第3章细胞免疫系统

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：EcoK I）
• 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
细菌的免疫系统
细菌的免疫系统
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
细菌的防御机制
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
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细菌的免疫系统
PifA系统
PifA 是个膜相关的蛋白
大肠埃希菌的Abi系统
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。
(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
细菌的免疫系统--R-M系统
R-M系统的发现
大肠埃希菌（Escherichia coli）的EcoR I 和EcoR II
流感嗜血菌（Haemophilius influenzae ）的 Hind II 和Hind III
失活的RexA RexB 激活的RexA
RexB
细菌的免疫系统
Lit系统
大肠埃希菌的Abi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。
HsdR HsdM
HsdS
蛋白质
限制性切割
催化甲基化反应
决定DNA序列
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
细菌的免疫系统 -- R-M系统
R-M-系统
限制修饰系统 (Restriction-Modification，RM)
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
第三章 细菌免疫系统及其与宿主相互作用
课时：32学时 授课方式：讲授+讲座 开课时间：2014年秋季
本章主要内容
细菌的免疫系统
R-M 系统 T-A 系统 Abi系统 CRISPR-Cas系统
微生物群落与宿主相互作用
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
CRISPR-Cas 系统
CRISPR-Cas 系统分型 ----I型
CRISPR ，即簇集存在的规则短间隔重复序列( clustered regularly interspaced short palindromic repeats) ，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
一价阳离子
+ + +
细菌的免疫系统 大肠埃希菌的Abi系统
Rex系统（典型的Abi系统）
肽聚糖层
与噬菌体 DNA相互作 用的蛋白质
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T-A系统
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
细菌的免疫系统
PrrC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Ecoprr I （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
在双链上切割识别位点的两端 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 两个识别位点，一个是切割位点，另一个是效应器 两个识别位点，协同切割 对称或不对称识别位点，受AdoMet影响 对称或不对称识别位点，同I型R-M系统基因结构相似 亚型II P或II A，依赖甲基化位点 对称识别位点和切割位点
S
T
不对称识别位点和切割位点
对称或不对称识别位点，限制酶是异二聚体
Fok I、Mme I
Bpu10 i、Bsl I
细菌的免疫系统
R-M系统
III型R-M系统（代表：EcoP1 I 和 EcoP15 I）
• 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
CRISPR-Cas 系统发现
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
细菌的免疫系统
CRISPR-Cas 系统
CRISPR-Cas 系统结构特点
CRISPR-Cas 系统由CRISPR基因和Cas蛋白组成 通常21-48 bp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-repetitive spacer）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（leader sequence） 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
1983年首次发现于质粒上，一度被认为质粒成瘾系统 （plasmid addiction system） 1995年Aizenman等首次在大肠埃希氏菌的染色体上 发现T-A系统（the MazEF addiction module） 目前认为广泛存在于几乎所有的真细菌和许多古菌中
细菌的免疫系统
IV型R-M系统（代表：大肠埃希氏菌的McrBC和Mrr）
• 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DNA
细菌的免疫系统
T-A系统
T-A系统，即毒素-抗毒素系统( Toxin-Antitoxin TA)
BbvC I Bgl I
细菌的免疫系统
II型R-M系统
亚型 A B C E F G H M P
R-M系统
特征 不对称识别序列 举例 Fok I、Aci I Bcg I Gsu I、Hae IV、 Bcg I EcoR II、Nae I Sfi I、SgrA I Bsg I、Eco57 I Bcg I、Ahd I Dpn I EcoR I、PouM I、 Bsl I
T-A系统的发现
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-feedback loop） 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（programmed cell death，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
细菌的免疫系统
T-A系统的结构特点
T-A系统
胞内蛋白酶 （Lon 或 Clp）
T-A复合体
促进 毒素
抗毒素
抑制
靶向细胞内多 种靶标，会导 致细菌生长抑 制或死亡
基因
细菌的免疫系统
T-A系统的分型：
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
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
细菌的免疫系统 -- R-M系统
R-M系统的作用方式
胞外
胞内
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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”。
细菌的免疫系统
AHale Waihona Puke Baidui系统
Abi系统，即流产感染系统（abortive infection system）， 也称为“噬菌体 排除系统” 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。