第2章微生物膜囊泡與納管系統(tǒng)

第二章

微生物的膜囊泡和納管系統(tǒng)課時：4學(xué)時授課方式：講授+講座開課時間：2014年秋季主要內(nèi)容革蘭陰性菌的細胞壁復(fù)合體細菌膜囊泡的產(chǎn)生和組成研究膜囊泡的方法細菌納管的意義膜囊泡的功能細菌納管的特征微生物的膜囊泡MembraneVesicle(MV)革蘭陰性菌的細胞壁復(fù)合體BrockBiologyofMicroorganism,2010革蘭陰性菌細胞壁細胞壁復(fù)合體外膜內(nèi)膜薄層肽聚糖膜周間隙特殊跨膜結(jié)構(gòu)磷脂和脂蛋白糖脂磷脂雙分子層細菌膜囊泡的產(chǎn)生和組成Kuehn,2005,Gene&Development細菌膜囊泡的產(chǎn)生常見的細菌銅綠假單胞菌、腦膜炎奈瑟菌、流感嗜血桿菌、大腸埃希菌等膜囊泡自發(fā)地、持續(xù)地產(chǎn)生直徑20-300nm組成球型雙層膜結(jié)構(gòu)膜囊泡中包含蛋白質(zhì)、磷脂、脂多糖（LPS）和肽聚糖等成分膜囊泡組成FromBas,2013定量蛋白質(zhì)組技術(shù):膜囊泡含有H結(jié)合蛋白、脂蛋白、細胞結(jié)合因子、纖毛成分、LPS組合蛋白，每種膜囊泡都含有外膜蛋白A，說明膜囊泡由外膜形成細菌膜囊泡的產(chǎn)生和組成細菌膜囊泡vs.細菌外膜－相似，但不完全等同富含HtrA絲氨酸蛋白酶膜囊泡：富含黏附分子SabA和SabB細菌外膜：例：幽門螺桿菌細菌膜囊泡的產(chǎn)生和組成細菌膜囊泡產(chǎn)生當外膜生長超過肽聚糖或當肽聚糖生長超過外膜時形成～細菌膜囊泡的產(chǎn)生和組成膜囊泡細胞壁復(fù)合體成分相互作用喹諾酮類信號分子被包入內(nèi)源產(chǎn)生的膜囊泡中，這個泡狀體可以在不同細胞間穿梭傳遞信息，進而介導(dǎo)細菌群體行為細菌細胞壁應(yīng)激反應(yīng)溫度、pH、養(yǎng)分改變及噬菌體感染等均可引發(fā)細菌應(yīng)激反應(yīng)“雙層耦合”模型細菌膜囊泡產(chǎn)生---CaseI細菌細胞壁應(yīng)激反應(yīng)添加IPTG形成脅迫，細菌外膜形成囊泡細菌利用膜囊泡，包裹自身胞內(nèi)物質(zhì)、蛋白、信號分子等，傳送至其它細菌表面McBroom,2007,MolecularMicrobiology細菌膜囊泡的產(chǎn)生和組成IPTG：誘導(dǎo)劑，異丙基硫代半乳糖苷發(fā)現(xiàn)由30-60nm寬，最長5μm的膜囊泡構(gòu)建細菌間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過網(wǎng)絡(luò)傳遞膜蛋白和信號分子Jonathan,2014,EnvironmentalMicrobiology目前尚沒有一種模型能解釋膜囊泡產(chǎn)生的全部機制細菌膜囊泡產(chǎn)生---CaseII細菌膜囊泡的產(chǎn)生和組成－體積較小－浮力密度較輕去除細胞碎片、雜質(zhì)密度梯度離心梯度離心管親和層析法抗體親和磁珠純化膜囊泡的物理特征研究膜囊泡的方法培養(yǎng)細菌Brooke,2012,InfectionandImmunity小囊泡的產(chǎn)生當外膜蛋白-肽聚糖層，或外膜蛋白-肽聚糖層-內(nèi)膜的密度減少時，特別是OmpA、LppAB錨定于細菌外膜但是沒有與細菌肽聚糖層錨定，細菌表面或橫隔部位會出現(xiàn)膜囊泡區(qū)別：小囊泡包含LPS蛋白和胞內(nèi)物質(zhì)大囊泡只含膜蛋白成分大囊泡的產(chǎn)生Case:細菌微生物膜囊泡的功能Brooke,2012,InfectionandImmunityCase:古菌古菌膜囊泡的產(chǎn)生屬于主動脫落，亦稱脫落膜囊泡受體內(nèi)多種酶調(diào)控，如：鈣蛋白酶、翻轉(zhuǎn)酶、混雜酶、凝溶膠蛋白等控制古菌膜囊泡受內(nèi)體蛋白分選轉(zhuǎn)運裝置(ESCRT-III

)和液泡分選蛋白(Vps4)調(diào)控William,2012,Cell微生物膜囊泡的功能Brooke,2012,InfectionandImmunity與古菌相似，真菌(寄生蟲)膜囊泡都為脫落膜囊泡受內(nèi)體蛋白分選轉(zhuǎn)運裝置(ESCRT-III

)調(diào)控形成過程：首先形成腔內(nèi)小泡(ILV)在內(nèi)體蛋白分選轉(zhuǎn)運裝置作用下形成核內(nèi)體(MVB)后，運輸?shù)酵饽け砻?。MVB與外膜融合后，作為外泌體(Exosome)釋放Case:真菌膜囊泡的功能Brooke,2012,InfectionandImmunity膜囊泡的多種功能(A)促進細胞表面莢膜多糖的分泌(B)促進細胞與細胞間的交流，如細菌釋放群體感應(yīng)分子；古菌分泌抗生素

(C)致病性微生物的膜囊泡能夠直接向宿主釋放毒力因子，如致病毒素(A)(B)(C)膜囊泡的功能Brooke,2012,InfectionandImmunity膜囊泡的多種功能(D)膜囊泡可以通過LPS/脂蛋白選擇，能夠刺激先天免疫系統(tǒng)(E)膜囊泡屬于抗原結(jié)構(gòu)。當病毒感染活體細胞后，膜囊泡將修復(fù)信息傳遞至T淋巴細胞(F)通過膜囊泡攜帶的抗原，T淋巴細胞與B淋巴細胞會觸發(fā)機體自適應(yīng)免疫(D)(E)(F)膜囊泡的功能細菌膜囊泡產(chǎn)生－濃縮、包裝、攜帶、轉(zhuǎn)運多種細菌毒力因子和活性物質(zhì)－宿主細胞和膜囊泡的相互作用，誘發(fā)免疫反應(yīng)－通過傳遞遺傳物質(zhì)和活性蛋白促進細胞-細胞間的交流－促進細菌生物膜的形成與穩(wěn)定細菌膜囊泡的功能微生物的納管系統(tǒng)BacterialNanotube細菌納管的發(fā)現(xiàn)細菌間信息交流與物質(zhì)交換的途徑與方式

－細菌群體感應(yīng)系統(tǒng)（QuorumSensing，QS）

－性菌毛結(jié)合（Conjugation）

－噬菌體轉(zhuǎn)導(dǎo)

－膜囊泡（MembraneVesicle,MV）

－細菌分泌系統(tǒng)（BacterialSecretionSystem）是否還有直接，更為快捷、高效的交流方式？

－植物細胞通過胞間連絲（Plasmodesmata,PD）

－哺乳動物細胞通過細胞間隙連接（GapJunction）、

突觸(Synapse)、隧道納米管（TunnelingNanotube(TNT)

－真核細胞的菌絲隔膜孔Dubey和Ben-Yehuda采用枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)作為模式菌，利用GFP熒光蛋白標記枯草芽孢桿菌，利用激光共聚焦顯微鏡直接證實了細菌納管的存在以及細菌納管能夠傳遞細菌內(nèi)部信息有GFP無GFP細菌納管的發(fā)現(xiàn)GFP:綠色熒光蛋白（GreenFluorescentProtein)Dubey和Ben-Yehuda同時證實了革蘭氏陽性菌與革蘭氏陰性菌之間同樣可以通過納管進行信息交流陰性菌陽性菌Dubey,2011,Cell細菌納管的發(fā)現(xiàn)納管分為兩類管壁較厚，管腔較大，長度較長(最長可超過1微米)

轉(zhuǎn)運胞漿內(nèi)的大分子物質(zhì)(蛋白質(zhì)復(fù)合物、DNA)894nm123nmDubey,2011,Cell細菌納管的結(jié)構(gòu)組成管壁較薄，短而細

轉(zhuǎn)運細胞間體積較小的小分子物質(zhì)(營養(yǎng)素，蛋白質(zhì)小肽，mRNA轉(zhuǎn)錄物)

納管為膜性結(jié)構(gòu)，類似細菌的膜囊泡，包括細胞壁、細胞膜及胞漿內(nèi)容物Dubey,2011,Cell納管分為兩類細菌納管的結(jié)構(gòu)組成研究認為：納管不僅是親緣細菌間蛋白與DNA傳遞的重要方式，同時也是遠緣細菌間的信息傳遞重要方式Jeffrey,2011,CellBacillussubtilis攜帶GFP蛋白與抗原(CmR)，GFP蛋白通過納管傳遞至Staphylococcusaureus,E.coli.同時抗原通過納管傳遞至未攜帶B.subtilis細菌中。不同的子代遺傳有B.subtilis傳遞的GFP蛋白和抗原細菌納管的功能Balasubramaniama,2013,NanoCommunicationNetworks納管傳遞信息的速度大于細胞間其它交流方式，它的發(fā)現(xiàn)有助于突破傳統(tǒng)納米器件的瓶頸，能夠應(yīng)用于早期醫(yī)療診斷例：將人體區(qū)域聯(lián)網(wǎng)設(shè)備(BANs)納米化形成Nano-BANs設(shè)備置入體內(nèi)，通過納管的傳導(dǎo)檢測神經(jīng)衰退病癥或減緩神經(jīng)肌肉病發(fā)細菌納管的意義1998年，J.Bacteriology報道了鐵還原菌中的細胞色素，能跨越細胞外膜，直接將電子轉(zhuǎn)移到外部金屬上，形成電路。這是微生物燃料電池中電流的根本來源細菌納管的意義From/DerekLovleyMassachusettsAmherst馬薩諸塞大學(xué)阿姆赫斯特分校2002年，Science報道：Geobacter具有產(chǎn)電能力2003年，NatureBiotechnology報道：Rhodoferax氧化葡萄糖時以80%的電子效率提供恒定的電流2005年，Nature報道：Geobacter制造的“納米導(dǎo)線”，可能被細菌用來傳遞電子。此發(fā)現(xiàn)為電子傳遞進一步開創(chuàng)了可能性細菌納管的意義Lovley等人利用靜電驅(qū)動顯微鏡（EFM）首次證明，電荷確實會沿著微生物的納米導(dǎo)線蔓延，正如電子能在高導(dǎo)電性人工材料碳納米管中流動一樣應(yīng)用：將微生物放置于電導(dǎo)體中來探測環(huán)境污染物；研發(fā)基于導(dǎo)電微生物的微生物計算機細菌納管的意義nanowiresandouter-membranecytochromestypeShewanellaGeobacterRhodoferaxelectronshuttlingtypePseudomonasGeothrix

NanowiresCyt-CElectronshuttling細菌納管的意義Shewa