毒素-抗毒素系统的调控、生理功能及应用.pdf

该【毒素-抗毒素系统的调控、生理功能及应用 】是由【qvuv398013】上传分享，文档一共【9】页，该文档可以免费在线阅读，需要了解更多关于【毒素-抗毒素系统的调控、生理功能及应用 】的内容，可以使用淘豆网的站内搜索功能，选择自己适合的文档，以下文字是截取该文章内的部分文字，如需要获得完整电子版，请下载此文档到您的设备，方便您编辑和打印。万方数据***一抗***系统的调控、生理功能及应用张燕燕,何丹,唐晓峰浜捍笱蒲аг海保浜,综述/產摘要:***一抗***—,低呈怯煽苟舅丶捌渫炊舅刈槌傻男∫糯<舅乜梢砸种葡赴せ蛴盏生物资源,~细胞死亡,抗***则可以中和***的毒性。根据系统的组成和抗***的作用方式,系统可分为á凸舶死啵渲孝型系统存在最广泛,调控机制研究得最清楚。系统可以维持质粒等遗传元件的稳定性,同时在压力应激、促进生物膜形成、维持细菌致病力、抗噬菌体等方面都扮演着重要角色。研究系统的调控与生理功能能丰富人们对于生物多样性的认知,对于微生物资源的开发和利用具有重要的科学意义与应用价值。基于***和抗***的特点,系统被应用于生物医学领域和生物技术领域。本文综述了系统的分类、调控机制、生理功能和应用并简单描述了系统目前研究面临的问题和未来展望。关键词:***一抗***系统;遗传元件维持;压力应激;调控;应用中图分类号:文献标志码:文章编号:———猘,琓,,,珻:甌畐.,—甌,,琤琣猵.—’瓸..瑆,,簍—;籹;;作者简介:张燕燕,女,硕士生,主要从事极端嗜盐古菌的生理生化研究。┦浚饕4邮录ǘ耸妊巍⑹热裙啪视ǘ嘶肪车姆肿踊硌芯俊—:.甤基金项目:国家自然科学基金项目收稿日期:——修回日期:——接受日期:——万方数据***一抗***系统广泛存在于细菌和古菌的染色体、质粒和少数噬菌体中,由***和抗***两部分组成。***大多数是蛋白质,可以影响粗啤转录、蛋白质合成等必要生理过程从而抑制细胞生长或者诱导细胞死亡。抗***是蛋白质或以阻碍***发挥功能,使细胞恢复到正常的生理状态来保护细胞。一般来说,***的结构相对比较稳定,而抗***的结构相对不稳定。年首次发现大肠杆菌—柿V械腡低砪兄诟弥柿T诖蟪Ω司形榷ù嬖凇随后,系统也被发现存在于其他细菌以及古菌的质粒和染色体中心低巢唤隹梢晕榷ㄖ柿#还可稳定其他遗传元件,如基因组岛、整合接合元件,褪删等。系统还与致病菌的致病力有关,并可以通过促进生物膜形成和持留细胞产生使细菌能够抵抗各种压力。此外,系统还参与抵抗噬菌体侵染口】。随着对系统的深入研究,系统的应用以及调控也引起了人们越来越多的关注,研究系统的调控、生理功能以及应用对于微生物资源的开发和利用具有重要的科学意义与应用前景。本文用,并展望未来的研究方向。系统的分类特异性地切割某些。***基因和抗***基因位于同一操纵子上,抗***基因通常位于***基因的上游。抗***通过与***蛋白结合形成复合物进而结合到系统的操纵子上,抑制系统的转录。通常,在高温、氧化、噬菌体感染等压力胁迫下,抗***会被鹊鞍酌降解,***会从复合物中游离出来进而干扰细胞一Ⅲ型系统。该系统中抗***也是,抗***与***蛋白质直接相互作用,干扰***发挥毒性。如黑胫病果胶杆菌系统中***是核糖核酸内切酶,它可以非特异性地切割细胞,从而使细胞死亡。可将抗***前体切割为单体,抗***单体与***相互结合,阻碍切割其他的,进而拯救细胞¨素都是蛋白质,抗***可与其同源***的靶标结系统,***可与骨架蛋白和结合并抑制它们之间的聚合,从而影响细胞形态并抑制细胞正常分裂,而抗***可与和结合从而抑制***与靶标的结合,使细胞维持正常形态并进行核酸酶,可特异降解***从而抑制***蛋白地切割办。丁的,干扰***发挥功能¨张燕燕等:***一抗***系统的调控、生理功能及应用引言将综述系统的分类、生理功能、调控机制及应根据系统的组成和抗***作用方式,系统可分为八类:工型系统。该系统中***多数都是小疏水肽,通过插入细菌细胞膜破坏细胞膜的完整性,如大肠杆菌的痵系统中,***刹迦胂赴ば纬尚孔,使膜电位异常,抑制铣伞?苟舅厥嵌舅的反义小瑂,可与***结合,从而阻碍***的翻译。例如大肠杆菌的猧玾/瑈殖苨系统中抗***攵舅豷膍岷希柚购糖体结合到的上,从而抑制***的翻译¨Ⅱ型系统。该系统中***和抗***都是蛋白质,***以多种方式干扰细菌正常生理活动,某些***是核糖核酸内切酶,如***、些必要的生理过程∞膖痶Ⅳ型系统。该系统中抗***和毒合,阻止***与靶标的结合。例如大肠杆菌的/痗正常分裂?。蚑低图8孟低持锌苟舅厥呛颂的翻译。例如大肠杆菌/系统中***可以在细胞膜的磷脂双分子层之间形成口螺旋结构,破坏脂膜,从而增加膜通透性,使细胞正常生理活动受阻,而抗***可以特异性Ⅵ型系统。该系统中抗***蛋白可与***蛋白结合促进***被蛋白酶水解,如新月柄杆菌系统中,***可以结合口一滑动钳,阻碍复制延伸,影响细胞正常生理活动,而抗***作为***的接头蛋白可以促进被蛋白酶水解,使细胞进行正常复制?。Ⅶ型系统。该系统中抗***与***都是蛋白质,抗***通过对***进行翻译后修饰·—痵—/膕我籹万方数据鲥?。;彩凇扣./—嚅./,—%。上硇—一上专到◆一●◆乏瓣圳无■***蓖㈣川贝◆/删顺一—、旧一●■,,■●州‘‘他甀纛,生痩顺/二、一■洲鳌鲶槽诒三吃固粢』■勉勿粢尽T./一———蕊./!!H铮籄山./—■!因表达,导致细胞死亡,而抗***诅可通过,什。、——从而使***失活。例如结核分枝杆菌—腞疪秽系统中,编码***尿苷转移酶,编码抗***以特异性磷酸化的谢蛊涫Щ睢。Ⅷ型系统。该系统中抗***和***都是,抗***通过反义结合***使***失活或模仿心糃蛋白来抑制***的表达。如大肠杆菌的系统/中,***梢种颇谀さ鞍谆反义结合***干扰***发挥活性,使细胞处于系统的生理功能自年维持—柿N榷ǖ腡低潮皇次发现后,系统的生理功能引起人们广泛关注。***虽然对自身细胞具有毒害作用,但抗***具有独特的解毒机制,能使整个系统可以在染色体或质粒上稳定存在,并发挥重要的生理功能。致病菌致病力的维持许多致病菌的毒力质粒均携带有系统。这力亩玖χ柿上携带,其中表示症蛐蚑低常直接参与不同条件下毒力质粒的维持。利于该质粒在。跫碌奈榷ǎ鴊有利于该质粒在。跫碌奈榷╗!J笊撕趁攀菌毒力质粒具有两种Ⅱ型系统¨#和这两种系统都可帮助维持该毒力质粒的稳定性。此外,。。还有助于鼠伤寒沙门氏菌在受感染宿主细胞内的存活统的数量与细菌的致病力之间可能存在直接联系。人们发现致病性的结核分枝杆菌有大约个假定只有两个假定的系统。啊生物膜是附着在生物或非生物表面或彼此之间的复杂微生物群落,包裹在微生物产生的基质中。生物膜基质由蛋白质缦宋鞍、多糖绾T逅盐约鞍釪组成。研究表明系统与生物膜的形成具有密切关系,如系统成。***介导细胞程序性死亡,通过从死亡小部分亚群存活。—确⑾执哟蟪Ω司染色体上删除系统鏼峒跎俑镁?·“!■’?、,可鯮正常生长状态。些系统有助于毒力质粒的维持进而可以维持致病菌的致病力。例如福氏志贺氏菌一痶和—痶—!的系统,而非致病性耻垢分枝杆菌—生物膜形成驯槐ǖ揽捎盏即蟪Ω司锬さ男细胞中获取营养物质,从而允许生物膜群落中的一膜的形成’!"蛐蚑低砲机南粜南球生物资源—猯猺籸山.·仉一譬条一:抗椋凇:●衛、、∥负————!!!≮“吣图系统分类示意图掣十籪求篿Ⅵ】瞪粑畆卜踤§生』’籢。。.【\鰏——‘二一.,万方数据蚦也被发现有助于益生菌大肠杆菌生物膜的形成琧和淖录沉默显著减少了菌株生物膜的形成.。对益生菌而言生物膜的形成十分重要,因为生物膜可以促进益生菌在胃肠道粘膜层上的定植。研究发现,生物膜的形成也能增强乳酸杆菌对温度、胃值和机械力的抵抗能力āR吧徒鸹粕咸亚蚓纪础,钥股氐哪褪苄愿撸苁急性感染转变为抗生素无法根除但危害较低的慢性感染。而敲除株较野生株生物膜形成增加,抗生素耐受性下降,感染小鼠后使小鼠发生败血症,死亡率较野生型感染高。证实虢鸹粕萄球菌生物膜形成和抗药性密切相关。能促进慢性抗噬茵体感染大多数Ⅱ型系统的***都是核糖核酸内切酶,可在特定位点切割。细菌利用这种免受噬菌体的攻击。例如大肠杆菌旧上的系统埘/痳筵统Τ鲅P源蟪Ω司篐柿嫌肱螅/相似的厶低晨梢缘挚噬菌体的侵染。当大肠杆菌被噬菌体感染后***聊舱和的表达会上调,不稳定的抗***和被蛋白酶降解,感染后期游离***一认或会降解大部分噬菌体的,抑制染。研究表明,缺失唤龌嵯灾黾覲/系统可以负责该奈榷ㄎ中囊是一个约的秤枇烁镁远嘀挚股的耐药性。染色体整合保琺的转录水平较低,但当谌旧逋馐保琺的转录量明显增加。此外,一些噬菌体也具有系统,可用来稳定和保护自我幢系统在营养应激、氧化应激、高温应激等方面都具有重要的功能。染色体上的系统的早期研究表明,大肠杆菌卸舅豏蚆拘的发挥是由氨基酸饥饿触发的,细菌通过抑制生存蛋白翻译的方式来抵抗营养减少,当营养得到补充后细菌可恢复到正常生理状态。在营养不良、抗生素暴露、氧化、高温等极端环境可以激活统并通过依赖的方式介导程序性细胞死亡旧引。游离***的释放会使生存蛋白的表达被关闭,而编码细胞死亡蛋白的不具有被种选择性地抑制翻译会使绝大多数细胞死亡,从而可以为幸存的细胞提供营养,这是一种利它行为。Ⅱ型系统的调控Ⅱ型系统是存在数量最多、调控机制研究通过外部转录因子调节Ⅱ型系统的抗***普遍含有一个一些Ⅱ型系统中抗***没有岷嫌图系统包括古菌詹氏甲烷球菌,的途蛟绞先惹蚓张燕燕等:***一抗***系统的调控、生理功能及应用感染¨引。切割活性来抵抗入侵的噬菌体,以保护它们/噬菌体的增殖旧?。同样大肠杆菌的低也可以保护细胞免受噬菌体攻击,抑制噬菌体感菌体的侵染量心川,还有利于噬菌体的增殖¨?。质粒或其他遗传元件的维持系统可以维持质粒、基因组岛、转座子、等遗传元件的稳定性。质粒上的系统可以通过分离后杀伤的机制维持该质粒的稳定性,即当细胞分裂后,复合物传递给子细胞,如果子细胞没有继承到质粒的拷贝,它就不能产生更多的***或抗***分子引。抗***易被蛋白酶降解,***就会游离出来从而杀死细胞,如大肠杆菌—柿I系低晨梢酝ü庵只粕彼烂挥屑坛械街柿的子细胞进而维持该质粒的稳定性。猪链球菌腟致病岛的Ⅱ型系统以维持该致病岛的稳定性㈣。霍乱弧菌上的压力应激切割所识别的密码子,所以可以正常翻译。这最清楚的一类系统。合域和一个***中和域。抗***一***复合物结合到操纵子上参与操纵子转录的自动调节。然而在⑶颐挥忻飨宰B嫉骺鼗疲赡艽嬖赥纵子外其他因素影响***和抗***的表达,这类腜。在一些类似纯苟舅没有岷嫌的系统中,外部调节因子被招募,例如金黄色葡萄球菌的统,招募外部调节因子进行负调控和进行正调控。有些模块还是三组分系统,除***和抗***外,操纵子还包含一个编码转录调控因子的基因,例如化脓链球菌质粒编码的叫/￡/?楹吞趸蚋菌柿—嗦模块。·一卜痁痶的—的//疊/万方数据痑哂邢嗨频牡骺鼗疲瓷抗***是唯一的阻遏蛋白***作为辅阻遏物***降低抗***的岷匣钚转剥嫌纹舳釉市矶舅睾涂苟舅鼗虻谋在少数情况下,Ⅱ型系统的抗***是影响操纵子转录的唯一因素。在大肠杆菌б系统中心浚苟舅豀虷狧春衔锒能结合低车牟僮葑忧揖哂邢嗨频慕岷狭Γ表明抗***结合操纵子不受***的影响。大肠杆菌中与从τ泄氐膁痽囊疪低车牡骺鼗更为复杂,该系统有两个启动子,抗***可以结合第一个启动子抑制其转录,而***不影响这种结合。与大肠杆菌煌氖牵琩痽系统第二个启动子含有琇刂频诙个启动子的转录,是一种转录抑制因子,参与从Α5毕妇媪傺沽κ保琒和介导的应激反应及其之间的联系可能代表了一个更加全面的调节网络。通常情况下,抗***单独结合操纵子的亲和力较低,***作为辅阻遏物可以增强抗***与操纵子的结合亲和力形成更稳定的复合物。在大肠杆菌低持校舅豓募尤胧箍苟舅与操纵子的结合更加紧密。***可以影响抗***与系统启动子痑低持校苟舅豈包含两个折叠结构域:一个与启动子岷榷ń峁褂颉R蛭=岷衔坏愦嬖诓糠种氐以与启动子结合和与结合是互斥的,当多于时,会导致操纵子解除抑制哺¨条件协同在某些情况下,系统的抑制取决于***和抗***之间的摩尔比。当***和抗***的摩尔比在合适的比例时,例如在痙抑制。这种机制被称为“条件协同”。同样/系统中,两个二聚体协同结合到操纵子上相邻的位点,两个二聚体侧面可分别结合一个单体形成复合物进一步稳定与操纵子间的结合。过量时会破坏相邻二聚体之间的接触,并在空间上阻碍与慕岷辖而激活转录基因顺序相反的系统的双启动子机制通常情况下,抗***基因位于***基因的上游,但在某些系统中抗***基因位于***基因的下游,这种基因顺序相反的系统包括大肠杆菌的疊低常琱系统由两个启动子开启达,含有一个依赖于幕废佘帐芴宓鞍捉岷衔激活。下游启动子只允许抗***基因表达。下游启动子被抑制,过量时这种抑制可被解除。当***与抗***的比例过高时,这种机制允许产生多余的抗***。发现流感嗜血杆菌械游启动子控制***和抗***基因的表达,下游启动子只允许抗***基因表达,并被抗***控制。这些研究表明这种双启动子的调控机制可能在基因顺序相反的系统中普遍存在¨。由于***的毒性与抗***独特的解毒机制,系统在抗菌药物开发、抗病毒药物开发、抗癌治疗等医学领域以及表达载体的稳定、正向筛选载体的构建、发酵质量控制等生物技术领域上都有广阔的应用前景与巨大的应用潜力。医学应用***可以抑制细胞生长甚至使细胞死亡,因此可以开发为新型抗菌药物,目前系统作为抗菌药物开发主要基于以下几种策略:①利用小分子防复合物的形成,发挥抗菌活性口!"谟盏级舅卮覶生物资源结合能力¨。在大肠杆菌的的猉结构域和一个用于中和***的。低持卸舅赜肟苟舅氐谋壤嘉,抗***与***复合物与岷献罱裘堋6素过量时,将会诱导饱和复合物形成,系统解除在低持校ザ赖目苟舅赜氩僮葑又涞慕合亲和力较低,不能有效地抑制系统的转录,***的加入使抗***与操纵子的结合增强,抑制作用增强。当***再增加时,会导致复合物结构改变并引入空间位阻从而激活系统转录。在点珻—,并被用止复合物的形成或破坏复合物,游离***发挥功能杀死细胞。例如一种新型小肽籗可以干扰结核分枝杆菌一合物中释放,例如利用抗生素せ頒鞍酌附到饪苟舅兀舅厥头并杀死细菌¨“。③抑制抗***的转录和翻译也可诱导细胞死亡。例如设计序列特异性反义肽核苷酸靶向大肠杆菌中的抗***或的·猻—万方数据三』琵尝,业搬酗茧母兰皇业∑⒏ǘ—回丑亚乎匝囫今岖巫巫酬至巫至一匝汲笾敛。一圭孕圭盗一固●,***发挥毒性使细胞死亡骸"芙ǘ舅刈素具有很强的抗菌作用,但由于其明显的溶血性限制了其应用,故可将其优化成一种可在人血清中稳感染某些细菌,这些噬菌体上携带的***基因可以子上游是四环素抑制因子T诮嶂背Π┫赴校琑通路可以活化与生物技术应用化为活性药物。例如金黄色葡萄球菌的定存在的非溶血性环状假肽【"萦霉こ淌删迦插入宿主基因组中,***基因表达从而达到杀死宿主菌的目的,也有人提出注射包装有***的重组噬菌体也可杀死病原体阳”。一些系统可用于开发抗病毒药物。例如,大肠杆菌的***是一种靶向蛄械暮糖核酸内切酶,将基因置于来自人类免疫缺陷病毒腡启动子下游,当细胞被染时,蜃楸嗦氲囊恢值鹘诘鞍譚可与舳咏岷掀舳掠位虻淖B迹桓腥鞠赴便会表达***,降解《镜膍种病毒增殖,从而抵抗病毒感染某些系统可以应用于抗癌治疗。有学者构建了含有大肠杆菌低车闹刈橄俨《驹靥А埃诟迷靥逯校舅豰稍醋院锊《,钠舳涌刂疲闷舳由游是具有鲋馗椿虻亩嗔霾《銮孔覲,而抗***由源自人巨细胞病毒,的启动子控制,该启动掠问荰操纵子细胞生长增殖有关的蛋白,控制细胞生长叨然跃,分械南煊Φ鞍譋和梢越岷系銮孔硬⒓せ頟增强子,通过启动子刺激的转录。同时,种埔蜃痈弑泶锊⒂僮葑咏岷希佣种屏税┫赴衜谋达。因此,可以杀死癌细胞。而在正常细胞中,挥斜患せ睿琺谋泶锸艿揭种疲蛭舳踊钚月郧坑赟舳拥幕钚裕细胞会产生更多的抗***而不是***,抗***可以完全中和***的毒性从而保护细胞。系统还可以用于筛选并维持表达质粒的稳定性,由于某些抗生素成本高还有污染环境的风险,因此研究人员考虑用系统来代替抗生素筛选表达质粒。如***基因被引入到细菌染色体中,·张燕燕等:***一抗***系统的调控、生理功能及应用■广图且型系统转录调控示意图Ⅱ,—泶镌靥迨疽馔!万方数据抗***基因被引入到质粒中,两者同时存在,细胞才可正常生长,目标蛋白才可正常表达系统可用于构建正向筛选的新型载体。俐系统就是通过系统进行正向选择的例子。在细菌染色体中引入***基因,质粒中携带缺失了的抗***基因。将目标拥絚的耍蹦勘闐片段成功克隆到质粒中后,抗***基因就会恢复,其产物可中和***,菌落形成系统可用于发酵质量控制领域,用葡萄糖抑制启动子调控酵母细胞的/舅鼗虮泶铮细胞因为某些意外逃离发酵罐环境时,没有葡萄糖的供给,/舅鼗蚓突岜泶铮⒒雍颂呛怂崮谇酶的功能去切割细胞内的使细胞死亡而避免污染环境。侍庥胝雇本文主要对系统的研究进展包括分类、调控方式、生物学功能以及应用进行了综述,但目前对于系统的研究仍存在许多问题有待解决:①由于系统在***活性、中和毒性方式、调控和遗传领域等方面差异很大,系统的性质还可能会因实验条件谒拗魈迥谟胩逋及宿主种类的不同而有所不同,此外系统辽偈洽蛐在细菌基因组中广泛存在,即使在亲缘关系较近的物种中通常也不保守,这些都使得对系统的研究更加困难。②系统被激活的条件还未得到明确阐明。由于抗***容易降解,***一般比较稳定,所以一般认为任何损害抗***合成的情况都会有利于***过量并激活系统。然而最近在一些大肠杆菌染色体Ⅱ型系统中研究发现,即使在抗***表达受到抑制的情况下,***结合的抗***似乎也不容易降解‘③通过激活***的策略可用于开发抗菌药物,然而某些***的激活可能会造成持留细胞的产生,②继续深入研究系统的调控机理和作用机制,以期实现可以人为地对系统进行激活和改造,帮助我们开发更多抗菌或抗病毒药物以及癌症治疗的新策略,更好地实现微生物资源的挖掘与利用③随着基因组和宏基因组数据的指数级增长,重新评估系统的多样性和分布也是今后研究的一项重要内容。参考文献,从这可能会导致持续的细菌感染。此外还可从以下方面进一步对系统进行探究:①深入研究系统的生物学功能。例如,大肠杆菌低吃谟し从蜕锬ば纬芍蟹挥重要作用,但系统在其中的作用机理有待阐明。来源于不同宿主的系统的生理功能也不尽相同,对不同来源系统发挥作用的共同之处及差异性机制研究是今后的一个重要方向。..Q螅跣∮:.体流产感染中的作用锕こ萄Пǎ:,,.,—:甈—.—,琭珹珻甆—,,:琫—.琗甌畇珺甌:.—琓,雋琇.,,甈,,珿琙.。·万方数据张燕燕等:***一抗***系统的调控、:一....—甁¨幻踟们印胡力刚Ⅱ·琒,。:—.:.甈篹.,:琖篹,,—甁,,—琖.,—甈:—.∞—:—琈狦琈狢—甧.,,珻瓹篿,琣—琕琒—口瓵甤猘琗.,琈琎:.:.琘Ⅱ猘珿甈簆琘琌。—:.珻甊’隺産。。:—.:..猙,琓珻琇狫琁琕.:,,,,珽—瓻珽甂篴,,.珻,,.!‘。—琒珻琫.—,珿琇猘篶珹瓾畆琀‘‘‘‘,,珺.,,.:.甅甌珻琇..,,篹·,,—,—,,—口嗉赫爬龊琍珻.:.琈珺’.:琀甤琒琄—琈甋猚—:,琣:.珹珻.—猘簊琫甋珿.!!。。,’—。