1、細(xì)菌的群體感應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)Quorum sensing蘇曉娜(10 動(dòng)物丁穎班 201030710318)摘要：傳統(tǒng)觀念認(rèn)為細(xì)菌是一種個(gè)體的、非社會(huì)性的生物體。近來(lái)的研究表明細(xì)菌可以產(chǎn)生 化學(xué)信號(hào)并通過(guò)它們實(shí)現(xiàn)細(xì)菌間信息傳遞。細(xì)菌的群體感應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)(Quorum sensing, QS) 調(diào)節(jié)著個(gè)體細(xì)胞之間的相互合作,使其表現(xiàn)出類(lèi)似多細(xì)胞的群體行為。本綜述參考了近幾年 的文獻(xiàn)報(bào)道，對(duì)QS的發(fā)現(xiàn)、分類(lèi)、特點(diǎn)、功能、應(yīng)用及前景等作簡(jiǎn)要介紹。關(guān)鍵詞：細(xì)菌群體感應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)信號(hào)傳遞進(jìn)化應(yīng)用合作細(xì)菌分泌一種或者幾種小分子量的化學(xué)信號(hào)分子促進(jìn)細(xì)菌個(gè)體間相互交流協(xié)調(diào)群體行為, 該現(xiàn)象稱(chēng)為群體感應(yīng)(quorum s

2、ensing ,QS)。e傳統(tǒng)觀念認(rèn)為細(xì)菌是一種個(gè)體的、非社會(huì) 性的生活方式。而實(shí)際上，細(xì)菌往往生活在一個(gè)相互作用的群體(Population)中，通過(guò)各種 各樣分泌到細(xì)胞外的化合物行使著不同類(lèi)型的相互作用。QS現(xiàn)象是于1977年在一種海 洋發(fā)光細(xì)菌Vibrio fischeri中首次發(fā)現(xiàn)的，是細(xì)菌通過(guò)分泌可溶性信號(hào)分子來(lái)監(jiān)測(cè)群體密 度并協(xié)調(diào)細(xì)菌生物功能的信息交流機(jī)制。3 本文介紹細(xì)菌群體感應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)及研究的 過(guò)程，并從中探討研究細(xì)菌群體感應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的意義。1細(xì)菌群體感應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的概念細(xì)菌根據(jù)特定信號(hào)分子的濃度可以監(jiān)測(cè)周?chē)h(huán)境中自身或其它細(xì)菌的數(shù)量變化當(dāng)信號(hào) 達(dá)到一定的濃度閾值時(shí)，能啟動(dòng)

3、菌體中相關(guān)基因的表達(dá)來(lái)適應(yīng)環(huán)境中的變化,這一調(diào)控系統(tǒng) 被稱(chēng)為細(xì)菌的群體感應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。很多細(xì)菌會(huì)低水平地合成并分泌被稱(chēng)為自誘導(dǎo)物 (autoinducer)的小分子信號(hào)分子，細(xì)菌通過(guò)這些信號(hào)分子進(jìn)行信息的交流。當(dāng)信號(hào)分子 濃度較低時(shí)，它不足以誘導(dǎo)目的基因的表達(dá)。但是信號(hào)分子的濃度會(huì)隨著細(xì)菌濃度的增大而 增大，當(dāng)其濃度達(dá)到閾值時(shí)，就會(huì)誘導(dǎo)一些結(jié)構(gòu)基因表達(dá)，同時(shí)也誘導(dǎo)其自身合成基因的 表達(dá)，產(chǎn)生更多的信號(hào)分子來(lái)誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)基因和自身基因大量表達(dá) 如此形成一種正反饋機(jī) 制。丘。例如根癌農(nóng)桿(Agrobacteriumtumefacien)s、胡蘿卜軟腐歐文氏菌(Erwinia carotovora等植物病

4、原菌，至少要在營(yíng)養(yǎng)缺乏的土壤和防御嚴(yán)密營(yíng)養(yǎng)豐富的寄主兩種復(fù)雜 生境中交替生活。當(dāng)病原菌侵染寄主時(shí),必需達(dá)到一定的基數(shù)才能侵染成功，因?yàn)榇藭r(shí)的信號(hào) 分子濃度才能啟動(dòng)侵染寄主起關(guān)鍵作用基因的表達(dá)否則其侵染不能成功;另外枯草芽胞桿 菌(Bacillussubtili)也利用QS系統(tǒng)對(duì)自身發(fā)育進(jìn)行調(diào)控，當(dāng)菌體密度高時(shí)，信號(hào)分子濃 度相應(yīng)增高啟動(dòng)了芽胞形成基因的表達(dá)。4圖1那有中群體劇應(yīng)調(diào)肯系統(tǒng) Hg. 1 QiDmin selling in bacteria2細(xì)菌群體感應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直認(rèn)為僅在多細(xì)胞生物中存在著細(xì)胞與細(xì)胞之間的信息交流，細(xì)菌則 是單純地以單個(gè)細(xì)胞的生存方式存在于環(huán)境中

5、。早期，在研究海洋微生物費(fèi)氏弧菌 (Photoaterium fuscheri曾用名Vibro fusehei)時(shí)，發(fā)現(xiàn)這種細(xì)菌可以在自然狀態(tài)下使 烏賊發(fā)光，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)細(xì)菌濃度達(dá)到一定閾值時(shí)才會(huì)發(fā)光，且細(xì)菌孵育的上清液 也可以誘導(dǎo)這一發(fā)光現(xiàn)象。于是科學(xué)家提出假設(shè)：細(xì)菌可以分泌及感應(yīng)某些可擴(kuò)散的小分子 物質(zhì)，這種小分子物質(zhì)可傳播有關(guān)菌群密度的信息。衛(wèi)以后的研究陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，陸生植物病 原體胡蘿卜軟腐歐文氏菌的產(chǎn)物B一內(nèi)酰胺類(lèi)抗生素、碳青霉烯類(lèi)也可以被AHL調(diào)節(jié)舊J。不 少革蘭陰性菌(G一菌)屬的細(xì)菌都具有AHL信號(hào)系統(tǒng)，其功能各不相同。當(dāng)然，信號(hào)系統(tǒng)也不 僅僅局限于G一菌，有些革蘭陽(yáng)性菌(

6、G+菌)也擁有細(xì)胞外信號(hào)分子。信號(hào)分子調(diào)控P.fischeri 的密度依賴(lài)型發(fā)光過(guò)程僅在魚(yú)類(lèi)的特定發(fā)光器官中發(fā)光，而在海洋中游離的P.fischer i中 卻不發(fā)光。究其原因主要有兩點(diǎn)，一是宿主發(fā)光器官豐富的營(yíng)養(yǎng)促進(jìn)了?.已，川。高密度 生長(zhǎng)，二是細(xì)菌分泌的信號(hào)分子在狹小的宿主發(fā)光器官中達(dá)到了一定的濃度，足以達(dá)到細(xì)菌 檢測(cè)能力水平。隨后研究證實(shí)在細(xì)菌中，無(wú)論革蘭氏陽(yáng)性菌(G+)還是陰性菌(G-)，都存在 著細(xì)胞與細(xì)胞之間的信息交流。3細(xì)菌群體感應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點(diǎn)3.1分子量小細(xì)菌信息素都是一些小分子物質(zhì)，如離絲氬酸內(nèi)酯(AHL)衍生物、寡肽、一丁內(nèi)酯等， 能自由進(jìn)出綁胞或通過(guò)寡肽通透酶分泌到環(huán)境

7、中，在環(huán)境中積累。3.2具種屬特異性革蘭氏陰性菌的高絲氨酸內(nèi)酯沒(méi)有特異性，一種細(xì)菌的調(diào)節(jié)蛋白能響應(yīng)多種不同的信息 素?fù)?jù)此已建立了多種革蘭氏陰性菌信息素檢測(cè)系統(tǒng)；革蘭氏陽(yáng)性菌的寡肽類(lèi)信息素則一般 沒(méi)有這種交叉反應(yīng)。3.3對(duì)生長(zhǎng)期和細(xì)胞密度具依賴(lài)性一般在生長(zhǎng)的對(duì)數(shù)期或穩(wěn)定期，在環(huán)境中積累達(dá)到較高濃度，其所調(diào)節(jié)的基因表達(dá)量最 大，而且穩(wěn)定期培養(yǎng)物的無(wú)細(xì)胞提取物能夠誘導(dǎo)培養(yǎng)期(細(xì)菌密度較低)的培養(yǎng)物生理狀況的 改變。3.4在細(xì)菌感染過(guò)程中具調(diào)控作用許多信息素產(chǎn)生菌是動(dòng)植物致病菌或共生菌，它在細(xì)菌和宿主之間的相互作用中起著重 要的調(diào)控作用。如金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aerus )在

8、調(diào)控哺乳動(dòng)物細(xì)胞凋亡過(guò)程 中，依賴(lài)于高絲氨酸內(nèi)酯信息素和環(huán)境因子控制的毒素蛋白(Agr)和調(diào)節(jié)蛋白(Sar)因子，這 兩個(gè)基因發(fā)生突變的菌株可以進(jìn)入細(xì)胞，但不能誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。3.5其他信息素的抗生素活性，如乳酸球菌(Lactococcuslastis)產(chǎn)生的乳鏈球菌素nisin，不但 作為信息調(diào)節(jié)細(xì)胞生物合成和免疫基因的表達(dá)，也作為抗生索拈抗其他微生物。植物乳球菌 (plantarun)產(chǎn)生的植物乳桿菌素A也有信息素和抗生素的雙重活性。4細(xì)菌群體感應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的分類(lèi)大部分細(xì)菌有兩套QS系統(tǒng)，一套用于種內(nèi)信息交流，一套用于種問(wèn)信息交流。革蘭陰性 菌常利用高絲氨酸內(nèi)酯類(lèi)物質(zhì)(acyl-honoser

9、ine lactones，AHI )作為種內(nèi)交流的AI信號(hào)分 子，革蘭陽(yáng)性菌則多利用小分子多肽(antoinducingpeptides，AIP)作為種內(nèi)交流的AI信號(hào) 分子。還有一種自誘導(dǎo)物質(zhì)被稱(chēng)之為AI-2，其結(jié)構(gòu)是呋喃酮酰硼酸二酯(furanosyl borate diester)，在革蘭陰性菌與革蘭陽(yáng)性菌均存在，被用于種問(wèn)信息交流。另外，最近研究 發(fā)現(xiàn)，有些細(xì)菌利用兩種甚至三種不同的信號(hào)分子調(diào)節(jié)自身群體行為。這說(shuō)明群體感應(yīng)機(jī)制 是極為復(fù)雜的，要想全面了解并利用細(xì)菌群體感應(yīng)系統(tǒng)，還有許多工作要做?？?。根據(jù)自誘導(dǎo) 分子的不同，細(xì)菌QS系統(tǒng)分為3種類(lèi)型，一類(lèi)是革蘭氏陰性菌以酰基高絲氨酸內(nèi)酯

10、(acyl-honoserinelactone，AHL)類(lèi)物質(zhì)為自誘導(dǎo)分子的QS系統(tǒng)，一類(lèi)是革蘭氏陽(yáng)性菌以寡 肽類(lèi)物質(zhì)為自誘導(dǎo)分子的QS系統(tǒng);另外一類(lèi)是存在于革蘭陰性菌和革蘭陽(yáng)性菌中以呋喃酰硼 酸二酯為自誘導(dǎo)分子的QS系統(tǒng)。口下面我們將對(duì)細(xì)菌種內(nèi)、種間的信息交流分別做一介紹。4.1革蘭陰性菌感知種內(nèi)信息的QS系統(tǒng)此類(lèi)群感效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)主要基于對(duì)海洋費(fèi)氏弧菌(fischeri)的發(fā)光研究，其調(diào)控機(jī)制需要 兩種組分的參與：LuxI蛋白和LuxR蛋白。其中Luxl蛋白負(fù)責(zé)信號(hào)分子AHL的合成，而LuxR蛋 白則結(jié)合AHL并激活熒光素酶基因的轉(zhuǎn)錄。在菌體濃度上升的同時(shí)，會(huì)伴隨著AHL分子濃度的 增加，達(dá)到

11、微摩爾濃度閾值時(shí)，就會(huì)與LuxR蛋白結(jié)合，結(jié)合復(fù)合物再去激活熒光素酶基因的 啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄。以AHI為信號(hào)分子的Qs系統(tǒng)在革蘭陰性菌中，控制著多種細(xì)菌功能，如： 弗氏弧菌和夏威夷弧菌的生物發(fā)光;植物腫脹病菌的rri質(zhì)粒轉(zhuǎn)移;液化沙雷菌的云涌現(xiàn)象； 銅綠假單胞菌中的生物膜形成和毒力因子的產(chǎn)生；歐文菌和假單胞菌的抗生素合成；假結(jié)核 耶爾森菌的細(xì)胞聚集及運(yùn)動(dòng)等。革蘭陰性菌中負(fù)責(zé)種內(nèi)信號(hào)傳遞的震分子，除了 AHL外，還 有其他分子，如青枯(Raldtonia solanacear-am)有另一種信號(hào)分子三羥棕櫚酸甲酯，與AHI 一起控制細(xì)菌毒力基因的表達(dá)。近來(lái)還發(fā)現(xiàn)2-庚基-3-羥基-4-喹琳、二酮毗嗪D

12、KP(Diket0piperazine)、一丁酸內(nèi)酯在不同細(xì)菌中起著類(lèi)似于AHI的作用，這說(shuō)明了。、 系統(tǒng)信號(hào)分子存在多樣性。此外，革蘭陰性菌的QS系統(tǒng)信號(hào)傳導(dǎo)途徑也存在多樣性，如： 銅綠假單胞菌含二套QS系統(tǒng)(Lasl/LasR和rhlI/rhlR)用于種內(nèi)信息交流，AHI首先激活 Las系統(tǒng)，產(chǎn)生大量毒力因子，而后興奮rhl系統(tǒng)，使其也加入調(diào)控毒力因子的行列中；腸道 沙門(mén)菌本身不能產(chǎn)生AHI，但具有AHL受體蛋白(SdiA)，能感知其他細(xì)菌釋放的AHI9圖2革蘭氏陰性茵群體感應(yīng)系統(tǒng)模式圖4.2革蘭陽(yáng)性菌感知種內(nèi)信息的QS系統(tǒng)G+菌的Qs系統(tǒng)與G-菌不同，通過(guò)分泌修飾后的寡肽類(lèi)物質(zhì)作為信號(hào)分

13、子感應(yīng)菌群密度和 環(huán)境因子的變化，并將環(huán)境信息傳遞給雙組分信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)(two component system，TCS)， 后者再調(diào)控相關(guān)基因的表達(dá)。信號(hào)因子被稱(chēng)為自誘導(dǎo)肽(autoinducingpeptides，AIPs)，AIP 與TCS組成的群體感應(yīng)系統(tǒng)也被稱(chēng)為三組分系統(tǒng)(圖3)。其原理是前導(dǎo)肽合成并被修飾成 成熟的寡肽信號(hào)(AIP)，AlP不能自由穿越細(xì)胞膜，需ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(ATPBinding cassette ex porter protein)或其他膜通道蛋白協(xié)助才能跨越胞膜。卬】這種成熟的肽通過(guò)ATP一結(jié)合盒 轉(zhuǎn)運(yùn)復(fù)合物分泌到細(xì)胞外，當(dāng)寡肽在胞外達(dá)到某一特定濃度時(shí)，雙組分

14、感應(yīng)識(shí)別元件就會(huì)探 測(cè)到這種信號(hào)分子。寡肽信號(hào)分子的檢測(cè)系統(tǒng)是傳感激酶，它識(shí)別信號(hào)分子并在自身一個(gè)保 守的組氨酸殘基上進(jìn)行磷酸化，然后再將磷酸基團(tuán)信號(hào)傳遞給下游的反應(yīng)調(diào)節(jié)蛋白天冬氨酸 殘基上。磷酸化的反應(yīng)調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合特異的目的啟動(dòng)子，從而調(diào)控某些基因的表達(dá)。與革蘭 氏陰性細(xì)菌一樣，每一種革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌都分泌有別于其它細(xì)菌的信號(hào)分子，并且都有特有 的信號(hào)識(shí)別因子。因此，由寡肽介導(dǎo)的群體感應(yīng)系統(tǒng)是一種細(xì)菌種內(nèi)交流的方式。多數(shù)寡肽 介導(dǎo)的群體感應(yīng)，其信號(hào)分子是由前肽加工而來(lái)，然后再進(jìn)一步加工成含有內(nèi)酯、硫代酯環(huán)、 羊毛硫氨酸類(lèi)的物質(zhì)?？? 目前還未發(fā)現(xiàn)革蘭氏陽(yáng)性菌產(chǎn)生AHL的例子。圖3革蘭氏陽(yáng)性菌群

15、體感應(yīng)系統(tǒng)模式圖4. 3細(xì)菌中感知種間信息的QS系統(tǒng)自然界中，細(xì)菌所處的小生態(tài)環(huán)境往往是相當(dāng)復(fù)雜的，通常是在一個(gè)很小的空間內(nèi)有多 種細(xì)菌共存，各細(xì)菌間既有共生關(guān)系也有競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，譬如在1克泥土內(nèi)就有400余種細(xì)菌。若 細(xì)菌只能在同種之間進(jìn)行信息交流，就很難建立一個(gè)在菌種數(shù)量上有一定比例，功能上有一 定分工的多細(xì)菌群落，也就很難形成一個(gè)穩(wěn)定的小生態(tài)環(huán)境。Bassler的研究首先揭示了，細(xì) 菌能依靠QS系統(tǒng)進(jìn)行種間信息交流。該研究發(fā)現(xiàn)夏威夷弧菌的QS系統(tǒng)除能識(shí)別種內(nèi)的AHL 分子外，還能識(shí)別AI一2信號(hào)分子，而AI-2可被多種細(xì)菌合成(包括革蘭陽(yáng)性菌和革蘭陰性菌)， AI-2和AHI一樣，能通過(guò)QS

16、系統(tǒng)調(diào)控夏威夷弧菌的生物發(fā)光功能?，F(xiàn)已證實(shí)，有40多種細(xì)菌 能合成并感知AI- 2,也就是說(shuō)它們能利用AI一2進(jìn)行種間交流。AI-2合成酶由luxS基因編碼， 該基因有高度保守的特性，各菌間的堿基序列同源性很高。AI-2的化學(xué)結(jié)構(gòu)是呋喃酮酰硼酸 二酯，其合成底物是腺苷甲硫氨酸(SAM)，在luxS編碼的合成酶作用下先生成AI2前體，在 硼離子參與下形成呋喃酮酰硼酸二酯。AI-2的信號(hào)傳遞方式與AIP相似，也由膜上的雙組分激 酶識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別，經(jīng)過(guò)一系列的磷酸基團(tuán)傳遞，最終使胞漿受體蛋白磷酸化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)靶 基因的調(diào)控。細(xì)菌可通過(guò)AI2感知周邊多種細(xì)菌的存在情況，感知競(jìng)爭(zhēng)壓力，對(duì)自身行為 做出調(diào)整

17、，如大腸埃希菌O157： H7、霍亂弧菌、腦膜炎奈瑟菌中的毒性基因表達(dá)；發(fā)光桿 菌屬中的抗生素合成。9 5細(xì)菌群體感應(yīng)系統(tǒng)的功能研究發(fā)現(xiàn)QS系統(tǒng)調(diào)控細(xì)菌的許多功能，如病原菌胞外酶與毒素的生成、生物被膜的形成 及耐藥性的產(chǎn)生等。11 另有研究表明，群體感應(yīng)參與細(xì)菌種群競(jìng)爭(zhēng)，孢子生成，抗生素生產(chǎn)， 致病因子誘導(dǎo)，細(xì)胞分化，致病菌感染過(guò)程的營(yíng)養(yǎng)分配以及其他許多生理反應(yīng)的調(diào)控。最近 通過(guò)蛋白質(zhì)組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)引起肺結(jié)核、囊性纖維化等疾病的銅綠假單胞菌 (Pseudomonasaeruginosa)的致病力與其群體感應(yīng)有關(guān)。Webb等人研究表明，某些原核生物 的細(xì)胞膜可通過(guò)群體感應(yīng)行使類(lèi)似多細(xì)胞生物的功能。

18、10 HodgIkinson等稱(chēng)QS為細(xì)菌的“語(yǔ) 言”，其主要作用就在于通過(guò)QSSM在細(xì)胞與細(xì)胞之間傳遞信號(hào)。Qs可以傳播有關(guān)菌群密度的 信息，進(jìn)一步研究顯示，這僅是其功能的一部分，QS還可以參與同種細(xì)菌細(xì)胞之間、不同種 細(xì)菌細(xì)胞之間、細(xì)菌細(xì)胞與真菌細(xì)胞問(wèn)、細(xì)菌與真核細(xì)胞間信號(hào)的傳遞。當(dāng)QssM在環(huán)境中的 濃度達(dá)到一定閾值時(shí)，即可通過(guò)與病原菌細(xì)胞內(nèi)相關(guān)的受體結(jié)合發(fā)揮自動(dòng)傳感作用，信號(hào)受 體復(fù)合物與信號(hào)合成基因的啟動(dòng)子區(qū)域結(jié)合，誘導(dǎo)信號(hào)分子合成并發(fā)揮一系列作用。口QS系統(tǒng)對(duì)細(xì)菌生物被膜形成的調(diào)控細(xì)菌生物被膜(biofi lm，BF)是指粘附于生物醫(yī)學(xué)材料或機(jī)體粘膜表面的細(xì)菌及由其分泌 的藻酸鹽多

19、聚糖基質(zhì)包裹形成的被膜狀細(xì)菌群體。近年研究表明，80%以上的人類(lèi)細(xì)菌感染 與生物被膜有關(guān)，細(xì)菌生物被膜的形成是臨床細(xì)菌感染難以治愈和反復(fù)發(fā)作的重要原因之一。 uQs是細(xì)菌通過(guò)監(jiān)測(cè)其群體的細(xì)胞密度來(lái)調(diào)節(jié)其特定的基因表達(dá)，以保證細(xì)菌生物膜中營(yíng)養(yǎng) 物質(zhì)的運(yùn)輸和廢物的排出，避免細(xì)菌過(guò)度生長(zhǎng)而造成空間和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)缺乏，為功能性生物膜 的形成提供了保證。13革蘭陰性菌生物被膜的形成受到以AHL為信號(hào)分子的QS系統(tǒng)調(diào)控，該 系統(tǒng)由信號(hào)分子與相應(yīng)的信號(hào)分子受體所組成。如在銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa PA)中QS系統(tǒng)有l(wèi)asI/lasR、rhlI/rhlR兩個(gè)信號(hào)系統(tǒng)，lasI、rh

20、lI與lasR. rhlR基因分別編 碼不同的信號(hào)分子合成酶與信號(hào)分子受體。信號(hào)分子隨著細(xì)菌密度的增加而分泌增加，當(dāng)信 號(hào)分子達(dá)到一定閾值時(shí)，信號(hào)分子與相應(yīng)的信號(hào)分子受體結(jié)合并激活受體，激活的受體再激 活相關(guān)的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)子，合成胞外多糖、毒性因子及藻酸鹽等，使細(xì)菌聚集形成生物被膜。QS 系統(tǒng)對(duì)革蘭陽(yáng)性菌生物被膜的調(diào)節(jié)是利用寡肽類(lèi)物質(zhì)作為信號(hào)分子，該信號(hào)分子修飾后可被 雙組分感應(yīng)蛋白識(shí)別，通過(guò)該蛋白的磷酸化及去磷酸化調(diào)控目的基因表達(dá)，進(jìn)而調(diào)節(jié)生物被 膜的形成。口QS系統(tǒng)對(duì)細(xì)菌外排泵的調(diào)節(jié)細(xì)菌主動(dòng)外排泵可有效地排出進(jìn)入菌體的抗生素，在細(xì)菌多重耐藥中發(fā)揮著重要作用。 細(xì)菌主動(dòng)外排泵一般由3部分組成，由

21、外到內(nèi)分別是外膜通道蛋白、融合蛋白和胞質(zhì)膜外排 蛋白，在能量的參與下融合蛋白連接外膜通道蛋白和胞質(zhì)膜外排蛋白，將包括抗生素在內(nèi)的 外來(lái)物及其代謝物選擇性或非選擇性的排出菌外。一方面，QS系統(tǒng)可調(diào)節(jié)外排泵基因的表 達(dá)。例如，對(duì)脆弱擬桿菌ATCC25285在有或無(wú)自誘導(dǎo)分子C6-HSL和會(huì)-質(zhì)1存在的情況下進(jìn) 行體外培養(yǎng)，在培養(yǎng)的對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期晚期對(duì)其生長(zhǎng)性、藥敏、外排泵基因bmeB表達(dá)和生物被 膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)QS系統(tǒng)自誘導(dǎo)分子受體LuxR可對(duì)外源性的AHL作出響應(yīng)，上調(diào) bmeB外排泵的表達(dá)，而形成對(duì)抗生素的耐藥。另一方面，QS系統(tǒng)自身也受到外排泵表達(dá)水 平的影響。已知病原體大腸埃希菌固有

22、和獲得性耐藥主要是受幾個(gè)外排泵調(diào)控的，如bmeB 外排泵過(guò)量表達(dá)能造成菌體對(duì)B-內(nèi)酰胺類(lèi)和喹諾酮類(lèi)的高度耐藥。而部分外排泵(如RND) 將藥物排出胞外形成耐藥的同時(shí)也可御、系統(tǒng)自誘導(dǎo)分子排出胞外，提高其胞外自誘導(dǎo)分子 的濃度，表現(xiàn)為細(xì)菌感染的加重，這提示外排泵的高表達(dá)可促使QS系統(tǒng)可能進(jìn)一步激活，促 進(jìn)了。、系統(tǒng)對(duì)毒素、感染因子合成與外排泵的表達(dá)的調(diào)控作用，增強(qiáng)細(xì)菌的感染性與侵襲力。 115.3同種細(xì)菌細(xì)胞間的交流微生物的致病性基本依賴(lài)于其產(chǎn)生并釋放毒素以破壞宿主的功能。但這些細(xì)胞外代謝產(chǎn) 物會(huì)導(dǎo)致微生物本身被宿主免疫系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)并殺滅，然而當(dāng)細(xì)菌總數(shù)達(dá)到一定量后所產(chǎn)生的毒 素又可挫敗宿主免疫系統(tǒng)

23、。因此細(xì)菌必須在達(dá)到足夠量前，避免因?yàn)楫a(chǎn)生與釋放毒素而被機(jī) 體感知。Qs在同一種屬細(xì)菌細(xì)胞之間進(jìn)行著信息的交換，感知環(huán)境中細(xì)菌數(shù)的密度，從而決 定細(xì)菌的行為與表型，包括生物被膜的形成、產(chǎn)生外毒素、毒力決定子的表達(dá)、繁殖、營(yíng)養(yǎng) 攝取、色素生成、細(xì)菌的致病性與致死率，與其他細(xì)菌的共生等。雖然這些行為理論上可 由單個(gè)細(xì)菌細(xì)胞獨(dú)自完成，但是群體協(xié)作使工作效率更高。另外，在同種細(xì)菌菌體間的交流 中，也存在著群體欺騙(social cheating)現(xiàn)象。如Sandoz發(fā)現(xiàn)，雖然Qs缺陷的銅綠假單胞 菌突變株信號(hào)分子生成減少，但是臨床上突變株的檢出率并未因此而減少，相反是越來(lái)越多。 雖然單獨(dú)培養(yǎng)QS缺陷的

24、銅綠假單胞菌突變株，其毒力下降，但在有Qs陽(yáng)性細(xì)菌存在的情況下， 突變株的感染毒力卻并沒(méi)有降低。目前關(guān)于這個(gè)問(wèn)題相對(duì)合理的解釋是突變株細(xì)菌在。，群體 協(xié)作時(shí)可以發(fā)生“欺騙”（cheat）。在銅綠假單胞菌感染的環(huán)境中，QS釋放到細(xì)胞外環(huán)境， 引起QS陽(yáng)性株應(yīng)答并產(chǎn)生相應(yīng)的產(chǎn)物釋放到環(huán)境中，使微環(huán)境發(fā)生改變，這樣不僅是生產(chǎn)者 本身，其QS缺陷的“鄰居”也可以因此更具生存優(yōu)勢(shì)。QS陽(yáng)性株所產(chǎn)生的Qs分子釋放至環(huán)境 中，可上調(diào)菌群毒力，增加菌群營(yíng)養(yǎng)的供給等，提高了菌群的生存率。而Qs缺陷的突變株雖 然不對(duì)Qs信號(hào)產(chǎn)生應(yīng)答，且不產(chǎn)生相應(yīng)的產(chǎn)物，但它們卻可以通過(guò)這種“欺騙”行為從QS 陽(yáng)性菌株的產(chǎn)物中獲益

25、，因此它們更具有群體適應(yīng)性的優(yōu)勢(shì)。Qs缺陷株由于感知與傳遞信號(hào) 功能障礙，信號(hào)分子生成減少，不參與群體細(xì)胞增殖與毒素產(chǎn)生等行為，宿主免疫系統(tǒng)不易 感知并清除這類(lèi)細(xì)菌，因此這也可能是此類(lèi)細(xì)菌能夠定植于機(jī)體并造成慢性持續(xù)性感染的原 因?？?.4不同種細(xì)菌間的交流QS可以在兩種或兩種以上的細(xì)菌之間進(jìn)行信息傳遞。不同種類(lèi)的細(xì)菌之間可能通過(guò)分泌 相同或相似的信號(hào)分子，在共生環(huán)境下，其中某種信號(hào)分子可以作用于另一種或幾種細(xì)菌， 產(chǎn)生相應(yīng)的作用，這種現(xiàn)象也被稱(chēng)為“交叉對(duì)話”（cmss-talk）。兩種不同的G-菌，例如， 銅綠假單胞菌和洋蔥伯克零爾德菌可同時(shí)感染囊性纖維化肺，這與其高發(fā)病率和死亡率直接 相關(guān)

26、。研究表明銅綠假單胞菌產(chǎn)生的AHLs作用于洋蔥伯克零爾德菌，可以上調(diào)其毒素產(chǎn)物。 這也解釋了這兩種細(xì)菌同時(shí)感染時(shí)它們總毒力增高的原因QS信號(hào)的交叉通訊不僅局限于G+ 菌之間。共生的G-菌與G+菌之間也存在交流，例如，銅綠假單胞菌和金黃葡萄球菌也可共存 于囊性纖維化肺，來(lái)自前者的AHIJs可以影響后者產(chǎn)生毒素，同時(shí)前者的AQs還可以誘導(dǎo)金黃 葡萄球菌小集落變種的形成，這種小集落變種可以增強(qiáng)金黃葡萄球菌對(duì)抗生素的耐藥性?？?6細(xì)菌群體感應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的最新發(fā)現(xiàn)6.1群體感應(yīng)抑制劑目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過(guò)許多途徑可以感染可以干擾細(xì)菌的群體感應(yīng)系統(tǒng)，并減弱與細(xì)菌耐性 相關(guān)因素的產(chǎn)生。大致有以下三種：（1）產(chǎn)生可以

27、是AHL分子滅活的AHL降解酶，使病原菌 QS系統(tǒng)不能啟動(dòng)它所調(diào)控的基因，如AHL-lactonase，可以破壞?；呓z氨酸內(nèi)酯類(lèi)分子的 高絲氨酸內(nèi)酯環(huán)使之失活；（2）利用QS系統(tǒng)中的信號(hào)分子來(lái)誘發(fā)抗性，這在植物中比較常 見(jiàn)；（3）產(chǎn)生病原菌信號(hào)分子的類(lèi)似物與信號(hào)分子受體蛋白競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合來(lái)阻斷病原菌系 統(tǒng)。6.2群體感應(yīng)抑制劑的作用機(jī)制和特性不同微生物產(chǎn)生的AHL信號(hào)分子有著高度的保守性，它們都含有相同的高絲氨酸內(nèi)酯環(huán)狀 結(jié)構(gòu)，不同之處是碳鏈長(zhǎng)短不一，?；鶄?cè)鏈上的取代基不一樣。在這些群體感應(yīng)淬滅酶中， 內(nèi)酯酶和脫羧酶可以在標(biāo)有1和2的位置上水解內(nèi)酯環(huán)使之成為?；呓z氨酸，而?；D(zhuǎn)移酶 和脫氨酶可

28、以在3和4位置作用，使高絲氨酸內(nèi)酯環(huán)與?；鶄?cè)鏈分離生成脂肪酸和高絲氨酸內(nèi) 酯（見(jiàn)圖4）。然而目前只鑒定出?；呓z氨酸內(nèi)酯酶和酰基高絲氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶。它們分別 水解內(nèi)酯環(huán)和酰氨鍵。盡管對(duì)PON酶降解AHL的作用機(jī)制尚不甚了解，但是PON酶（如PON l和 PON3）對(duì)多種內(nèi)酯的水解能力已經(jīng)得到證實(shí)131。通過(guò)序列比對(duì)和基因突變分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)催 化作用非常重要的HxDHHD結(jié)構(gòu)域在所有的AHL內(nèi)酯酶中高度保守。這個(gè)結(jié)構(gòu)域與許多金 屬水解酶中Zn2+結(jié)合結(jié)構(gòu)域（HxHxDH）有相似之處。最近nomas的報(bào)道指出，從蘇云金芽孢桿菌 中得到的AHL內(nèi)酯酶確實(shí)是一個(gè)金屬蛋白酶，結(jié)合zn2+離子對(duì)酶活性至關(guān)重

29、要31。另外， 不含有HxDHHD結(jié)構(gòu)域的PON酶的活性受Ca2+濃度的影響，表明它可能采用特有的催化機(jī) 制。AHL內(nèi)酯酶和PON類(lèi)內(nèi)酯酶的底物譜也有不同。PoN酶更像是廣譜性的水解酶，能水解各 種酯和內(nèi)酯。人PON l酶能夠水解有機(jī)磷殺蟲(chóng)劑、神經(jīng)制劑、芳香族羧酸酯、環(huán)酯、烷基內(nèi)酯。 而兔PON3酶也能催化水解芳香族羧酸酯、環(huán)酯、烷基內(nèi)酯，但對(duì)芳香族羧酸酯的活性比較低。 但芽孢桿菌240B，的AHL內(nèi)酯酶只對(duì)各種AHL表現(xiàn)出很強(qiáng)的酶活性。對(duì)于AHL酰氨酶的酶催化 機(jī)制和底物特異性相關(guān)報(bào)道還不是很多。從Ralstoniasp. XJ12B中得到的由aiiD編碼的AHL ?；D(zhuǎn)移酶與頭孢菌素酰氨酶

30、和其佃-末端(N-terinal,Ntn)水解酶具有很高的序列同源性。 在AHL酰氨酶的底物特異性的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),AiiD蛋白降解碳鏈大于8的長(zhǎng)鏈信號(hào)分子的能力明 顯優(yōu)于碳鏈小于6的短鏈信號(hào)分子。切圖4 AHL結(jié)構(gòu)及其降解途徑7細(xì)菌群體感應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的應(yīng)用前景現(xiàn)在已經(jīng)證實(shí)，細(xì)菌內(nèi)存在細(xì)胞與細(xì)胞之間的交流是很正常的，對(duì)這一現(xiàn)象的了解是研 究所有微生物的基礎(chǔ)，包括工業(yè)微生物和醫(yī)用微生物。7.1病蟲(chóng)害的生物防治病蟲(chóng)害的生物防治是目前細(xì)菌群體感應(yīng)控制技術(shù)應(yīng)用的主要方面。亞葡萄球菌屬，如抗 二甲氨基苯青霉素的金黃色葡萄球菌(Staphylococcus, aureus)，目前仍是最為常見(jiàn)的條件 致病菌之一。

31、其群體感應(yīng)系統(tǒng)在其毒性基因表達(dá)，菌體生物膜的形成中發(fā)揮重要的作用。而 菌體生物膜又可以使病原菌更加耐受逆境中的沖擊和抗生素的攻擊。Balaban等人發(fā)現(xiàn)，在 培養(yǎng)基中加入一種群體感應(yīng)抑制劑RIP(一種RNAIII型抑制肽)可以抑制S.aurgusC”和上皮 葡萄球菌 珀(Staphylococcus, epidermidis)的生長(zhǎng)和發(fā)育，干擾毒性基因apr的表達(dá)， 同時(shí)病原菌合成生物膜的能力降低。實(shí)驗(yàn)表明，將RIP和抗生素結(jié)合注入小鼠體內(nèi)可以顯著 提高抗生素的功效。蘇云金芽孢桿菌(Bacillus thuringiensis，簡(jiǎn)稱(chēng)Bt)對(duì)病原菌的生防能 力部分源于它產(chǎn)生的AHL-lacton

32、ase，這種酶可水解AHL的內(nèi)酯鍵，使病原菌的群體信號(hào)機(jī)制 失活。研究表明，Bt并不抑制E. carotovora本身的生長(zhǎng)，而是抑制它的致病力。Molina 等人將編碼AHL-lactonase基因aiiA導(dǎo)入熒光假單胞菌，重組的熒光假單胞菌因此具備了抑 制細(xì)菌病害發(fā)生的能力。本實(shí)驗(yàn)室也MBt中克隆出編碼AHL-lactonase的aliA基因，并且 發(fā)現(xiàn)表達(dá)aiiA-GST融合基因的重組大腸桿菌可以顯著抑制歐文氏菌引起的病癥，轉(zhuǎn)aliA基因 的轉(zhuǎn)基因擬南芥的抗病性鑒定也取得了積極的結(jié)果。抑制有害水生菌的生長(zhǎng)也是群體感應(yīng)控 制技術(shù)的潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。Pasmore和Losterton-2從To

33、zmazios海灣中篩選出多種能降解 Cymnodiniumcatertatum的菌株，其中包括可生成AI-2的PseudoDZonas ssp(然而在此AI 一2的生成與細(xì)菌的抗真菌活性無(wú)關(guān))oValle：等人研究表明，活性污泥法處理工業(yè)廢水時(shí)， 細(xì)菌群體感應(yīng)可改變污水的化學(xué)特性，向活性淤泥中加入AHL后，其苯酚降解能力有所提高。 然而，又有證據(jù)表明，AI一2和AHL都與食品中革蘭氏陰性菌的生物膜合成無(wú)關(guān)，上述研究表 明群體感應(yīng)機(jī)制是復(fù)雜的，有時(shí)甚至是矛盾的，尤其是在生防方面。四7.2在細(xì)菌病防治的應(yīng)用許多動(dòng)物病原菌依賴(lài)群體感應(yīng)系統(tǒng)調(diào)控致病基因和毒性因子的表達(dá)，導(dǎo)致植物發(fā)病。所 以以病原菌群

34、體感應(yīng)系統(tǒng)信號(hào)分子為靶標(biāo)，通過(guò)干擾和破壞病原菌的群體感應(yīng)系統(tǒng)，可以有 效的削弱病原菌的致病力。干擾病原菌群體感應(yīng)系統(tǒng)的途徑大致有以下三種：一是寄主產(chǎn)生 降解病原菌信號(hào)分子的酶，阻斷病原菌的群體感應(yīng)通道。二是寄主產(chǎn)生病原菌信號(hào)分子的類(lèi) 似物，與信號(hào)分子受體蛋白競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合，阻斷群體感應(yīng)通道。三是利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，將信號(hào) 合成基因?qū)爰闹鳎闹骺梢源罅亢铣扇后w感應(yīng)信號(hào)分子，在病原菌還不具備侵染能力之前 寄主就啟動(dòng)其防御系統(tǒng)，提高植物的抗性。12 8.總結(jié)與展望群體感應(yīng)系統(tǒng)，使作為單細(xì)胞生物的細(xì)菌，具備了部分類(lèi)似于多細(xì)胞生物的功能，讓細(xì) 菌在應(yīng)對(duì)環(huán)境挑戰(zhàn)時(shí)，能協(xié)調(diào)一致，以群體的力量共同完成一些單個(gè)或浮游狀細(xì)菌無(wú)法完成 的功能，大大地提高了生存概率。綜