Question

【題目】閱讀下列材料，回答問題：

細(xì)菌的武器知多少？

為了生存，細(xì)菌通過進(jìn)化獲得了一系列可用于細(xì)菌間以及細(xì)菌與宿主細(xì)胞競爭的武器系統(tǒng)。根據(jù)作用距離，可大致分為非接觸式抑制和接觸式抑制兩類。第一類的典型代表是可以擴(kuò)散的抗生素等小分子化合物。這一類已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)和農(nóng)業(yè)，為人類健康和社會發(fā)展發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。第二類可以通過直接接觸而作用于相鄰細(xì)胞，其中有一種蛋白分泌系統(tǒng)(T6SS)。

T6SS 廣泛存在于革蘭氏陰性細(xì)菌中，是細(xì)菌胞質(zhì)中最長的管狀結(jié)構(gòu)之一，可作用于真核細(xì)胞，也可以作用于原核細(xì)胞。它不需要利用表面受體，而是通過細(xì)菌間直接接觸，在幾毫秒內(nèi)直接將底物蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)至受體細(xì)菌的細(xì)胞質(zhì)中。

T6SS主要由跨膜復(fù)合體(Membranecomplex TssJLM)、基座復(fù)合體(BaseplateTssEFGK)和管狀結(jié)構(gòu)(VipA/B 和Hcp)三部分組成。T6SS的結(jié)構(gòu)和作用方式如圖所示。

由于同種細(xì)胞之間也會發(fā)生T6SS 的穿刺轉(zhuǎn)運(yùn)，因此物理性的穿透并不能對細(xì)胞產(chǎn)生致死性傷害，而T6SS 的殺傷功能主要是由其分泌的蛋白的功能所決定的。T6SS 的分泌蛋白主要包括起運(yùn)載作用的結(jié)構(gòu)蛋白和發(fā)揮生物學(xué)活性的效應(yīng)蛋白。T6SS 的效應(yīng)蛋白一般具有對真核細(xì)胞或者原核細(xì)胞的細(xì)胞毒性。

T6SS基因簇廣泛存在于革蘭氏陰性細(xì)菌中，其中的一些關(guān)鍵基因已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)在細(xì)菌與真核細(xì)胞的相互作用中至關(guān)重要。科學(xué)家利用轉(zhuǎn)座子隨機(jī)突變的方法，在霍亂弧菌中尋找對變形蟲的侵染非常重要的基因。通過分析失去毒性的突變體，發(fā)現(xiàn)并系統(tǒng)鑒定了T6SS 的基因簇。

為了避免被自身細(xì)胞殺死，T6SS 需要合成脫毒蛋白，也稱免疫蛋白。免疫蛋白通過與有毒性的效應(yīng)蛋白相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)，而且由于免疫蛋白與效應(yīng)蛋白的功能相關(guān)性，它們在基因組上的位置也是相鄰的。

作為一種重要的細(xì)菌武器，T6SS 對細(xì)菌在競爭條件下的生存至關(guān)重要，而其對細(xì)菌的適應(yīng)性或者競爭性的功能主要取決于T6SS 所運(yùn)載的分泌蛋白的種類和功能。總之，T6SS 是細(xì)菌中最重要的菌與菌、菌與環(huán)境、菌與宿主細(xì)胞的相互作用的工具之一。

（1）舉例說明，革蘭氏陰性細(xì)菌的效應(yīng)蛋白對細(xì)菌的意義。 ______________

（2）請用通俗的語言，描述（T6SS）蛋白分泌系統(tǒng)是如何分泌蛋白的？ ______________

（3）轉(zhuǎn)座子是一段基因可以從基因組原來位點(diǎn)上單獨(dú)復(fù)制或斷裂下來，插入到另一位點(diǎn)，并導(dǎo)致所插入位點(diǎn)的基因發(fā)生突變。文中到科學(xué)家利用轉(zhuǎn)座子隨機(jī)突變的方法，在霍亂弧菌中尋找對阿米巴蟲的侵染非常重要的基因。請根據(jù)以上信息，完善這一實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。 ______________

（4）病原菌的致病性主要依賴于分泌的毒素、蛋白酶等毒性分子，請根據(jù)文章的內(nèi)容，提出一條預(yù)防細(xì)菌感染的思路。______________

Answer 1

【答案】T6SS 的分泌蛋白主要包括起運(yùn)載作用的結(jié)構(gòu)蛋白和發(fā)揮生物學(xué)活性的效應(yīng)蛋白。T6SS 的效應(yīng)蛋白一般具有對真核細(xì)胞或者原核細(xì)胞的細(xì)胞毒性，從而對自身實(shí)現(xiàn)了保護(hù)機(jī)制，T6SS 是細(xì)菌中最重要的菌與菌、菌與環(huán)境、菌與宿主細(xì)胞的相互作用的工具之一。 T6SS主要由跨膜復(fù)合體、基座復(fù)合體和管狀結(jié)構(gòu)三部分組成，首先跨膜/基座復(fù)合體將管狀結(jié)構(gòu)固定在細(xì)胞膜上，然后外鞘的收縮驅(qū)動(dòng)Hcp內(nèi)管及其結(jié)合的頂端蛋白VgrG和PAAR排出到細(xì)胞外或者相鄰細(xì)胞內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)了分泌蛋白的分泌。通俗的講，如果將T6SS比喻為細(xì)菌的弓箭，那么由膜-底座復(fù)合體和外鞘組成的弓能夠?qū)⒂蒆cp組成的箭體和VgrG-PAAR組成的箭頭在幾毫秒內(nèi)彈射出去。 用轉(zhuǎn)座子技術(shù)讓霍亂弧菌發(fā)生基因突變，然后再讓這些突變霍亂弧菌去侵染阿米巴蟲，通過對阿米巴蟲生活狀態(tài)觀察，從存活的阿米巴蟲體內(nèi)提取失去毒性的突變體進(jìn)行相關(guān)T6SS 的基因的檢測，發(fā)現(xiàn)并系統(tǒng)鑒定了T6SS 的基因簇。 設(shè)法阻斷細(xì)菌毒素、蛋白酶等毒性分子的分泌過程，從而避免對人類造成傷害，具體做法是通過轉(zhuǎn)座子技術(shù)改造細(xì)菌的T6SS 的基因簇，使細(xì)菌突變?yōu)槭�去毒性的突變株（即阻斷了�?xì)菌毒素、蛋白酶等毒性分子的分泌過程）

【解析】

T6SS的分泌蛋白的過程

位于T6SS結(jié)構(gòu)最尖端的是VgrG三聚體和PAAR蛋白。細(xì)菌基因組可以編碼多個(gè)VgrG和PAAR基因，但是每次外管的收縮只會將一個(gè)PAAR蛋白、三個(gè)VgrG蛋白，以及數(shù)百個(gè)Hcp蛋白分泌出去。如果將T6SS比喻為細(xì)菌的弓箭，那么由膜-底座復(fù)合體和外鞘組成的弓能夠?qū)⒂?/span>Hcp組成的箭體和VgrG-PAAR組成的箭頭在幾毫秒內(nèi)彈射出去。外鞘收縮釋放出驚人的能量，相當(dāng)于4 000個(gè)ATP水解釋放的能量。并且，由于外鞘和內(nèi)管的螺旋結(jié)構(gòu)，收縮過程導(dǎo)致的管體旋轉(zhuǎn)角速度能夠達(dá)到約每分種12萬轉(zhuǎn)。這為T6SS穿透受體細(xì)胞的內(nèi)外膜和細(xì)胞壁提供了足夠的穿透力

（1）T6SS （蛋白分泌系統(tǒng)）廣泛存在于革蘭氏陰性細(xì)菌中，T6SS 的殺傷功能主要是由其分泌的蛋白的功能所決定的。T6SS 的分泌蛋白主要包括起運(yùn)載作用的結(jié)構(gòu)蛋白和發(fā)揮生物學(xué)活性的效應(yīng)蛋白。T6SS 的效應(yīng)蛋白一般具有對真核細(xì)胞或者原核細(xì)胞的細(xì)胞毒性，從而對自身實(shí)現(xiàn)了保護(hù)機(jī)制，T6SS 是細(xì)菌中最重要的菌與菌、菌與環(huán)境、菌與宿主細(xì)胞的相互作用的工具之一。

（2）T6SS主要由跨膜復(fù)合體、基座復(fù)合體和管狀結(jié)構(gòu)三部分組成，首先跨膜/基座復(fù)合體將管狀結(jié)構(gòu)固定在細(xì)胞膜上，然后外鞘的收縮驅(qū)動(dòng)Hcp內(nèi)管及其結(jié)合的頂端蛋白VgrG和PAAR排出到細(xì)胞外或者相鄰細(xì)胞內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)了分泌蛋白的分泌。通俗的講，如果將T6SS比喻為細(xì)菌的弓箭，那么由膜-底座復(fù)合體和外鞘組成的弓能夠?qū)⒂?/span>Hcp組成的箭體和VgrG-PAAR組成的箭頭在幾毫秒內(nèi)彈射出去。

（3）題意顯示，轉(zhuǎn)座子是一段基因可以從基因組原來位點(diǎn)上單獨(dú)復(fù)制或斷裂下來，插入到另一位點(diǎn)，并導(dǎo)致所插入位點(diǎn)的基因發(fā)生突變，利用這一原理，用轉(zhuǎn)座子技術(shù)讓霍亂弧菌發(fā)生基因突變，然后再讓這些突變霍亂弧菌去侵染阿米巴蟲，通過對阿米巴蟲生活狀態(tài)觀察，從存活的阿米巴蟲體內(nèi)提取失去毒性的突變體進(jìn)行相關(guān)T6SS 的基因的檢測，發(fā)現(xiàn)并系統(tǒng)鑒定了T6SS 的基因簇。

（4）根據(jù)這篇文章我們懂得了病原菌的致病性的機(jī)理主要依賴于分泌的毒素、蛋白酶等毒性分子，為了預(yù)防細(xì)菌的感染，首要的做法是設(shè)法阻斷細(xì)菌毒素、蛋白酶等毒性分子的分泌過程，從而避免對人類造成傷害，具體做法是通過轉(zhuǎn)座子技術(shù)改造細(xì)菌的T6SS 的基因簇，使細(xì)菌突變?yōu)槭�去毒性的突變株（即阻斷了�?xì)菌毒素、蛋白酶等毒性分子的分泌過程）。