三个阶段：适应、表达和干扰，适应阶段进行信息处理；表达和干扰阶段执行“秒杀任务”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适应干扰表达微生物群落与宿主相互作用人体微生物群落：定植于人体上的微生物数量可达数十亿，超过人体细胞数的10倍以上，这些微生物统称为人体微生物群落（microbiota或microbialcommunities）或正常菌群（normalflora）微生物组：人体微生物细胞加上其包含的超过人体基因组基因数量100倍的基因综合构成了微生物组（microbiome）人体微生物群落的形成是一个动态过程，在不同的人生阶段表现出不同的多样性和异质性体内寄生微生物微生物群落与宿主相互作用肠道是人体微生物群落最重要的储藏库口腔具有最高的菌群多样性，胃部最低，随着向下推移，多样性逐渐增加肠道微生物群落微生物群落与宿主相互作用男性以柔嫩梭菌群（Faecalibacteriumprausnitzii）、双歧杆菌、拟杆菌、梭菌、肠球菌和普雷沃菌为主女性以链球菌、韦荣球菌属、曼氏杆菌属和刘韦球菌属为主人类消化和吸收的食物或药物，决定了肠道细菌保持何种菌群水平，包括微生物种类、比例和繁殖速度，也会影响人体第二基因组的组成和宿主的健康状况环境对肠道菌群的影响也非常大巨大肠道微生物群落微生物群落与宿主相互作用下丘脑脑垂体促皮质释放素促肾上腺皮质激素肾上腺循环皮质醇YYY免疫细胞色氨酸代谢细胞因子神经递质短链脂肪酸肠腔肠道微生物群落情感、认知、情绪交感神经肠道微生物群落肠道菌群与中枢神经系统之间的联系：一方面菌群可通过神经递质、各种代谢产物、细胞因子等影响大脑的情感、认知、情绪及对环境危害的感受性等功能；一方面大脑也可通过神经、内分泌和免疫系统等途径调控肠道菌群微生物群落与宿主相互作用优势菌群：放线菌、变形菌门和厚壁菌门为主特点：高度的多样性和个体间的差异性，其种属多样性超过肠道、口腔、耳道等部位皮肤微生物群落口腔微生物群落优势菌群：口腔内部不同部位拥有独特的菌群结构普遍存在的菌属：在不同个体具有不同的优势菌群皮肤微生物群落口腔微生物群落微生物群落与宿主相互作用呼吸道微生物群落特点：与身体其他部位具有相似性，均具有空间的异质性年龄是影响呼吸道菌群的重要因素阴道微生物群落抵御感染的生物屏障优势菌群：产酸乳杆菌特点：与身体其他部位具有相似性，均具有空间的异质性铜绿假单胞菌乳杆菌微生物群落与宿主相互作用微生物群落和人体代谢与人体紧密共生的微生物群落促进了机体的适应性进化，而微生物后天的建立又受到与宿主生命过程中一系列复杂的动态交互作用的推动健康状态行为、认知、情感正常；炎症细胞、介质水平正常；肠道菌群正常健康中枢功能异常中枢功能健康肠道功能异常肠道功能应激/疾病行为、认知、情感改变；炎症细胞、介质水平变化；肠道生态失调微生物群落与宿主相互作用维系宿主和共生物关系的物质基础：宿主和微生物群落通过分解食物或其他外源物会产生大量的小分子代谢物微生物群落和人体代谢———宿主和微生物群落的共代谢与信号分子代谢物相关细菌生物学功能短链脂肪酸厚壁菌门IV及XIVa型梭菌降低结肠平H，抑制病原体生长，刺激水喝钠吸收，参与胆固醇的合成，给结肠上皮细胞提供能量，涉及肥胖、胰岛素抵抗、II型糖尿病及大肠癌胆汁酸乳酸杆菌、双歧杆菌、肠杆菌属、拟杆菌、梭状芽孢杆菌吸收膳食脂肪和脂溶性微生物，促进脂质吸收，维持肠道屏障和信号系统内分泌功能，调节甘油三酯、胆固醇、葡萄糖与能量平衡胆碱代谢产物Faecalibacteriumprausnitzii、双歧杆菌调节脂质代谢和葡萄糖体内平衡，涉及非酒精性脂肪肝病、饮食引起的肥胖、糖尿病和心血管疾病酚醛树脂，苯甲酰基和苯基衍生物艰难梭菌、双歧杆菌、乳杆菌、Subdoligranulum、Faecalibacteriumprausnitzii外源性物质的解毒，肠道微生物组成和活动指征，利用多酚类物质，尿液马尿酸可能是高血压和肥胖的一个生物标志物，尿4-羟基苯基、4-甲酚、苯乙酸升高则与大肠癌相关吲哚衍生物梭状芽孢杆菌、大肠杆菌防止胃肠道应激性病变，调节促炎性因子的表达，增加抗炎因子表达，增强上皮细胞的屏障功能，牵涉胃肠道病变、脑-肠轴和少数的神经系统疾病维生素双歧杆菌补充内生性维生素，增强免疫功能，发挥表观遗传调控细胞增殖的效果多胺空肠弯曲菌、解糖梭菌发挥遗传毒性效应，抗炎性和肿瘤，潜在的肿瘤标志物血脂双歧杆菌、Raseburia、乳杆菌属、克雷伯氏菌、肠杆菌、枸橼酸杆菌、梭状芽孢杆菌影响肠道通透性，激活脑-肠-杆轴，调节血糖动态平衡，LPS诱导慢性全身性炎症，共轭脂肪酸改善高胰岛素血症，增强免疫系统，改变脂蛋白谱其他：D-乳酸、甲酸、甲醇、琥珀酸盐、赖氨酸、葡萄糖、尿素、肌酸、肌酐、内源性大麻素、脂多糖等拟杆菌属、假丁酸弧菌属、瘤胃球菌属、奇异菌属、Faecalibacterium、双歧杆菌、厚壁菌、乳杆菌直接或间接地合成或利用化合物，或调节包括内源性大麻素系统在内的途径微生物群落与宿主相互作用微生物群落与代谢性疾病中肝功能和炎症关系发达国家代谢性疾病如糖尿病和肥胖的患病率呈稳步增长趋势，最初归因于不良的饮食习惯和缺乏运动代谢病患者的肠道菌群可能导致小鼠代谢病，但与遗传背景无关肥胖患者于瘦人肠道菌群明显不同，拟杆菌数量少而后壁菌门的细菌较多，因而从食物摄取更多能量，促进更多脂肪生成确定细菌或其产物如何发挥与宿主的相互作用是一个关键问题微生物群落与宿主相互作用宿主和微生物群落之间代谢性相互作用的特点代谢物相关细菌生物学功能短链脂肪酸厚壁菌门IV及XIVa型梭菌降低结肠平H，抑制病原体生长，刺激水喝钠吸收，参与胆固醇的合成，给结肠上皮细胞提供能量，涉及肥胖、胰岛素抵抗、II型糖尿病及大肠癌胆汁酸乳酸杆菌、双歧杆菌、肠杆菌属、拟杆菌、梭状芽孢杆菌吸收膳食脂肪和脂溶性微生物，促进脂质吸收，维持肠道屏障和信号系统内分泌功能，调节甘油三酯、胆固醇、葡萄糖与能量平衡胆碱代谢产物Faecalibacteriumprausnitzii、双歧杆菌调节脂质代谢和葡萄糖体内平衡，涉及非酒精性脂肪肝病、饮食引起的肥胖、糖尿病和心血管疾病酚醛树脂，苯甲酰基和苯基衍生物艰难梭菌、双歧杆菌、乳杆菌、Subdoligranulum、Faecalibacteriumprausnitz