細胞微生物學講座

1、細胞微生物學上海交通大學醫(yī)學院病原生物學教研室 姚玉峰細胞微生物學是近年興起的一個微生物學分支，是研究病原體和宿主細胞相互作用的一門由微生物學和細胞微生物學融和而成的交叉學科。細胞微生物學到底是什么呢？他都包含哪些內(nèi)容？一、細胞微生物學的概念及研究策略（一）細胞微生物學概念細胞微生物學的概念最早出現(xiàn)在1996 年由雜志專門撰文來介紹。細胞微生物學的概念雜志對這一新學科作如下的定義：細胞微生物學是在細胞生物學和細胞微生物學間的界面形成的雖然目前傳統(tǒng)的細胞生物學早以利用微生物的感染數(shù)字測定和研究但是用病原體來研究細胞生物學的問題今年已獲得很有價值的成果并借證明了這是一條很有希望的途徑。1999年細

2、胞微生物學的專業(yè)雜志/經(jīng)過十年的發(fā)展這本雜志在微生物學的領(lǐng)域取得了舉住輕重的地位可以說他的影響力已經(jīng)超過了微生物學領(lǐng)域的經(jīng)典雜志/所以說細胞微生物學在這個領(lǐng)域發(fā)展的前景是很廣大的。1999/在這個創(chuàng)刊號上雜志社專門邀請了美國大學的撰寫了一個小型的鐘素來介紹/的概念同時也對他們的雜志做了一個宣傳因為他們請的這個人呢在細胞微生物學里面是一個非常著名的一個專家。主要是解決數(shù)組和病原相互作用來闡明為什么數(shù)組會得??？為什么病原能致命？有一個概念叫細菌學，主要是研究這些不治病的細菌它自身的特征。這門學科不會研究數(shù)組可以導致疾病的微生物基本上可以感染人，感染動物、感染植物這些不同的渠道從而來治病。二、細胞微

3、生物學概述為了研究細胞微生物學，我們需要微生物作為一個研究對象，但這些微生物必需進入細胞，所以根據(jù)他能否進入細胞分成包內(nèi)菌和白外菌，所以作為細胞微生物學的研究對象分為專性包內(nèi)菌部分、尖性包內(nèi)菌。（一）專性包內(nèi)菌專性包內(nèi)菌是指不能在體外的培養(yǎng)基或人工合成的培養(yǎng)基中生長，只能在體內(nèi)活在體外的培養(yǎng)的細胞中繁殖的微生物它主要包括衣原體和貝納柯斯提和埃里克體立克次體。衣原體是常見的引起沙眼的衣原體；貝納柯斯體主要有倆種群主要是引起傷寒；同時還有一些尖性包內(nèi)菌這類細菌既可以在細胞外生長也能進入吞噬細胞并在其中繁殖這里既包括嗜肺軍團菌和分支桿菌；嗜肺軍團菌是一個格蘭陰性菌它屬于需氧可以在體外生長也可以繁殖；

4、分枝桿菌結(jié)核分枝桿菌和麻風分枝桿菌他們分別是引起人結(jié)核病麻風病等病人麻風病主要是肺結(jié)核和肺外結(jié)核從 2004年以來結(jié)核病的已超過肝炎成為我國最多的傳染病我國有近三分之一的人口感染結(jié)合活動性肺結(jié)核達到五百萬同時每年新證了一百三十萬活動性病人每年有十三萬人死于肺結(jié)核。（二）諾卡菌及其他諾卡菌主要引起兩種疾病，諾卡放行菌病主要由星形諾卡菌少數(shù)由巴西諾卡菌和豚鼠諾卡菌引起。還有一種叫足菌腫由馬杜拉諾卡菌引起據(jù)報道呢星形諾卡菌定植于非酸性性的巨噬細胞囊泡中從而在那個環(huán)境進而生存。同時還有一些在非吞噬細胞中繁殖的尖形黃類菌包括包括把通體布魯菌屬單產(chǎn)和細胞李斯特菌沙門菌屬志賀菌屬。還有一個叫包內(nèi)菌，他可以分

5、成倆個部分革蘭陰性菌革蘭陽性菌陰性菌的非常多有不動干菌氣單包菌啊非常多陽性菌包括 自喉棒狀桿菌葡萄球菌練球菌等。事實上，很難將同一種微生物接為方位菌。比如說，大腸桿菌根據(jù)他侵染的途徑他有不同的特征，有的不能進入細胞有的可以進入細胞。炭疽芽孢桿菌是人類歷史上第一個發(fā)現(xiàn)的細菌，他可引起人類的碳齲病，是非?？膳碌模苍?jīng)作為一種生物恐怖。厭氧牙膏梭菌屬它主要有四種病有內(nèi)毒梭菌、艱難梭菌產(chǎn)氣莢膜梭菌破傷風梭菌，他們可以引起各種各樣的疾病肉毒梭菌它產(chǎn)生的肉毒毒素是非常好的流行的美容的用品他可以改善人的面部表現(xiàn)使人看起來更年輕。以上我們介紹了細胞微生物學的概念以及細胞生物學的研究對象一些病原微生物下面我們

6、將介紹微生物對數(shù)組的影響。從這張圖片上大家可以看到各種各樣的微生物可以通過各種各樣的途徑來與數(shù)組細胞進行相互作用可以通過數(shù)組細胞的包吞作用有的是通過數(shù)組細胞的表面的特性的受體從而引起數(shù)組細胞表面的褶皺數(shù)組細胞的骨架的從排來自數(shù)組細胞的凋亡等等。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)很多細菌蛋白可以調(diào)節(jié)成很多數(shù)組細胞的生命活動，特別是數(shù)組細胞的周期。比如說大腸桿菌的Cdc2蛋白積累進行區(qū)別數(shù)組細胞周期大長腸埃希菌 CF蛋白調(diào)節(jié)數(shù)組細胞的周期。除了細菌蛋白病毒也有很多蛋白來調(diào)節(jié)數(shù)組細胞的生命活動，比如說牛痘病毒CrmA蛋白可以抑制ICE/阻斷IL-1B合成，粘液瘤病毒可以促進細胞的生長同時可以調(diào)節(jié)數(shù)組的細胞生命活動。作為病

7、原菌它可以產(chǎn)生很多毒素，這些毒素可以稱為抗細胞因子蛋白，它可以抑制數(shù)組細胞的因子。例如說霍亂腸毒素他可以特異性的抑制TNF百日咳毒素它可以抑制IL-1。前面所說的這些微生物蛋白如果要進一步發(fā)揮作用，大多數(shù)通過一個分泌系統(tǒng)來分泌。也就是說，這些蛋白在細菌內(nèi)部被合成，通過分泌系統(tǒng)分泌以后到包外然后再計入數(shù)組細胞內(nèi)部才能發(fā)揮作用?，F(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的分泌系統(tǒng)有六種主要稱之為123456型。有不同的結(jié)構(gòu)、不同的特征、不同的分泌底物對分泌底物的要求也有所不同。這里面研究最多的是三型研究系統(tǒng)在細菌的表面形成一個針狀的結(jié)構(gòu)，這個針狀的結(jié)構(gòu)可以直接刺入數(shù)組細胞內(nèi)部，直接將分泌的蛋白注入數(shù)組細胞的內(nèi)部，所以這是一個非

8、常有意思的進化程度。前面我們說到，細菌如果要浸入速度細胞，首先要黏附在細胞表面，這是浸入的第一步。在黏附的過程中，它宿主的表面受體發(fā)揮是一個非常重要作用，也就是說細胞表面的受體和細菌表面的特殊蛋白有特意性的結(jié)合。從而導至細胞和細菌的黏連，從而為進一步的浸入奠定了基礎(chǔ)。當然也有很有意的特特征，比如說，大腸桿菌，它在細胞表面沒有一個受體，但是它會自己分泌一個受體，叫Te這個蛋白。它這個分泌外面以后，可以牟定在宿主細胞的表面。從而做為后序浸入的一個受體。細菌的黏附主要是由黏附素介導，它主要是菌毛和菌體表面毛發(fā)樣突出物，邊毛都可以起到黏附作用。這是細菌黏附在宿主細胞表面形成的一個特意性的結(jié)構(gòu)。前面我和

9、大家介紹微生物和宿主細胞相互作用，它可以引起宿主細胞表面的褶皺，引想宿主細胞內(nèi)部骨架的重排，甚至引起宿主細胞的凋亡。大家可以看圖，A是沒感染的，B 是感染，C是一個三形系統(tǒng)分辯。也就是說，當這個感染的感染了沒有感染的，會引起自身的凋亡。三、宿主細胞對微生物作用因為宿主和微生物是相互作用，而不只是微生物對宿主的作用。我們現(xiàn)在也發(fā)現(xiàn)了宿主對微生物的作用。（一）宿主細胞對細菌的生長是有影響的比如，瑪芬分枝桿菌和梅毒螺旋體，這些細菌需要在動物體內(nèi)才能繁殖，連培養(yǎng)的細胞都無法繁殖他們，這也就說他們對環(huán)境的生長的要求是非?？量痰模苍S是某一種宿主產(chǎn)生的蛋白或者其他的一些物質(zhì)，或者是特定的宿主環(huán)境才能使他們

10、生長，同時細菌的生長并不僅僅與營養(yǎng)關(guān)系成線性，而且是有些特定的蛋白或者是細菌和細胞都會產(chǎn)生的其他因子的控制，也就是說這些特定細菌的生長他的要求是非常非常高的非常非常復(fù)雜的。比如，藤黃魏秋菊這種細菌生長一段時間以后，更換新的基因營養(yǎng)充足，在細菌的分裂多待以后它會停止生長，可能是細胞分裂產(chǎn)生的異性分子，所以他無法生長，并不是營養(yǎng)條件不夠。如果將處于生長狀態(tài)的藤黃微球菌的培養(yǎng)基加入到細胞上去，細菌繼續(xù)生長，說明細菌生長依賴于一些特定的生長因子，這些生長因子可能是由細菌或者與細菌接觸的細胞產(chǎn)生的?，F(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)很多細胞因子可以促進細菌的生長，比如說白介素1，可以促進Ecoli 產(chǎn)毒株的生長，白介素2，可

11、以促進Ecoli 產(chǎn)毒株的生長,上皮生長因子可以促進結(jié)核分枝桿菌的生長。（二）微生物和細胞的相互作用除了傳統(tǒng)意義上的細胞微生物學，就是研究一種微生物和細胞的相互作用。2002年美國微生物學家田納西州大學Savage教授提出正常菌群在生態(tài)學上應(yīng)當被看作是宿主的一個器官或一個系統(tǒng)。他作為一個很大類微生物和宿主相互作用現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)正常菌群，宿主之間的作用是非常重要。作為正常的人，有30000到50000個基因、有250種細胞的類型，但是作為微生物來說，他在正常人的內(nèi)表面或者外表面的細胞的數(shù)量和人細胞的數(shù)量是10-100比1，就是說是人細胞總數(shù)的十到一百倍，在正常的一個人身體里面含有400到600種微

12、生物，只是在人的腸道，他就會有一百萬個細菌的基因他是人類基因組的50-100倍，大街可想而知整個一個正常菌群他是多么大的一個生物量。腸道內(nèi)的正常菌群與宿主虛報有很強的相互作用，因為腸道的黏膜表面巨大，是病原微生物感染的主要位點，同時是正常菌群和同宿主相互作用的主要位點，因為在正常情況下，黏膜表面有很多種大量的微生物，在腸道上皮有一些崗哨細胞，用來感覺環(huán)境，來協(xié)同防御，比如說上皮細胞巨噬細胞上皮內(nèi)樹突樣細胞 這些正常的菌群可以對外界刺激作出反應(yīng)，釋放趨化因子（chemokines）和細胞因子，促發(fā)炎癥（recruit inflammatory）和激活免疫細胞來控制潛在的感染因子。在腸道上皮細胞可

13、以長生不同的模式識別受體。PRR用來識別特使的序列的積蓄，也就是說，用來專門識別各種各樣的微生物，從而能使腸道上皮細胞感受到微生物的侵襲，這些受體主要分為兩類：一種是Toll樣受體；一種是核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域受體。TRA受體TLR是跨膜蛋白，細胞外側(cè)結(jié)構(gòu)域具有富含亮氨酸的重復(fù)序列，胞內(nèi)側(cè)具有高度保守的Toll/IL-1受體結(jié)構(gòu)域（TIR）。我們現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)共有11種，標號為1到11，位于細胞表面的TLR ：TLR1，-2，-3，-5，-6，位于細胞內(nèi)層的TLR ：TLR7，-8和-9。41現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的=有十幾種功能TLR2識別革蘭陽性細菌肽聚糖（PGN）層的脂蛋白和脂磷壁酸（LTA）。TLR3識別

14、感染宿主細胞的病毒復(fù)制過程中合成的雙鏈RNA，TLR4主要由PAMP中最典型的LPS激活。TLR5識別革蘭陽性和陰性菌的鞭毛蛋白。TLR7識別病毒的單鏈RNA，鼠類的TLR7和人類的TLR8可以識別來自HIV-1的富含GU的單鏈RNA。TLR9識別未甲基化的CpG序列，TLR11可以識別非致病性大腸桿菌并且保護腎臟不會由大腸桿菌引起上行性感染 。還有一類特發(fā)性疾病，他也是由于宿主細胞和微生物相互作用而產(chǎn)生的。比如：胃潰瘍和十二指腸潰瘍。還有一個現(xiàn)象就是哮喘，哮喘盛行的一個可能解釋是結(jié)核病例的減少。當人群感染結(jié)核增多時，大多數(shù)個體的Th1反應(yīng)大大升高（Th1是對抗胞內(nèi)微生物所必需的），而人群不再

15、感染結(jié)核時，Th2反應(yīng)相對突出，正是這種反應(yīng)引發(fā)了與特異性免疫反應(yīng)和哮喘有關(guān)的肥大細胞及嗜酸性細胞。 也就是說結(jié)核病的減少導致了哮喘的流行。四、細胞微生物學的方法|細胞微生物學實際上是微生物學的一個新的領(lǐng)域，他主要是經(jīng)典的微生物學的方法組合，分子生物學，細胞生物學，結(jié)構(gòu)生物學，免疫學，生物信息學，以及組學等技術(shù)來對微生物或者是宿主進行研究?，F(xiàn)在常用的體外的微生物的試驗可以應(yīng)用與細胞微生物學。比如說從組技術(shù)抑制性消減雜交技術(shù)，基因芯片技術(shù)等等。同時，報告基因也是有用而且非常有效的手段，比如說lacZ的報告基因，cat報告基因或luciferase的報告基因，在不同的細胞里面都得到了廣泛的應(yīng)用。對于現(xiàn)在生物學來講，主學的發(fā)展對微生物、細胞微生物他的貢獻是非常大的，從最早的基因組學到轉(zhuǎn)錄組學，蛋白組學，代謝組學，所有的組學是把最早的分子生物學概念進行一個系統(tǒng)化。我們用這些組學的技術(shù)詳細的或者是深入的研究細胞微生物學，也就是研究細胞和宿主進行相互作用的過程中各種組學他的變化?？偨Y(jié) 細胞微生物學是在細胞生物學