解析细菌免疫系统解析细菌免疫系统组员：李芸、罗婉玲、陈梦萍Abstract 本文在综述细菌免疫系统最新研究进展基础上，重点分析讨论:l细菌免疫系统的作用模式l以及细菌免疫系统与噬菌体之间的进化关系Background Knowledgel自然界中，噬菌体无处不在，其数量远远超过细菌数量，对细菌的生存构成了极大威胁。各种DNA 遗传元件也可通过转导、转化和结合方式转移DNA 到细菌细胞中。细菌面临各类DNA 的侵袭，进化了多种防御机制。l被动适应：阻止噬菌体吸附，阻止DNA 进入细胞l主动防御主动防御：裂解侵入的DNA，或以宿主细胞死亡的方式，阻止噬菌体的扩散。l各种机制的相互配合，在细菌细胞中构成了一个有效的免疫系统。1 限制修饰系统( Restriction-Modification RM) l最早发现的细菌免疫系统，典型的RM 系统由限制酶限制酶( REase) 和甲基转移酶甲基转移酶( MTase) 构成，它们通常成对出现，具有相同的DNA 识别位点。REase 识别并裂解特定的DNA 序列，同源的MTase 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。l正常情况下，含有RM 的细胞在DNA 复制过程中被甲基化，而外来核酸( 如噬菌体和质粒DNA) 的甲基化模式与细菌本身的甲基化模式不一致，就可能被细菌的特定限制酶所降解。lRM 系统是细菌免疫防御的胞内第一道防线第一道防线。在噬菌体或移动遗传元件尚未复制之前就降解尚未复制之前就降解其DNA， 是RM 系统作用的突出特点之一。2 流产感染系统( Abortive infection Abi) l Abi 系统( 也称噬菌体排斥系统) 是在噬菌体的不同发育阶段干扰噬菌体增殖的一种机制。l在噬菌体感染的过程中，噬菌体的吸附和DNA 注入正常发生，只是后续发生的噬菌体发育过程被终止。由于噬菌体的侵入，干扰了宿主细胞的正常生理功能，导致了被感染宿主细胞的死亡，进而终止了噬菌体的增殖，被感染细胞的死亡阻止了噬菌体的扩散，为周围细胞的生存提供了保护。RexA蛋白 RexB蛋白感染噬菌体蛋白-DNA复合物RexA（胞内感受器）RexB（离子通道）降低膜电势细胞ATP水平降低生物大分子的合成减少细胞增殖终止，噬菌体感染流产（需要ATP和ATP以来的细胞成分）Rex系统活化实例：Rex 系统PifA 蛋白PifA 是个膜相关的蛋白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。3 毒素-抗毒素系统( Toxin-Antitoxin TA) lTA 系统是个小的遗传模块遗传模块，又称TA 位点，基因产物通常由2 个组分构成，一个是稳定的毒素稳定的毒素，另一个是不稳定的抗毒素不稳定的抗毒素。毒素是蛋白，而抗毒素或是蛋白，或RNA。l在已测序的原核生物中发现有数百个TA 位点，隶属于几个典型的TA 基因家族。如MazEF。根据抗毒素的性质和作用模式，已将TA 系统分为3 种类型。虽然在细菌免疫系统研究中，对TA 系统的免疫防御功能研究的比较少，但已发现3种类型TA 系统均参与宿主对噬菌体的防御。型TA 系统目前为止只是发现用T4 噬菌体感染这些细胞时，细胞数量却没有减少，而不含hok / sok 基因的大肠杆菌细胞数量明显减少，表明TA 系统hok / sok 基因具有噬菌体排斥功能。型TA 系统当噬菌体感染宿主菌时，它作为一种应激因子激mazEF 系统，在转录或翻译水平上干扰mazE 的表达，促进mazF 的表达，通过mazF 蛋白的毒性作用导致菌体死亡。4 CRISPR-Cas 系统 CRISPR ( clustered regularly interspaced short palindromic repeats) 是一个特殊的DNA 重复序列家族，广泛分布于细菌和古细菌基因组中。CRISPR 位点通常由短的高度保守的重复序列( repeats) 组成，重复序列的长度通常21 48 bp，重复次数最高可达250 次。l到目前为止，虽然对CRISPR-Cas 系统的详细作用机制尚未得到完全阐明，但已基本明确了它的作用机制的整个过程。在噬菌体侵入的起始阶段，Cas 蛋白复合物靶向并裂解噬菌体基因组中短的原型间隔序列( proto-spacer) ( 与CRISPR 间隔序列同源的噬菌体基因序列) ，这些原型间隔序列接下来整合到宿主基因组中的CRISPR 位点的5 。然后这些短的掺入的间隔序列被转录成crRNAs( CRISPR RNAs) ，在crRNAs 中除含有间隔序列转录物外，还含有间隔序列两侧重复序列的部分转录产物。最后阶段是靶向和干扰侵入的噬菌体DNA序列，这个过程仍需Cas 蛋白复合物参与。当宿主再被噬菌体感染时，crRNAs 作为模板靶向噬菌体的原型间隔序列，通过碱基配对结合后，降解靶向的DNA。与此同时，crRNAs 可以区分来自噬菌体的原型间隔序列和CRISPR 序列中与原型间隔序列同源的间隔序列。5 分析和展望 在细菌免疫系统中，各种免疫机制相互配合，共同维持细胞生存稳定。在这些免疫机制中，有的采用被动适应，有的采用主动防御的策略，限制噬菌体的繁殖或阻止噬菌体的扩散。被动适应涉及细菌阻断外源DNA 侵入胞内，如阻止噬菌体吸附，阻DNA 进入等机制，主动防御过程则包括上述4 类免疫机制。人们对细菌免疫系统的研究还处在刚刚起步阶段，对各类免疫机制的细节了解仍然较少，尤其对各类免疫机制之间的关系了解则更少。当噬菌体侵入宿主细胞时，各类免疫机制是单独起作用，还是与其它免疫机制联合起作用? 哪个机制先起作用，哪个机制后起作用，哪个机制对哪类噬菌体或DNA 元件起限制作用? 对这些问题现在仍不清楚。相信随着被测序细菌和噬菌体数量的增加，研究技术和研究方法的进步，人们一定会对细菌各类免疫机制的研究更加深入，将会逐渐澄清目前尚不能解释的那些问题。总之，细菌利用免疫系统防御噬菌体的攻击，而噬菌体也进化其相应策略逃避宿主的防御，这样就产生了细菌和噬菌体之间永不休止的战争。上述的各类免疫机制都是针对双股DNA 噬菌体的，然而，自然界中还有单股DNA，双股RNA，和单股RNA 噬菌体，细菌面对这些噬菌体，必然要进化多种免疫机制，因此，可以推断，细菌可能还存在尚未被发现的其它种类的免疫机制。