细菌的黏附与侵袭

Bacterium
Actin
Integrin receptors
ECM
Zipper mechanism 耶尔森氏菌Yersinia 侵袭素Invasin -整合素Integrin 李氏杆菌Listeria 内化素Internalin -钙粘连蛋白 E cadherin InlB-Met
Graphic of the Yersinia uptake mechanism
• 细胞的特异性：定居于一定部位的细菌， 能选择性地粘附某一类型的上皮细胞。 例如:同是在呼吸道定居的致病菌，脑膜炎 球菌特异地粘附非纤毛上皮细胞，多杀巴 氏杆菌(pasteurelIa multieida)能特异地粘附 鳞状上皮细胞，百日咳杆菌则粘附于支气 管纤毛上皮细胞。
• 同一型细胞表面成分改变后，能被不同的 细菌粘附:颊粘膜细胞表面包被血浆纤维粘 连蛋白(Fibronectin，Fn)时，有革兰氏阳性 菌粘附，无Fn时，粘附革兰氏阴性菌，Fn 存在一定量时，革兰氏阳性菌和革兰氏阴 性菌均可粘附。
菌毛粘附素
• 普通菌毛是细菌的粘附结构，能与宿主细 胞表面的特异性受体结合，菌毛的受体常 为糖蛋白或糖脂，与菌毛结合的特异性决 定了宿主感染的易感部位。有菌毛的粘附 可抵抗肠蠕动或尿液的冲洗作用而有利于 定居，一旦丧失菌毛，其致病力亦随之消 失。
许多细菌导致人类疾病,菌毛介导粘附到宿主细胞是哺乳动物感染的第一步。 经常引发细菌粘附的细胞骨架的重排。细菌可以通过自然哺乳动物宿主信号转 导通路为吞噬作用准备宿主骨架。
特异性粘附需要的物质基础
• 细菌表面的粘附结构—粘附素 • 宿主细胞表面的特异性受体
配体（粘附素）和受体
细菌表面的特异识别分子—配体(ligand)和 宿主上皮细胞表面对应的识别分子—受体 (receptor)是细菌实现粘附的物质基础，二 者互相紧密粘附结合，有利于细菌定居、 繁殖、内化（侵袭）和致病。
宿主细胞表面的特异性受体
• 宿主细胞的细胞膜 —脂质双层：脂类、蛋白质 • 细胞表面的粘附受体 —整合素、钙粘蛋白、免疫球蛋白超家族、选 择素 • ECM(extracellular,matrix) —由细胞产生和释放的大量分子构成细胞外复 杂的结构网，包括纤连蛋白、纤维素蛋白原、 胶原蛋白、蛋白聚糖和粘多糖
（A）“拉链”机制，主要见于耶尔森菌和李斯特菌； （B）“触发”机制，主要见于沙门菌和志贺菌。
The Zipper Mechanism of Entry：配体介导的内化
排 他 性， 个 体 行 为
Entry Mechanisms
The Trigger Mechanism of Entry：信号转导的细胞膜皱变 触发式
侵袭素：
• Obtaining nutrients • Avoid host defenses
Bacterial Invasion
Steps in bacterial invasion • Entry
•The Zipper Mechanism of Entry •The Trigger Mechanism of Entry
The formation of a signaling platform Characterizations: Localized but massive rearrangement of the cell surface The formation of intricate filopodial and lamellipodial structures
Zipper model for invasin-mediated
Not sufficient receptors for internalization of bacteria because most of the b1-integrin population is bound to ECM...
鞭毛（霍乱弧菌，百日咳杆菌，空肠弯曲菌）， 血凝素（霍乱弧菌，幽门螺杆菌）， 表面蛋白（志贺氏菌）， LTA（多数G＋菌）
Afimbrial adhesins on the cell surface
bacteria
细菌细胞壁
非菌毛粘附素的粘附机制
壁磷壁酸参与细菌粘附的作用机理:
a.磷壁酸的游离端可以直接与宿主细胞的表面分 子(受体)结合; b.磷壁酸分子本身带负电荷，可以与宿主细胞表面带 正电荷的大分子或大分子的某些带正电区域结合; c.磷壁酸与细菌本身的表面蛋白结合，通过表面蛋白 介导再与宿主细胞表面受体结合，此时的磷壁酸 和蛋白质共同组成粘附因子。 可见，壁磷壁酸在致病性方面具有重要意义。
trigger
•Actin polymerization •Membrane extension
Phagocytic cup closure and retraction, and actin depolymerization
Alicia E. Smith and Ari Helenius Science 304 237 (2004)
细胞模型
• 近年来应用较多的一类细菌粘附模型，具有 重复性好和周期短的优点，如Hela细胞（人 子宫宫颈癌上皮细胞） Int407 细胞(人胚胎 肠粘膜细胞系)Vero细胞（非洲绿猴肾异倍 体细胞） CHO细胞（中国仓鼠卵巢细胞） 等。 由于这些细胞系多为来自肿瘤细胞的无限 繁殖细胞系已失去某些细胞表面的受体标志， 现在开始采用原代培养细胞作为细胞粘附模 型用细胞。
脂磷壁酸(lipoteichoic acid，LTA)粘附机制
• a.LTA的重复单位及疏水链都含有脂质结合点， 它们可以与宿主细胞表面的脂质区结合，特别 是一些糖脂及脂蛋白受体; • b.细菌在生长过程中不断向周围释放LTA(或 dLTA)，其中一部分LTA是游离的，而另一部分 则通过链的亲水端与细菌表面蛋白结合，能与 膜结合的疏水端则有机会同宿主细胞表面的脂 质受体或蛋白质受体结合; • c.LTA分子本身带弱负电荷，它的游离端可直接 与宿主细胞表面带正电荷的大分子(或某一部 分)结合，从而介导细菌的粘附。
粘膜上皮组织体外粘附模型
• 为近年来受到重视的一类细菌粘附模型，此 模型可避免动物模型中各种干扰因素的影响， 方便、重复性好为一类能直接反应细菌粘附 素与细胞表面受体相互作用的理想模型。 粘膜上皮组织选择的原则：１.受体特异性 原则 ２.年龄选择，５月龄以上胎儿的胃 肠道粘膜上皮组织表面的大部分受体系统才 能充分表达。３.部位选择，细菌对同一组 织器官不同部位粘膜上皮组织的粘附能力有 较大差异。
特异性粘附
细菌的特异性粘附是借特异性识别分子(粘 附素，配体)和靶细胞表面的相应受体相结 合，在空间构型上两个分子相匹配。
特异性的分类
• 宿主特异性:由于不同种系动物在遗传学上 的差异，细胞膜表面成分不尽相同。只有 宿主组织内有相应的受体，细菌才能在宿 主体内定居、繁殖。这由同一细菌表面的 抗原性决定。
非特异性粘附
细菌的非特异性粘附主要由细菌与靶细胞 表面的分子疏水性、分子间力(范德华氏力) 和静电引力的大小起主要作用，不依赖于 粘附素的存在，其中分子的疏水性尤为重 要。细菌表面疏水性的强弱，是由疏水物 质的含量决定的。
非特异性粘附的特点
细菌或细菌某一成分既能吸附于疏水物质 (如疏水胶、碳氢化合物等)，又能粘附于上 皮细胞，这种粘附可被外源性非特异性疏 水物质或亲水物质所阻断。
细菌的粘附与侵袭
粘附的定义
粘附是细菌的粘附素(配体)与宿主细胞相应 受体之间的特异性结合过程，宿主细胞是 否具有相应的受体及受体物理化学力 粘附 粘附机制
特异性粘附
细菌粘附研究实 验方法
细菌粘附的一般过程
• 粘附的第一步是非特异性的,借趋化作用使 细菌和易感宿主细胞表面接近及定位,继之 细菌菌毛末端的配体(Ligand)与易感宿主细 胞表面处于静电荷及疏水性结合; • 第二步是特异性的,即在第一步的基础上,使 各菌毛的特殊配体进一步与相应特异性受 体结合,如大多数大肠杆菌的F1只能和上皮 细胞的D甘露糖受体相结合。
• 粘膜上皮组织体外模型的应用注意事项： １.粘膜上皮组织片的制备，先将上皮组织均 匀展平后用ＨＣＨＯ固定，粘膜上皮片组织 片大小要均匀。 ２.细菌活力的维持。 ３.非特异性粘附的减少或避免 。
Section two Invasion(internalization)
指某些毒力强或具有侵袭能力的病原菌主动侵入非 吞噬细胞（主要为粘膜上皮细胞）的感染过程。
Afimbrial Adhesins
Used by many bacteria, particularly Gram (+) Individual proteins or clusters of protein on the cell surface – mediate a tight interaction with host cells
粘附素与相应受体
细菌的特异性粘附机制
• 直接粘附 • 间接粘附-经由ECM蛋白的粘附 • EPEC粘附
细菌粘附研究实验方法
动物模型
细菌粘附实验模型
细胞模型 粘膜上皮组织体外粘附 模型
动物模型
• 是细菌粘附研究中应用最早最广泛的实验模 型，可选普通动物，SPF 动物，GF动物。
• 形成动物模型的条件中，外因包括所用细菌 浓度、实验步骤、动物机体的免疫状态，内 因动物的品种、细胞的受体系统和选用菌株 的特性。
一、Entry Mechanisms
The Zipper Mechanism of Entry：配体介导的内化
three successive steps
拉链式
receptor clustering Transient signals
Contact and adherence Phagocytic cup formation
Integrin receptors
Actin
ECM
Zipper model for invasin-mediated
…but due to high affinity binding of invasin to integrins the receptors are sequestred and the bacteria begins to be internalized
Four successive steps
pre-interaction stage
interaction stage formation of a macropinocytic pocket
Effector molecules
Dedicated chaperones
avoid premature association of the effector molecules and their proteolytic degradation
配体——粘附素
使细菌粘附在敏感细胞的表面，利于细菌 的定植、繁殖,与细菌的致病性密切相关， 称为粘附素。根据来源分为菌毛粘附素和 非菌毛粘附素。 • 菌毛粘附素：由细菌菌毛分泌并存在于菌 毛顶端； • 非菌毛粘附素：来自于细菌表面的其他组 分，如G-菌外膜蛋白和G+菌细胞壁。如鼠 疫杆菌的外膜蛋白、A群链球菌细胞壁的 脂磷壁酸等。
组织特异性:一种细菌只能在特定的组织或 器官内定居。
病原菌 淋病奈瑟菌 脑膜炎奈瑟菌 霍乱弧菌 百日咳博带式杆菌 鼠伤寒沙门氏菌 幽门螺旋杆菌 酿脓链球菌 空肠弯曲菌 肺炎支原体 组织 尿道上皮细胞 鼻炎上皮细胞 肠道上皮细胞 呼吸道上皮细 肠道上皮细胞 胃粘膜 咽上皮细胞 肠道上皮细胞 呼吸道上皮细胞
• Intracellular life-style • The vacuole as an intracellular replication compartment • Life in the cytosol and actin-based intraand intercelluar motility • Cell responses to intracellular pathogens
• 细菌粘附动物模型应用过 程中可长时间观察细菌的 粘附作用，也可用于短期 观察。长时间观察可通过 定期检测动物排泄物中攻 击菌的数量间接反映细菌 的粘附;短期观察通过将 动物急性处死后，通过对 粘附与粘膜上皮表面的细 菌进行扫描电镜观察或进 行细菌培养计数来确定细 菌在粘膜上皮表面有无粘 附及粘附能力的强弱。