Cellular Microbiology 细胞微生物学

1. Cellular Microbiology细胞微生物学 郭晓奎 上海交通大学医学院病原学教研室

2. 内容 序 微生物学概论 细胞生物学概论 细胞微生物学研究方法 细菌致病岛 ： 细菌的分泌系统 ： 细菌对宿主细胞的粘附 ： 细菌对宿主细胞骨架的操纵和利用 ： 细菌蛋白毒素 ： 细菌蛋白毒素在细胞生物学及药理学中的应用 ： 微生物与细胞凋亡 ： 天然免疫应答 ： Toll样受体与抗感染免疫 ： 获得性免疫应答 ： 细胞微生物学展望

3. 概念和定义

4. 1996年，《Science》杂志对这一新学科作了如下的描述：“细胞微生物学是在细胞生物学和微生物学间的界面形成的。虽然传统的细胞生物学早已应用微生物感染宿主的策略来进行研究，但用病原体来研究细胞生物学问题，近来已获得很有价值的结果，并证明这是一条很有希望的途径。”

5. 1999年《Cellular Microbiology》杂志创刊

7. Cellular Microbiology • Bacteriology • The study of bacteria • Early discipline did not address the aspects of the environment on bacterial ‘factors’ • Absent (unobserved) features of pathogens • The discipline of cellular microbiology addresses host-pathogen interactions to elucidate pathogenesis (the creation of a pathologic condition). • Pathogen: A microorganism that causes disease • Disease: Absence of ease; uneasiness, discomfort; inconvenience, annoyance; disquiet, disturbance; trouble • Bacterial pathogens often infect animals and plants • Interact, invade, colonize and infect hosts • Culminating in disease (but not always) • Aggressive, Opportunistic, Quiescent • Infection: The agency, substance, germ, or principle by which (an infectious) disease is communicated or transmitted; morbific influence

8. 微生物学概述

9. 专性胞内菌 • 专性胞内菌是指不能在肉汤培养基中生长，只能在体内或者体外培养细胞中繁殖的一类微生物。 • 衣原体 • 贝纳柯克斯体 • 埃立克体 • 立克次体

10. 沙眼衣原体的包涵体 衣原体（Chlamydia）

11. 贝纳柯克斯体（Coxiella burnetii） 贝纳柯克斯体又称Q热柯克斯体，引起人类Q热，是立克次体中惟一可不借助于媒介节肢动物而通过气溶胶使人及动物发生感染的病原体。

12. 埃立克体（Ehrlichia） 埃立克体是新发现的人类病原体之一，可导致人体急性发热、疲乏、肌痛、头痛、血象异常(白细胞减少，相对淋巴细胞增高)，并伴有肝、脾、淋巴结肿大等。 犬巨噬细胞中的查菲埃立克体

13. 立克次体（Rickettsia） 立克次体属有两种主要群：斑疹伤寒群靠虱传播，斑疹热群则靠蜱传播。

14. 能在吞噬细胞中生长繁殖的兼性胞内菌 • 这类细菌既能在细胞外生长，也能进入吞噬细胞并在其中繁殖。 • 嗜肺军团菌 • 分枝杆菌 • 诺卡菌属

15. 嗜肺军团菌（Legionella pneumophila） 需氧，G-杆菌。 “复制吞噬体”

16. 分枝杆菌（Mycobacterium） 结核分枝杆菌和麻风分枝杆菌分别是人结核病和麻风病的病原体。 从2004年以来，结核病已经超过肝炎一跃成为我国危害最严重的传染病。我国有近5.5亿人口感染结核分枝杆菌，活动性肺结核病人高达500万。同时每年新增130万活动性病人，死于结核病人数达13万。 麻风分枝杆菌

17. 诺卡菌属（Nocardia） 一是诺卡放线菌病，主要由星形诺卡菌，少数由巴西诺卡菌和豚鼠诺卡菌引起；二是足菌肿，由马杜拉诺卡菌引起。据报道星形诺卡菌常定植于非酸性的巨噬细胞囊泡中。

18. 能在非吞噬细胞内繁殖的兼性胞内菌 • 巴通体 • 布鲁菌属 • 产单核细胞李氏菌 • 沙门菌属 • 志贺菌属

19. 巴通体（Bartonella） 巴通体属有两种人类病原体：汉赛巴通体和五日热巴通体。

20. 布鲁菌属（Brucella） 布鲁菌属有六种细菌，其中羊布鲁菌、牛布鲁菌、猪布鲁菌和犬布鲁菌对人致病，且病种多样，引起全身感染和局部感染（败血症、骨髓炎和神经病变）。

21. 产单核细胞李氏菌（Listeria monocytogenes） 革兰阳性的产单核细胞李斯特菌可导致人与动物严重的食源性感染。李斯特菌病是一种中枢神经系统和胎儿感染性疾病。

22. 沙门菌属（Salmonella） 沙门菌属有很多种类，其中肠道沙门菌受到最广泛的关注。它有两种研究广泛的血清型：人伤寒沙门菌和鼠伤寒沙门菌。 • 毒素依赖性 • 非毒素依赖性

23. 志贺菌属（Shigella） 志贺菌属可分为痢疾志贺菌、福氏志贺菌、鲍氏志贺菌和宋内志贺菌四群，它们引起细菌性痢疾。

24. 无芽胞胞外菌 • 革兰阴性菌：不动杆菌、气单胞菌、百日咳鲍特菌、弯曲杆菌属、大肠埃希菌、流感嗜血杆菌和杜氏嗜血杆菌、幽门螺杆菌、肺炎克雷伯菌、多杀巴斯德菌、铜绿假单胞菌、霍乱弧菌、耶尔森菌、奈瑟菌、伯氏疏螺旋体和苍白密螺旋体、问号钩端螺旋体、支原体。 • 革兰阳性菌：白喉棒状杆菌、葡萄球菌、链球菌。

26. 产芽胞胞外菌 • 炭疽芽胞杆菌 • 厌氧芽胞梭菌属

27. 炭疽芽胞杆菌（Bacillus anthracis） 炭疽芽孢杆菌是人类历史上第一个被发现的病原菌。

28. 厌氧芽胞梭菌属（Clostridum） 1．肉毒梭菌 2．艰难梭菌 3．产气荚膜梭菌 4．破伤风梭菌

29. 真菌 • 烟曲霉菌是一种最常见的由空气传播的腐生菌类。人类和动物不断的吸入这种菌的孢子。正常免疫功能的宿主通过先天免疫机制可以除去这种孢子，这些宿主只会有一些轻微的临床症状如曲霉瘤和过敏性肺支气管曲霉病。 • 假丝酵母是人类真菌病最常见病原体。有几种假丝酵母菌可导致人类感染，其中最主要的是白假丝酵母 • 新生隐球菌是一种重要的条件致病性酵母样真菌 • 荚膜组织胞浆菌引起组织胞浆菌病，以侵犯单核—巨噬细胞系统和肺部为主的深部真菌病 • 卡氏肺孢菌常引起免疫缺陷病人尤其是AIDS病人肺炎。

30. 寄生虫 • 溶组织内阿米巴致阿米巴痢疾，是寄生虫病的第三大死因。 • 利什曼原虫是利什曼病的病原体。利什曼病既可引起局部损伤（皮肤），也可导致系统疾病（内脏），感染人口高达1千万人，主要发生在白蛉传播区域 • 恶性疟原虫以按蚊为传播媒介，是疟疾的病原体 • 刚地弓形虫是一种机会性致病原虫，寄生于宿主有核细胞，可造成多种脏器和组织损害，引起弓形虫病 • 克氏锥虫是人类克氏锥虫病，或称恰加斯病的病原体。

32. 细胞结构 细胞由脂质双层所组成的膜包绕（1），细胞质中含有核（2），由核膜包绕，核膜的作用主要是作为DNA的支架。当细胞外界的信号与膜受体结合后（3），触发了激酶磷酸化的级联反应（4），这一过程包括磷酸化细胞浆中的蛋白或磷酸化细胞核中核因子（5）来调节DNA的转录和细胞分裂（6）。细胞骨架中微管（7）是作作为线粒体运动（8）和胞内小泡（9）运送货物的轨道。细胞之间（10）或细胞与基质间（11）通过肌动蛋白（12）上的粘附分子而相互连接。核膜与内质网（13）相连，分泌性蛋白在合成期间被转移到内质网内，糖基化后通过高尔基体达细胞膜并进入小泡内（14）。细胞通过内吞作用摄取外界分子（15），这些分子在溶酶体（图2-1中L）中被降解。而胞质中的蛋白分子可被蛋白酶体水解。肌动蛋白丝在膜表面可形成广泛的突起，称为片状伪足(16)；或形成长的突起，称线足(17)。

33. 细胞信号转导

34. 膜转运

35. 细胞微生物学

37. 细胞对细菌生长的影响 • 麻风分枝杆菌（引起麻风病）和梅毒螺旋体（引起梅毒）。这些细菌需要在动物体内才能繁殖，如培养麻风分枝杆菌需要犰狳（armadillo）。 • 细菌生长并不仅与营养供应成线性关系，而是更可能受一些特定蛋白质及细菌和真核细胞都都会产生的其他因子的控制。

38. 细胞对细菌生长的影响 • 藤黄微球菌：这种细菌的生长一段时间后再更换新的培养基，营养充足，细菌在分裂多代后仍然会停止生长，可能是由于细胞分裂抑制因子的产生。如果将处于生长状态的藤黄微球菌的培养基加入到细胞上去，细菌继续生长，说明细菌生长依赖于一些特定的生长因子，这些生长因子可能是由细菌或者与细菌接触的细胞产生的。 • 相当数量的源于真核细胞的分子如5-羟色胺、儿茶酚胺等可促进细菌生长，而且过去几年内也一直有多种不同的细胞因子促进多种细菌生长的报道。

39. 细胞因子在细菌生长过程中起作用？ 之所以不能产生可重复的结果是由于新分离的产毒株菌很快丧失了它们对IL-1的反应能力。这提示可能有一种IL-1结合和转导系统被宿主细胞的某些因子诱导并且在这些诱导信号消失后此系统也迅速消失。另外一组研究人员报道大肠埃希菌产毒株与两种生长促进因子IL-2(T淋巴细胞的生长因子)和粒细胞巨噬细胞集落刺激因子（GM-CSF，中性白细胞和单核细胞生长因子）共同孵育时生长会加速。 IL-2热不稳定，加热或加入IL-2中和抗体可阻断其作用。此株大肠埃希菌含有IL-2及GM-CSF的受体的可能性是通过细菌耗尽了IL-2的介质而得到间接证明的。IL-2的促生长作用可以解释接受IL-2治疗的癌症病人或AIDS病人高水平的机会性感染。

40. 细胞因子在细菌生长过程中起作用？ Charles Dinarello实验室认为IL-1可促进大肠埃希菌产毒株的生长。比较大肠埃希菌6个产毒株及4个无毒株发现，前者在IL-1浓度低至10ng/ml时生长仍增快（通过观察CFU）。而无毒株对IL-1不起反应。其他细胞因子如IL-4、TNF对产毒株的生长亦无影响。值得注意的是IL-1诱导的细菌生长几乎可以完全被一种天然抑制剂IL-1ra所抑制，这提示其中有IL-1受体的参与。产毒株以细胞浓度依赖方式结合IL-1，在20pg/ml的浓度时达饱和。标记性IL-1的结合可被过量的未标记IL-1竞争，每个细菌有20-4000个结合位点，比人或鼠细胞上的IL-1受体数量明显要多。这些发现很有趣但具有一定的争议。

41. 促进自由生活细菌生长的细胞因子

42. 细菌对细胞的影响

43. 调节细胞周期的细菌蛋白

44. 病毒的细胞因子调节基因及其表达产物

45. 细菌的抗细胞因子蛋白

46. BACTERIUM 黏附 receptor EPITHELIUM 细菌对细胞的粘附

47. 黏附主要由黏附素(adhesin)介导 G-菌毛组分 G+菌体表面毛发样突出物 • 生化反应 组织特异性

49. Normal / Commensal Flora • Human 30,000-50,000 genes ~250 cell types • Ratio of Bacteria to Human Cells10-100 : 1 • Estimated Bacterial Species in the Intestinal Tract • 400-600 species per person (as many as 75% are unknown) • in a recent survey >8000 ribotypes have been identified from GI tract of 140 samples • 1200 + bacteriophage/viruses (in 5g of feces) • ~1,000,000 bacterial genes in the GI tract alone • (predict 30% of these to be novel and unlnown function =300,000) • The total number of genes of the gut flora is 50-100 times that of the human genome. • (Similar numbers for the oral-nasal cavity) • Normal Flora are significant component of the “host environment” for many pathogens. • This is a dynamic community likely to have high rates of horizontal gene transfer.

50. 2002年美国微生物学家田纳西州大学Savage教授提出——正常菌群在生态学上应当被看作是宿主的一个器官或一个系统。2002年美国微生物学家田纳西州大学Savage教授提出——正常菌群在生态学上应当被看作是宿主的一个器官或一个系统。 • 正常菌群与宿主之间的作用是非常重要并且非常复杂的。