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体内病菌传播的动力分析

投稿时间:2017-04-11 10:46 投稿人:王孝恩 【字号: 访问量:

体内的致病菌寄生物可大致分为两类:一类是由寄主的膜包裹的内涵体,如,分支杆菌、军团杆菌、某些绿藻及疟原虫等,它们的传播是以胞饮和胞吐的形式的。另一类是生长、喂食及复制都在正常胞浆中,不受寄主液泡膜的限制。这类研究的比较多的是单核细胞增多性李斯特细菌(Listeria monocytogenes)、弗累克斯讷氏杆菌(Shigella flexneri)立克兹氏体(Rickettsiae)[1,2]。它们都是劫持寄主胞浆的肌动蛋白单体,为自己装配一条肌动蛋白纤维构成的尾巴而推进自身,并能避开寄主胞内的免疫系统。在荧光显微镜下这种尾巴好像火箭喷出的火焰,也像慧星,因此被称为“慧尾”。它们之中的李斯特菌,被研究的最多。

一、李斯特病菌简介

李斯特菌为革兰氏阳性杆菌,兼性厌氧,无孢子,一分为二式分裂,菌形如花生米或胶囊,长1-3微米。感染对象主要是新生儿、老人、孕妇及免疫缺陷者。在老式接生中断脐时由使用不洁的剪刀等造成的李斯特菌感染,是新生儿死亡的主要原因。潜伏期从几天到数周不等,造成的疾病主要有脑膜炎、中枢神经系统实质性病变、心内膜炎,以及较少见的葡萄膜炎,眼内炎,颈淋巴结炎,肺炎,脓胸,心肌炎,腹膜炎,肝炎,肝脓肿,胆囊炎,骨髓炎及关节炎等。平常它在人群中通过污染的奶制品或肉类传染。它的毒性不是特别大,尽管严重的孕妇或新生儿等患者有可能会导致死亡。李斯特是人类的天敌,但在几十年前,正当人们为肌动蛋白纤维产力的机理发愁时,它为我们送来了一个上好的研究模型。

二、   李斯特的自身推进

伴随着寄主巨噬细胞A的吞噬和从噬菌细胞的液泡中逃出,李斯特自由地进入了寄主的胞浆。它在胞浆中吸食长大,并开始“头碰头”式的分裂成两个,好像掰开的花生壳中的两个花生米。新分裂的两个子菌在各自的尾部,肌动蛋白纤维快速生长,形成各自的尾巴。同时两个子菌分开,尾巴长的能达5μm. 在快速生长的尾巴的推动下,李斯特从胞浆深处移动到寄主细胞A的表面,它的头部顶着两层细胞膜(细胞A及另一个相邻的寄主细胞B的质膜)形成一个叫做“伪足”的指状伸出,伸入到细胞B的胞浆中。然后,包裹李斯特和它的尾巴的指状伸出,从尾巴的后部伪足根部掐断,完全进入细胞B。伪足尾部的两层膜及两个寄主细胞的质膜同时融合封闭。在B的胞浆中最后包裹李斯特的伪足膜消失,细菌完成从细胞A到细胞B的传播周期。

三、慧尾产力的布朗棘轮模型

慧尾如何能对细菌产生推动力?受肌肉收缩的滑行丝学说的影响,人们首先想到的是,在细菌尾巴的肌动蛋白纤维间存在的肌球蛋白马达,拨动肌动蛋白纤维而推动细菌前进。但是到了上世纪的80年代,人们从慧尾的电镜照片中并没有找到类似肌肉的横桥结构。同期来自多方面的实验揭示,根本无需马达蛋白的参与,仅由肌动蛋白纤维或微管的聚合或解聚就能产生推动力。不过,这种产力的机理却是传统的滑行丝理论无法解释的。

最早使人们的思路开始脱离滑行丝理论的,是细胞迁移运动中的前导边缘、扁平足、线头足等肌动蛋白纤维聚合的产力方式。不过,当时的人们仍然特别注重纤维的极性。在这些细胞运动中,肌动蛋白的聚合都发生在靠近质膜处的叉端。

早在1981年,Hill, TL就已经说明[3]无需马达蛋白,仅肌动蛋白纤维或微管的装配或去装配就能产生力,甚至也不需要核苷三磷酸的水解能。这种产力的能量来源于布朗热运动的整流。这是一种正确的热力学解释,但热力学不能给出动力学的细节。

仍然受滑行丝理论的影响,L G Tilney[4]1992用肌球蛋白(SI)对细菌慧尾进行了修饰,对修饰后的慧尾做电镜观察。他们发现并认定肌动蛋白纤维的叉端朝向细菌,并类比于前导边缘、扁平足及线头足等细胞运动中的情况,认为慧尾的纤维聚合也是发生在靠近细菌质膜的叉端,也就是说发生在尾巴的最前端的尾巴根的尾-菌界面上。此误导流传至今,很容易使人认为,像人的毛发、马尾的生长,是从细菌的细胞壁外的表面上长出来的;或者像火箭、慧星那样从屁股喷出来的。

1993年,Oster和他的同事们[5]Hill的整流热运动的概念,在动力学上呆板地细化为布朗棘轮模型(Brownian ratchet),用以解释细胞运动中膜的伸出。我把他们的这种动力学模型形象化地描述为“垫砖”,就像一个站立的人,将双脚轮流抬起,每一次抬起的脚下就塞上一块砖。这一模型用于细胞运动,虽然原理不确切,但与实际现象没有太大的矛盾。不过,当他们把这一模型照搬到慧尾的产力模式时,就出现了众多的理论与实际观察不符的现象。

四、布朗棘轮与纤维装配压模型对比

布朗棘轮模型将细胞运动和细菌运动,都机械地看作是“垫砖”模式。并且机械地认为是肌动蛋白单体的插入推动了细菌运动。最近,Weirich[6]已经证明,横连的肌动蛋白纤维束完全显示一种液体的行为。一种液体状的软的纤维怎么能通过插入单体而产生推动力呢?

我们的纤维装配压模型认为由于纤维的装配,产生的装配压水流推动了细胞的质膜或细菌的运动。我们认为细胞运动和李斯特运动是不一样的,首先对纤维的成核体就不一样。在细胞运动中,质膜不是成核体,在加端的Arp2/3 复合物或已存在的纤维的自由端都是成核纤维,能使纤维生长。在慧尾的情况,表面分泌ActA毒蛋白的细菌本身就是成核体,已经有人证明在慧尾出现的早期Arp2/3 复合物是需要的,但对于以后纤维的生长,则不再需要。

对于肌动蛋白纤维的聚合体系来说,细胞运动中的质膜曲率与细菌的表面曲率符号刚好相反。前者发生在接近凹的质膜的里面,纤维装配压水流是从加端沿纤维表面流向近核区的减端,形成的胞浆环流和纤维在加端的延长共同对质膜产生一种向外的推动力,凹的质膜也对胞浆环流施加一种反射回旋作用力。对于李斯特的情况,慧尾纤维都在细菌表面以外的凸面一侧,纤维装配压水流直接冲击和推动的是细菌。也就是说,慧尾中的纤维最初都是从细菌的表面长出来的。即使有的纤维已经从细菌表面上脱落,但是,只要它还与仍连接细菌的那些纤维接触,它的自由端就仍能成为加端,产生纤维装配压。因为装配压产生的水流仍能通过连接的那些纤维流向细菌表面,产生推动力。

李斯特分裂时采用头碰头的方式,不是肩并肩。伴随着分裂,在它们相互远离的两个屁股端的肌动蛋白纤维尾巴的生长加快,它们的头与头之间并没有肌动蛋白纤维生成。TilneyPortnoy的文章[1]1202页的图-14的电镜照片表明了这种普遍的现象。这一现象是布朗棘轮模型绝对解释不了的,因为两个细菌尾巴的推动力只能使它们的头与头靠得更紧,怎么会分开呢?按我们的纤维装配压模型,这是很自然的事:在整个尾巴中产生的纤维装配压水流从细菌的屁股处汇入,流经细菌的圆柱形表面,最后从头部扩散流出。两个细菌的头部都是装配压水流扩散流出的地方,因此两个头部必然相互排斥而远离分开。也就是说,两个纤维装配压装置的水流汇入口靠近时相互吸引,而两个扩散流出口靠近时相互排斥远离。

我们的这一机理还可以很好地解释,动物细胞分裂初期复制后的两个中心体的分开远离。同样可以解释有丝分裂中姊妹染色体对纺锤体微管加端的俘获及姊妹染色体的分开。相关内容将另文专笔讨论。20170410

参考文献

1. Tilney, LG. and Portnoy, DA. (1989) Actin filaments and the growth, movement, and spread of the intracellular bacteria/ parasite,Listeria monocytogenes. J Cell Biol. 109 (4): 1597-1608.

2. Gouin E. et. al. (1999) A comparative study of the actin-based motilities of the pathogenic bacteria Listeria monocytodenes. Shigella flexneri and Rickettsia conorii. J Cell Sci. 112(Pt. 11):1697-1708.

3. Hill, TL. (1981) Microfilament or microtubule assembly or disassembly against a force. PNAS. 78(9): 5613-5617

4. L G Tilney, D J DeRosier, A Weber, M S Tilney. 1992How Listeria exploits host cell actin to form its own cytoskeleton. II. Nucleation, actin filament polarity, filament assembly, and evidence for a pointed end capper. JCB (The Journal of Cell Biology), 118 (1): 83-93.

5. Peskin, CS., Odell, GM. and Oster, GF. (1993) Cellular motions and thermal fluctuations: the Brownian ratchet. Biophys J. 1993 Jul; 65(1):316-324.

6. Kimberly L. Weirich, et. al. (2017) Liquid behavior of cross-linked actin bundles. PNAS February 28, 2017 Vol. 114 No. 9 2131-2136.