Question

【題目】閱讀下列材料，回答問題：

細菌的武器知多少？

為了生存，細菌通過進化獲得了一系列可用于細菌間以及細菌與宿主細胞競爭的武器系統。根據作用距離，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散的抗生素等小分子化合物。這一類已經被廣泛應用于醫學和農業，為人類健康和社會發展發揮了至關重要的作用。第二類可以通過直接接觸而作用于相鄰細胞，其中有一種蛋白分泌系統(T6SS)。

T6SS 廣泛存在于革蘭氏陰性細菌中，是細菌胞質中最長的管狀結構之一，可作用于真核細胞，也可以作用于原核細胞。它不需要利用表面受體，而是通過細菌間直接接觸，在幾毫秒內直接將底物蛋白轉運至受體細菌的細胞質中。

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

由于同種細胞之間也會發生T6SS 的穿刺轉運，因此物理性的穿透并不能對細胞產生致死性傷害，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載作用的結構蛋白和發揮生物學活性的效應蛋白。T6SS 的效應蛋白一般具有對真核細胞或者原核細胞的細胞毒性。

T6SS基因簇廣泛存在于革蘭氏陰性細菌中，其中的一些關鍵基因已經被發現在細菌與真核細胞的相互作用中至關重要。科學家利用轉座子隨機突變的方法，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，發現并系統鑒定了T6SS 的基因簇。

為了避免被自身細胞殺死，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蛋白相結合來實現自我保護，而且由于免疫蛋白與效應蛋白的功能相關性，它們在基因組上的位置也是相鄰的。

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

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

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

（3）轉座子是一段基因可以從基因組原來位點上單獨復制或斷裂下來，插入到另一位點，并導致所插入位點的基因發生突變。文中到科學家利用轉座子隨機突變的方法，在霍亂弧菌中尋找對阿米巴蟲的侵染非常重要的基因。請根據以上信息，完善這一實驗的實驗設計方案。 ______________

（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，請根據文章的內容，提出一條預防細菌感染的思路。______________

Answer 1

【答案】T6SS 的分泌蛋白主要包括起運載作用的結構蛋白和發揮生物學活性的效應蛋白。T6SS 的效應蛋白一般具有對真核細胞或者原核細胞的細胞毒性，從而對自身實現了保護機制，T6SS 是細菌中最重要的菌與菌、菌與環境、菌與宿主細胞的相互作用的工具之一。 T6SS主要由跨膜復合體、基座復合體和管狀結構三部分組成，首先跨膜/基座復合體將管狀結構固定在細胞膜上，然后外鞘的收縮驅動Hcp內管及其結合的頂端蛋白VgrG和PAAR排出到細胞外或者相鄰細胞內，從而實現了分泌蛋白的分泌。通俗的講，如果將T6SS比喻為細菌的弓箭，那么由膜-底座復合體和外鞘組成的弓能夠將由Hcp組成的箭體和VgrG-PAAR組成的箭頭在幾毫秒內彈射出去。 用轉座子技術讓霍亂弧菌發生基因突變，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觀察，從存活的阿米巴蟲體內提取失去毒性的突變體進行相關T6SS 的基因的檢測，發現并系統鑒定了T6SS 的基因簇。 設法阻斷細菌毒素、蛋白酶等毒性分子的分泌過程，從而避免對人類造成傷害，具體做法是通過轉座子技術改造細菌的T6SS 的基因簇，使細菌突變為失去毒性的突變株（即阻斷了細菌毒素、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結構最尖端的是VgrG三聚體和PAAR蛋白。細菌基因組可以編碼多個VgrG和PAAR基因，但是每次外管的收縮只會將一個PAAR蛋白、三個VgrG蛋白，以及數百個Hcp蛋白分泌出去。如果將T6SS比喻為細菌的弓箭，那么由膜-底座復合體和外鞘組成的弓能夠將由Hcp組成的箭體和VgrG-PAAR組成的箭頭在幾毫秒內彈射出去。外鞘收縮釋放出驚人的能量，相當于4 000個ATP水解釋放的能量。并且，由于外鞘和內管的螺旋結構，收縮過程導致的管體旋轉角速度能夠達到約每分種12萬轉。這為T6SS穿透受體細胞的內外膜和細胞壁提供了足夠的穿透力

（1）T6SS （蛋白分泌系統）廣泛存在于革蘭氏陰性細菌中，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載作用的結構蛋白和發揮生物學活性的效應蛋白。T6SS 的效應蛋白一般具有對真核細胞或者原核細胞的細胞毒性，從而對自身實現了保護機制，T6SS 是細菌中最重要的菌與菌、菌與環境、菌與宿主細胞的相互作用的工具之一。

（2）T6SS主要由跨膜復合體、基座復合體和管狀結構三部分組成，首先跨膜/基座復合體將管狀結構固定在細胞膜上，然后外鞘的收縮驅動Hcp內管及其結合的頂端蛋白VgrG和PAAR排出到細胞外或者相鄰細胞內，從而實現了分泌蛋白的分泌。通俗的講，如果將T6SS比喻為細菌的弓箭，那么由膜-底座復合體和外鞘組成的弓能夠將由Hcp組成的箭體和VgrG-PAAR組成的箭頭在幾毫秒內彈射出去。

（3）題意顯示，轉座子是一段基因可以從基因組原來位點上單獨復制或斷裂下來，插入到另一位點，并導致所插入位點的基因發生突變，利用這一原理，用轉座子技術讓霍亂弧菌發生基因突變，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觀察，從存活的阿米巴蟲體內提取失去毒性的突變體進行相關T6SS 的基因的檢測，發現并系統鑒定了T6SS 的基因簇。

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