细菌应激反应
与细胞中(p)ppGpp相关的环境胁迫信号感知和应激反应
与细胞中(p)ppGpp相关的环境胁迫信号感知和应激反应2120141293 王德美摘要(p)ppGpp，即鸟苷五磷酸或鸟苷四磷酸盐，是细菌细胞内的一种小分子信号物质，其合成和分解均由RelA/SpoT蛋白家族或Rel/Spo双功能蛋白调控。
RelA/SpoT蛋白家族或Rel/Spo双功能蛋白可感知环境胁迫条件并通过(p)ppGpp 代谢调控诱导细胞发生应激反应，如DNA 复制受阻、rRNA合成抑制及降解、基因的差别表达以及代谢酶的激活或抑制。
关键词环境胁迫信号；互惠调控；应激反应；转录抑制及激活正文一、(p)ppGpp催化活性蛋白1.(p)ppGpp催化活性蛋白的功能在大肠杆菌和其他变形菌纲细菌细胞，RelA和SpoT酶家族严谨调控(p)ppGpp 代谢。
RelA 为核糖体蛋白，催化合成pppGpp或ppGpp合成。
SpoT为胞质蛋白，在有Mn2+存在时，具有(p)ppGpp 水解酶活性和微弱的合成酶活性。
而在一些革兰氏阳性菌以及蓝细菌细胞，染色体上含有Rel/spo同源基因，可编码具有(p)ppGpp 合成酶和水解酶双重功能的Rel/Spo同源蛋白(RSH)。
胞内(p)ppGpp合成酶活性蛋白通过对环境胁迫的感知和催化调控信号分子(p)ppGpp合成的引发细胞应激反应的发生【1】。
2.(p)ppGpp催化活性蛋白对环境胁迫信号的感知2.1 RelA/SpoT酶家族对环境胁迫信号的感知2.1.1感知氨基酸饥饿的机制在大肠杆菌中，当氨基酸缺乏时，非氨酰基化的tRNA 结合于核糖体的A 位点阻滞蛋白质的合成，多肽延伸时核糖体空置反应诱导RelA 合成(p)ppGpp。
2.1.2感知脂肪酸饥饿的机制酰基载体蛋白(ACP)结合于SpoT 的TGS 结构域（可能具有调控与核苷类配体结合的功能），细胞中非酰基化ACP和酰基化ACP的比率可能影响这种结合。
因此，脂肪酸饥饿改变SpoT 两种催化活性的平衡并导致合成酶活性升高，(p)ppGpp积累。
应激反应
应激学说 stress theory 为塞里（H．Selye， 1936）所创立的病理学说。
此学说认为，生病时所发生的许多非特异性病变多是应激的一种表现，当然所谓滴应性疾病更是如此。
塞里的应激概念首先是在大鼠的实验上建立起来的，而后应用到人体。
大部分应激现象在去掉垂体或肾上腺的动物身上是不发生的。
另一方面，如果投予大量的肾上腺皮质激素时，即或没有激源（stresser）的作用，也能诱发一部分应激。
从这些事实可以认为，应激的各种病理过程是激源的刺激使垂体分泌的促肾上腺皮质激素和生长激素分泌增加，结果使肾上腺皮质激素分泌增加所致。
此时局部的刺激沿向心性神经经路，经过交感神经到达肾上腺髓质，结果急剧地分泌肾上腺素并作用于垂体。
塞里参考了肯德尔（E．C．Kendal）的研究成果，认为肾上腺皮质激素中盐类皮质激素具有促炎作用，而糖类皮质激素则有抗炎作用，在两者保持一定平衡的状态下发生应激。
过量投予糖类皮质激素可使炎症病变治愈，投予盐类皮质激素可增强对细菌及其它入侵者的抵抗性。
实际上使用可的松在治疗眼睛炎症和风湿性炎症上也是有效的。
然而在没有激源的情况下使之发生应激是需要非常大量的肾上腺皮质激素。
此外，对肾上腺皮质激素在组织的物质代谢上的作用即使是无任何怀疑，但将许多病理过程或应激现象均归之于激素的作用尚有异议。
摘要：通过对高原缺氧训练的运动应激、心理应激的多方面分析,揭示高原训练不仅受运动应激的影响而且受心理应激的影响,介绍了急性应激应对模式在高原心理训练中的可行性。
关键词:应激，高原训练，心理反应运动员在体育运动过程中会遇到全方位的应激,尤其在高原缺氧状态下的应激表现会更明显。
一方面,人体在高原缺氧环境下训练,承受高原缺氧和运动负荷的双重刺激,而产生强烈的双重应激反应,从而调动体内的机能潜力,产生一系列有利于提高运动能力的抗缺氧生理反应。
这是人们刻意创造高原训练环境所要达到的目的。
另一方面,高原训练不仅是对人的生理机能的考验,而且也是对人的意志能力的一种严峻考验,它要求运动员要以最大意志力来对抗高原缺氧带来的烦闷、厌恶、头昏、恶心、气力不足、不愿运动等一系列应激反应。
与细胞中(p)ppGpp相关的环境胁迫信号感知和应激反应
与细胞中(p)ppGpp相关的环境胁迫信号感知和应激反应2120141293 王德美摘要(p)ppGpp，即鸟苷五磷酸或鸟苷四磷酸盐，是细菌细胞内的一种小分子信号物质，其合成和分解均由RelA/SpoT蛋白家族或Rel/Spo双功能蛋白调控。
RelA/SpoT蛋白家族或Rel/Spo双功能蛋白可感知环境胁迫条件并通过(p)ppGpp 代谢调控诱导细胞发生应激反应，如DNA 复制受阻、rRNA合成抑制及降解、基因的差别表达以及代谢酶的激活或抑制。
关键词环境胁迫信号；互惠调控；应激反应；转录抑制及激活正文一、(p)ppGpp催化活性蛋白1.(p)ppGpp催化活性蛋白的功能在大肠杆菌和其他变形菌纲细菌细胞，RelA和SpoT酶家族严谨调控(p)ppGpp 代谢。
RelA 为核糖体蛋白，催化合成pppGpp或ppGpp合成。
SpoT为胞质蛋白，在有Mn2+存在时，具有(p)ppGpp 水解酶活性和微弱的合成酶活性。
而在一些革兰氏阳性菌以及蓝细菌细胞，染色体上含有Rel/spo同源基因，可编码具有(p)ppGpp 合成酶和水解酶双重功能的Rel/Spo同源蛋白(RSH)。
胞内(p)ppGpp合成酶活性蛋白通过对环境胁迫的感知和催化调控信号分子(p)ppGpp合成的引发细胞应激反应的发生【1】。
2.(p)ppGpp催化活性蛋白对环境胁迫信号的感知2.1 RelA/SpoT酶家族对环境胁迫信号的感知2.1.1感知氨基酸饥饿的机制在大肠杆菌中，当氨基酸缺乏时，非氨酰基化的tRNA 结合于核糖体的A 位点阻滞蛋白质的合成，多肽延伸时核糖体空置反应诱导RelA 合成(p)ppGpp。
2.1.2感知脂肪酸饥饿的机制酰基载体蛋白(ACP)结合于SpoT 的TGS 结构域（可能具有调控与核苷类配体结合的功能），细胞中非酰基化ACP和酰基化ACP的比率可能影响这种结合。
因此，脂肪酸饥饿改变SpoT 两种催化活性的平衡并导致合成酶活性升高，(p)ppGpp积累。
细菌氧化应激反应的研究进展
级氧化还原部分上，该次级氧化还原部分是铁硫簇或结合的醌。
但是，如果氧气在将电子传递到下一个载流子之前与还原的黄素发生碰撞，则电子会从FADH 2跳到氧气上而生[1]。
分子氧本身在π反键轨道上有两个自旋排列的未配对电子(图1)。
这种结构使得具有自旋对电子的有机分子不能一次将多个电子转移到氧。
因为氧是一种相对较弱的单价电子受体，这种限制确保了氧不能有效地氧化氨基酸和核酸。
然而，氧的未成对电子很容易与过渡金属和有机自由基的未成对电子相互作用。
相比而言，氧自由基、过氧化氢和羟基自由基的还原电位决定了它们在热力学上是比双氧强得多的单价氧化剂(图2)。
O 2-的阴离子电荷抑制了其作为富电子分子氧化剂的有效性，而H 2O2的活性则因其氧-氧键的稳定性而降低。
但这两个特征都不适用于羟基自由基，·OH 与大多数生物分子的反应几乎是扩散受限的。
图1 分子氧、超氧化物、过氧化氢和单线态氧的分子轨道图图2 活性氧还原电位(1M双氧水为标准态)1.2 氧化应激危害细胞中氧化应激的危害主要存在于三方面：脂类的氧化、DNA 的氧化和蛋白质的损伤。
0 引言地衣芽胞杆菌(Bacillus licheniformis )作为一种生物安全性菌株，其发酵产物(纳豆激酶、淀粉酶、聚-γ-谷氨酸、杆菌肽等)常应用于食品类、化妆品类等生物制品的生产中[1]。
B. licheniformis 属于典型的好氧菌，在其发酵过程中会产生大量的活性氧(reactive oxygen species, ROS)，包括超氧阴离子(O 2-)、过氧化氢(H 2O 2)和羟基自由基(·OH)，而ROS 的存在会对细胞造成巨大损伤，使得DNA 断裂、蛋白羰基化、脂质过氧化，最终造成细胞衰老和死亡[1]。
菌体的氧化应激反应受到ROS 诱导和生长时期的影响。
芽胞杆菌中的转录调控因子PerR 和OhrR 均会受到ROS 的攻击而使得结构发生改变，从而调控多种抗氧化剂的合成以抵抗ROS 的氧化伤害[2]。
氧化应激信号通路 研究方法 细菌
氧化应激信号通路研究方法细菌《探索氧化应激信号通路的研究方法在细菌中的应用》。
细菌是一类微生物生物体，其在自然界中广泛存在并发挥着重要的生态和生物学功能。
然而，细菌在生存过程中也会受到氧化应激的影响，导致细胞内产生氧化应激信号，进而影响细胞的生理活动和代谢过程。
因此，研究细菌中的氧化应激信号通路及其调控机制对于理解细菌生存和病原性具有重要意义。
在研究氧化应激信号通路的方法中，生物学家们采用了多种技术和手段。
其中，分子生物学技术是研究细菌氧化应激信号通路的重要手段之一。
通过构建基因敲除菌株或过表达菌株，可以研究特定基因在氧化应激反应中的作用。
此外，利用荧光探针和荧光显微镜技术可以直接观察细菌细胞内氧化应激物质的生成和分布情况，从而揭示氧化应激信号通路的动态过程。
另外，生物化学和生物物理学方法也被广泛应用于细菌氧化应激信号通路的研究中。
通过分离和纯化氧化应激相关蛋白，可以进一步揭示氧化应激信号通路的分子机制。
同时，利用质谱技术和核磁共振技术可以对氧化应激物质进行定量分析和结构鉴定，为深入
理解氧化应激信号通路提供重要信息。
除此之外，生物信息学方法也为细菌氧化应激信号通路的研究提供了新的途径。
通过分析基因组学和转录组学数据，可以发现潜在的氧化应激相关基因和信号通路，为研究提供新的思路和方向。
总之，通过多种研究方法的综合应用，我们可以更全面、深入地理解细菌中的氧化应激信号通路及其调控机制。
这不仅有助于揭示细菌生存适应策略和病原性机制，也为未来开发抗菌药物和抗氧化剂提供了重要的理论基础。
蛋白质组学在细菌应激反应研究中的应用
ｔ － ｉ ｎ ｉｎ ｅ ｌｃｒｐ ｏｅ ｉ（ － Ｅ）ａ ｄ ｍａ ｓ ｓ ｅ ｔ ｍｅｒ ｘ ａ ｄ ｈ ｔｄ ｒｎｃ ｐｉｎ ｒｆｅ ｎ ｌ ｂ ｗｏ ｄｍｅ ｓｏ ａ ｇ ｌｅｅ ｔ ｈ ｒｓｓ ２ Ｄ ｌ ｏ ｎ ｓ ｐ ｃｒ ｔｙ ｅ ｐ ｎ ｓ ｔｅ ｓ ｙ ｏ ｔａ ｓｒ ｔ ａ ｐ ｉ ，ａ ｄ ｗｉ ｅ ｏ ｕ ｆ ｉ ｏｌ ｏ ｌ ｌ
综
述
蛋 白质 组 学在 细 菌应 激 反 应研 究 中 的应 用
朱力， 王恒棵 ， 培 堂 黄
军事 医 学科 学 院 生物 工 程研 究 所 ， 原 微 生 物 生 物 安 全 国家 重 点 实验 室 ， 京 １ ０ ７ 病 北境 发 生 变 化 时 ， 菌 会 在 短 时 间 内发 生 应 激反 应 。利 用双 向凝 胶 电 泳技 术 结 合 生 物 质 谱 鉴 定 的 方 法 摘 细 对 细菌 蛋 白表 达 谱 变 化 进 行 研 究 ， 细 菌 转 录 谱 变 化 研 究 的深 入 和 扩 展 ， 细 菌 应 激 反 应 研 究 中 的新 热 点 。 综述 了蛋 白质 是 是 组 学在 细菌 应激 反 应 研 究 中的 应 用 现 状 和存 在 问题 。 ［ 键 词 】 细菌 ； 激 反 应 ； 白质 组 学 ； 向凝 胶 电泳 关 应 蛋 双 ［ 中图 分 类 号 ］ Ｑ ０ ；Ｑ ３ ５３ ９ ５ ［ 献标识码】 Ａ 文
细菌体内的氧化应激
•
氧化应激防DNA修复系统、蛋白水解和脂 类水解酶 (Demple B et al., 1994)
DNA修复酶包括核酸内切酶IV，核酸外切酶III，两种酶都 作用于双链DNA清理的DNA3’末端。
•
原核细胞含有催化剂能够直接修复一些共价修饰的蛋白质 的一级结构，最常见的一种修饰是还原氧化的二硫键：(i) 硫氧还蛋白还原酶的电子通过黄素载体从NADPH转移到硫 氧还蛋白，(ii) 谷氧还蛋白使用GSH作为电子供体能够减少 二硫键，(iii) 蛋白质二硫键异构酶促进和不活跃蛋白底物 的二硫键交换反应
氧化应激的基因响应
氧化应激的防御机制由两种转录激活因子 调控：
OxyR：调控对过氧化物的防御机制
•
•
SoxRS：调控对超氧化物的防御机制
氧化应激的基因响应
•
两种转录激活因子响应调控：
SoxRS调节子至少含有十个基因，来编码包括Mn-SOD,核
酸内切酶，葡萄糖6-磷酸脱氢酶，延胡索酸酶，顺乌头酸 酶，铁氧还蛋白还原酶，反义RNA（主要影响膜外蛋白的 表达）
氧化应激的危害
脂类的氧化 DNA的氧化 蛋白质的损伤
脂类的氧化:
氧化应激会造成自由基直接攻击细胞膜膜上多
聚不饱和脂肪酸，从而导致膜性质的改变以及膜结 合蛋白的紊乱，并且氧化产物含有高活性的醛类，
进一步导致DNA和蛋白质的损伤 (Humpries KM et
al., 1998)
DNA的氧化：
二级防御：修复氧化损伤
氧化应激防御机制
•
一级防御存在两类抗氧化系统:
一类是酶抗氧化系统，特定酶可以降低活性氧的稳定态水 平，包括超氧化物歧化酶(SOD）、过氧化氢酶（CAT）、 谷胱甘肽过氧化物酶(GPX）等；
应激的概念
死亡都可在此期出现。
4
第二节 应激反应的基本表现
一、应激的神经内分泌反应 （一）蓝斑—交感肾上腺髓质系统（LC-SAMS）
1、蓝斑—交感肾上腺髓质轴的基本组成单元 基本组成单元：为脑干的去甲肾上腺素能神经元及交 感神经肾上腺髓质系统。蓝斑作为该系统的中枢位点，上 行主要与边缘系统的杏仁复合体、海马结构、边缘中脑区 和边缘皮质有密切的往返联系。成为功能变化的结构基础。 下行则主要至脊髓侧角，行使调节交感神经系统和肾上腺 髓质系统的功能。
15
应激原
蛋白质结构损伤 暴 露 HPS结合部位
HPS与受损蛋白结合 释 放 游 离 HSF
游 离 的 HSF 聚合成三聚体
与热休克 蛋白基 因 启 动 序 列 相 结 合
启动HPS 转录合成
HPS↑
HSP可增强机体对多种应激原的耐受能力，如HSP合 成的增加可使机体对热、内毒素、病毒感染，心肌缺血等 多种应激原的抵抗能力增强，表明了应激反应在分子水平 的保护机制。
12
1、HPS的基本组成
HPS是一组在进化上十分保守的蛋白质，在细胞内含量 相当高，据估计为细胞总蛋白的5%。从原核细胞到真核细胞 的各种生物体，其同类型HPS的基因序列有高度的同源性。 现已发现HPS是一个大家族，根据分子量的大小可分为不同 的类型，各类HPS具有不同的功能。
目前认为HPS可分为两部分：一部分为细胞的结构蛋白， 正常时就存在于细胞内，为结构性HPS。另一部分由各种 应激原诱导生成的，为诱生性HPS。
③造成性腺轴的抑制，引起性功能的减退，月经失调等。
④对甲状腺轴产生抑制，可抑制促甲状腺释放激素（TRH）
促甲状腺激素（TRH）分泌，并阻碍T4在外周组织转化为活 性更高的T3。
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Regulation of RpoS Expression
• RpoS is induced during the transition from exponential phase to stationary phase or in response to various stress conditions,引起细 胞生理和形态的改变 • RpoS的表达受严格控制at the transcriptional, translational, and posttranslational levels
第七章
细菌应激反应
Bacterial Stress Responses
Main content
• • • • • • 微生物的应激反应定义与分类 通用调节途径 热休克反应 氧压力 渗透压 蛋白质组学在细菌应激反应研究中的应用
Bacterial Stress Responses
General stress response Activation of RpoS (σ38) by cessation of growth Induction of Pol IV, error prone polymerase Heat-shock response Activation of RpoH (σ32), induction of GroE GroE protects Pol V from degradation Stringent response Amino acid deprivation, starvation Mediated by guanosine tetraphosphate, ppGpp Enhances RpoH and RpoS responses SOS response Triggered by damage to DNA LexA-RecA mediated
anscriptional factor, inhibits rpoS transcription by directly binding to the rpoS promoter region. Fis levels are growth-phase dependent. At the onset of stationary phase, Fis disappears and the transcription of rpoS is induced
Model for the mechanism of action of RssB in regulating S degradation by ClpXP.
RpoS, a Master Regulator in Stress Response and Adaptation
• More than 10% of the E. coli genome is controlled by RpoS, most of which is involved in stress response, such as nutrient limitation resistance to DNA damage, osmotic shock high hydrostatic pressure, oxidative stress, ethanol resistance, adaptive mutagenesis, acid stress, and biofilm formation. • RpoS controls a more degenerate promoter sequence featuring a −10 region (TAYACT),
• 1975年O’Farrell2D研究E.coli heat-shock proteins,2003年Hatfield用microarray研究应激反 应. • 基因表达-转录,转录后调控,细菌中转录调控为主. • DNA-dependent RNA polymerase, (five subunits a2bb’w) 和an additional subunit (σ). E. coli有7个 sigma factors: σ 70 and the vegetative sigma factors, RpoD, RpoN, RpoS, RpoH, RpoF, RpoE, and FecI. 这些σ因子通过竞争和RNase 核心酶结合,对转录调控起主要租用,另外转录抑制 因子,激活因子, σ结合因子, 抗σ因子,以及一些小 RNAs的调控起辅助作用.
stress response systems
• 细菌多生于动态多变的环境中(温度,pH,压 力,氧化,营养,以及各种化学物质刺激等),细 菌存在一个整体调控网络可以快速调节大 量基因表达来快速适应这种环境变化,这种 调控网络被称为stress response系统. • stress response systems在细菌中高度相 似的,有一些在真核细胞和古菌中也是保守 的(如热休克反应). • 不同菌见,激活stress response 条件不一样
Heat-shock response
• In E. coli heat-shock induces pproximately 30 genes under control of another sigma factor, RpoH (32). • The RpoH-regulon is also induced by unfolded proteins • Levels of DNA Pol V are dependent on GroE because the chaperon interacts with the polymerase subunit of PolV and protects it from degradation • The groEL/ES operon, which encodes the molecular chaperone GroE, is an important member of this regulon.