群體感應(yīng)系統(tǒng)專題培訓(xùn)課件

1、主要內(nèi)容群體感應(yīng)的概念群體感應(yīng)的分子機(jī)制群體感應(yīng)的生物效應(yīng)群體感應(yīng)的應(yīng)用群體感應(yīng)的研究歷史群體感應(yīng)的定義群體感應(yīng) (quorum sensing, QS)微生物間通過分泌、釋放一些特定的信號(hào)分子，感知濃度變化， 監(jiān)測菌群密度、調(diào)控菌群生理功能，從而適應(yīng)環(huán)境條件的一種信號(hào)交流機(jī)制，又稱細(xì)胞交流或自誘導(dǎo) (Auto-induce) 群體感應(yīng)調(diào)節(jié)細(xì)菌釋放自誘導(dǎo)物質(zhì) (Auto-inducer, AI) 的信號(hào)分子臨界濃度時(shí)，AI能啟動(dòng)菌體相關(guān)基因的表達(dá)，調(diào)控細(xì)菌的生物行為（產(chǎn)生毒素、生物膜、抗生素、孢子、熒光等），使其調(diào)節(jié)自身行為以適應(yīng)環(huán)境變化感應(yīng)現(xiàn)象在細(xì)菌密度達(dá)到一定閾值 后發(fā)生，這一現(xiàn)象也被稱為

2、細(xì)胞密 度基因表達(dá) (cell density dependent control of gene expression) 群體感應(yīng)調(diào)節(jié)示意圖信號(hào)分子臨界濃度基因表達(dá)生物行為調(diào)節(jié)群體感應(yīng)的定義 QS信號(hào)分子特點(diǎn)分子量?。喝珲；?高絲氨酸內(nèi)酯(AHL)衍生物、寡肽等，能自由進(jìn)出細(xì)胞或通過寡肽通透酶分泌到環(huán)境種屬特異性：一種細(xì)菌調(diào)節(jié)蛋白能響應(yīng)多種信息素，已建立多種革蘭氏陰性菌信息素檢測系統(tǒng)依賴生長期和細(xì)胞密度：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)量最大細(xì)菌感染調(diào)控：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)控作用兼具抗生素活性：Lact

3、ococcus lastis產(chǎn)生的乳鏈球菌素nisin，既作為信息調(diào)節(jié)細(xì)胞生物合成和免疫基因的表達(dá)，也拮抗其他微生物；植物乳球菌 (L. plantarum) 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群體感應(yīng)的定義 QS信號(hào)分子分類(1) 革蘭氏陽性菌中多肽AIP (2) 革蘭氏陰性菌的AHL/AI-1型(3) LuxS/AI-2型 (4) AI-3/ 腎上腺素/去甲腎上腺素群體感應(yīng)的定義1970年，Nealson等首次發(fā)現(xiàn)費(fèi)式弧菌（Vibrio fischeri） 的生物發(fā)光現(xiàn)象 V. fischeri與某些海生動(dòng)物共生，宿主利用其發(fā)光撲獲食 物、躲避天敵，同時(shí)V. fischeri

4、獲得營養(yǎng)豐富的環(huán)境 1983年，Engebrecht等找到了費(fèi)式弧菌群體感應(yīng)的相關(guān) 基因和群體模型群體感應(yīng)的研究進(jìn)展 20世紀(jì)90年代初，QS研究開始大部分細(xì)菌均有兩套群體感應(yīng)系統(tǒng)：一套用于種內(nèi)信息交流，一套用于種間信息交流QS調(diào)節(jié)細(xì)菌的生理功能：如生物發(fā)光、毒素的產(chǎn)生、質(zhì)粒的轉(zhuǎn)移、根瘤菌的結(jié)瘤、抗生素合成QS調(diào)控細(xì)菌的多種生活習(xí)性：如質(zhì)粒的接合轉(zhuǎn)移、生物膜形成、孢子形成、細(xì)胞分化、運(yùn)動(dòng)性、胞外多糖形成QS參與致病菌的毒力因子誘導(dǎo)、細(xì)菌與真核生物的共生、抗生素與細(xì)菌素合成等與人類關(guān)系密切的細(xì)菌生理特性群體感應(yīng)的研究進(jìn)展了解單細(xì)胞微生物的信息交流與行為特性關(guān)系，建立化學(xué)信號(hào)物質(zhì)和生理行為的聯(lián)系，

5、例如：齲齒周圍生物膜形成參與的菌種，所有細(xì)菌均參與群體感應(yīng) Nature Reviews, Biotechnology群體感應(yīng)的研究意義 通過人為干擾或促進(jìn)微生物群體感應(yīng)而調(diào)控某種功能， 在環(huán)境科學(xué)和工程研究中意義重要群體感應(yīng)可以促進(jìn)胞外聚合物(EPS)中胞外DNA (eDNA)的大量釋放，產(chǎn)生的eDNA促進(jìn)細(xì)胞間和細(xì)胞與表面的互聯(lián)，促使生物膜有效形成研究表明，可通過有效抑制破壞胞外聚合物的eDNA，抑制生物膜形成Environmental Microbiology Reports (2013) 5(6), 778786群體感應(yīng)的研究意義群體感應(yīng) (quorum sensing, QS)種內(nèi)Q

6、S系統(tǒng)種間QS系統(tǒng)G-菌QS系統(tǒng)G+菌QS系統(tǒng) QS 系統(tǒng)分類群體感應(yīng)的分子機(jī)制 革蘭氏陰性菌QS系統(tǒng)LuxI-AHL型自誘導(dǎo)分子：脂肪?；呓z氨酸內(nèi)酯（acyl homoserine lactones, AHL）AI合成蛋白（LuxI蛋白酶）：可催化帶有酰基載體蛋白的?；鶄?cè)鏈與S-腺苷蛋氨酸上的高絲 氨酸結(jié)合生成AHL受體（LuxR蛋白酶）：AHL與 IuxR蛋白結(jié)合為濃度依賴型； 無AHL時(shí)，LuxR無活性， 且很快被降解掉群體感應(yīng)的分子機(jī)制革蘭氏陰性菌QS系統(tǒng)LuxI-AHL型AHL可自由出入細(xì)胞體內(nèi)外細(xì)胞達(dá)到一定密度，信號(hào)分子接近濃度閾值信號(hào)分子通過細(xì)胞膜的方式：自由擴(kuò)散群體感應(yīng)的分子

7、機(jī)制革蘭氏陰性菌QS系統(tǒng)LuxI-AHL型AHL-LuxR復(fù)合物作為轉(zhuǎn)錄因子，激活目標(biāo)基因的表達(dá)還可激活LuxI的表達(dá)，形成級(jí)聯(lián)放大正反饋反應(yīng)群體感應(yīng)的分子機(jī)制革蘭氏陰性菌QS系統(tǒng)LuxI-AHL型AHL合成及LuxR結(jié)合作用示意圖群體感應(yīng)的分子機(jī)制革蘭氏陰性菌QS系統(tǒng)LuxI-AHL型不同革蘭陰性菌的LuxI-AHL型QS系統(tǒng)有所差別，其AHL類自誘導(dǎo)劑都以高絲氨酸為主體，差別只是?；鶄?cè)鏈的有無、側(cè)鏈的有無及側(cè)鏈的長短不同費(fèi)式弧菌 LuxI-LuxR 型QS系統(tǒng) 示意圖群體感應(yīng)的分子機(jī)制革蘭氏陰性菌QS系統(tǒng)LuxI-AHL型 常見的AHL分子及其功能群體感應(yīng)的分子機(jī)制革蘭氏陽性菌的QS系統(tǒng)A

8、IP-TCS三組分系統(tǒng)信號(hào)分子：AIP（autoinducing peptides，自誘導(dǎo)肽） AIP前體肽經(jīng)轉(zhuǎn)錄一系列修飾加工， 在不同細(xì)菌中形成長短不同、 穩(wěn)定特異的AIP雙組份信號(hào)交換系統(tǒng)： Two-component signal transduction system, TCSTS)群體感應(yīng)的分子機(jī)制革蘭氏陽性菌QS系統(tǒng)AIP-TCS三組分系統(tǒng)AIP通過細(xì)胞膜的方式：ABC（ATP binding cassette）轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)群體感應(yīng)的分子機(jī)制革蘭氏陽性菌QS系統(tǒng)ATP-TCS三組分系統(tǒng)金黃色葡萄球菌的雙組份QS系統(tǒng)AIP 分子由體內(nèi)產(chǎn)生前導(dǎo)肽AgrD 蛋白加工，被膜通道蛋白AgrB加

9、工為短肽信號(hào)分子，由ABC輸出系統(tǒng)輸出，被AgrC TCSTS識(shí)別，引起毒性因子表達(dá)群體感應(yīng)的分子機(jī)制 種間QS系統(tǒng)AI-2介導(dǎo)的通信信號(hào)分子：AI-2（呋喃酰硼酸二酯類化合物）此類信號(hào)分子在G+菌和G-菌中均存在費(fèi)式弧菌AI-2受體是周質(zhì)結(jié)合蛋白LuxPAI-2產(chǎn)生依賴于一種LuxS蛋白質(zhì)細(xì)菌識(shí)別AI-2分子方式與革蘭式陽性菌中雙組分識(shí)別系統(tǒng)一致，即雙組份激酶識(shí)別AI-2分子后把磷酸化基團(tuán)傳遞給受體蛋白并啟動(dòng)相關(guān)基因表達(dá)群體感應(yīng)的分子機(jī)制 種間QS系統(tǒng)AI-2介導(dǎo)的通信群體感應(yīng)的分子機(jī)制 種間QS系統(tǒng)AI-2介導(dǎo)的通信群體感應(yīng)的分子機(jī)制 QS系統(tǒng)的特點(diǎn)多樣性信號(hào)分子分布多樣性：細(xì)菌種內(nèi)、種間

10、；細(xì)菌與植物、動(dòng)物間信號(hào)分子產(chǎn)生機(jī)制多樣性：G-菌信號(hào)分子合成酶，G+菌前體，經(jīng)蛋白酶切割信號(hào)分子運(yùn)輸多樣性：G+菌ABC轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，G-菌直接透過細(xì)胞膜信號(hào)多樣性：G+菌雙組份信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)；G-菌受體蛋白信號(hào)分子功能復(fù)雜性：有的QS系統(tǒng)信號(hào)分子不僅作為環(huán)境信號(hào)，而且具有其他功能（如某些乳酸菌QS系統(tǒng)的信號(hào)分子具有抗菌活性）系統(tǒng)組成復(fù)雜性：在V.harveryi中發(fā)現(xiàn)與眾不同的QS系統(tǒng)，該信號(hào)分子系統(tǒng)與G-菌相似，而信號(hào)分子的識(shí)別與G+菌相似QS系統(tǒng)之間關(guān)系復(fù)雜性：多種QS系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，如P.aeruginosa中含有3個(gè)QS系統(tǒng) QS系統(tǒng)的特點(diǎn)復(fù)雜性群體感應(yīng)的分子機(jī)制生物發(fā)光生物膜形

11、成致病因子產(chǎn)生抗生素合成毒力因子誘導(dǎo)細(xì)菌宿主侵襲孢子形成不同種屬競爭細(xì)菌運(yùn)動(dòng)群體感應(yīng)的生物效應(yīng) 生物發(fā)光（例1：海洋細(xì)菌用光引誘浮游動(dòng)物和魚）細(xì)菌發(fā)光吸引浮游生物（攝食細(xì)菌但不能消化細(xì)菌），繼續(xù)在浮游動(dòng)物腸道內(nèi)發(fā)光，透露了浮游動(dòng)物的存在夜行魚容易檢測到發(fā)光浮游動(dòng)物并吃掉它們，發(fā)光細(xì)菌繼續(xù)存活在魚腸道PNAS, 109(3),853-857, 2012浮游動(dòng)物被細(xì)菌光輝吸引并食用發(fā)光物質(zhì)與它們的生存本能矛盾，增加了被魚攻擊與吞食的機(jī)會(huì)，調(diào)節(jié)細(xì)菌生物發(fā)光的群體感應(yīng)現(xiàn)象能解釋這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)浮游動(dòng)物知道，水中光暗示存在有表面長有細(xì)菌的豐富有機(jī)物在漆黑深海中，食物數(shù)量非常有限，因此，值得浮游動(dòng)物冒在接觸并吞食

12、具發(fā)光細(xì)菌粒子使自己發(fā)光的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)殡y得找到食物的誘惑要比將自己暴露于相對(duì)罕見食性魚類的危險(xiǎn)大得多群體感應(yīng)的生物效應(yīng) 生物發(fā)光（例1：海洋細(xì)菌用光引誘浮游動(dòng)物和魚）（左）室溫下和（右）黑暗中拍攝到的接觸并攝食發(fā)光細(xì)菌的浮游微生物 幾種浮游微生物被發(fā)光細(xì)菌吸引的平均比例 被捕食的發(fā)光（黑色）和不發(fā)光（無色）的浮游生物平均數(shù)量（左）室溫下和（右）黑暗中拍攝到的食用發(fā)光細(xì)菌后浮游生物的排泄物PNAS, 109(3),853-857,2012群體感應(yīng)的生物效應(yīng) 生物膜形成調(diào)控（例2：幫助細(xì)菌擴(kuò)大地盤）銅綠假單胞菌，是一種常見的革蘭氏陰性致病菌，群體感應(yīng)系統(tǒng)可以使其感知環(huán)境中菌群數(shù)量，并做出及時(shí)反應(yīng)酰基

13、高絲氨酸在許多變形細(xì)菌中扮演著群體感應(yīng)信號(hào)的角色，而該信號(hào)常?？梢钥刂萍?xì)菌進(jìn)行群體的致病性等活性綠膿桿菌的群體感應(yīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)子發(fā)生改變，會(huì)對(duì)綠膿桿菌的菌落生態(tài)學(xué)有明顯影響研究者測定了群體感應(yīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)基因的編碼特征和細(xì)菌分離的生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系，結(jié)果表明，群體感應(yīng)系統(tǒng)在細(xì)菌進(jìn)行棲息地延伸的過程中扮演著重要角色為理解細(xì)菌的致病性以及難根除的感染性疾病機(jī)制提供了新思路PNAS, /cgi/doi/10.1073/pnas.1214128109 ,2012群體感應(yīng)的生物效應(yīng) 生物膜形成調(diào)控（例2：幫助細(xì)菌擴(kuò)大地盤）PNAS, /cgi/doi/10.1073/pnas.1214128109 ,2012P

14、.Aeruginosa 和生態(tài)環(huán)境分離菌的群感基因相互關(guān)系韋恩圖 4種環(huán)境分離菌基因調(diào)控相互關(guān)系圖群感活性基因的表達(dá)群體感應(yīng)的生物效應(yīng) 對(duì)宿主侵襲和定植（例3：霍亂弧菌的侵襲和定植）霍亂弧菌：菌體少量時(shí)，有利于早期定植，之后細(xì)胞密度增大，信號(hào)分子濃度增高，HapR表達(dá)，有利于病原體的釋放群體感應(yīng)的生物效應(yīng) 宿主侵襲和定植(例4：宿主致病體系中群體感應(yīng)社會(huì)生物學(xué))Current Biology, 24(20),2417-2422, 2014微生物通過分泌物質(zhì)來實(shí)現(xiàn)與相鄰細(xì)胞的合作，這些物質(zhì)包括群感分子和相應(yīng)激活的毒力因子自然系統(tǒng)中，這些分泌物質(zhì)可被無效突變體利用，但是無效突變體（數(shù)量與規(guī)模）無法

15、與有效菌群抗?fàn)幯芯勘砻鳎琎S淬滅劑可在臨床有效應(yīng)用而不影響毒力進(jìn)化群體感應(yīng)的生物效應(yīng) 細(xì)菌群集運(yùn)動(dòng)群集運(yùn)動(dòng)是指細(xì)菌以群體方式在培養(yǎng)基表面由接種點(diǎn)向周圍進(jìn)行的依賴鞭毛的遷移運(yùn)動(dòng)QS通過調(diào)控鞭毛操縱子FIHDC而調(diào)節(jié)細(xì)胞群集運(yùn)動(dòng)細(xì)胞群集決定了FIHDC蛋白的活化，是全面調(diào)節(jié)鞭毛和運(yùn)動(dòng)相關(guān)的趨化作用基因 群體感應(yīng)的生物效應(yīng)群體感應(yīng)的應(yīng)用 病原菌診斷根據(jù)QS信號(hào)分子特異性：是否產(chǎn)生、種類、環(huán)境信號(hào)分子消長變化物理學(xué)的檢測手段和微生物傳感菌檢測 新的抗菌策略降解/抑制信號(hào)分子：產(chǎn)生可以使AHL滅活的AHL酶使用信號(hào)分子類似物：產(chǎn)生病原菌信號(hào)分子類似物，阻斷病原菌QS系統(tǒng) 環(huán)境污染修復(fù)控制生物膜形成：防止

16、生物淤積、管道腐蝕、水體污染環(huán)境污染修復(fù)：功能菌群體感應(yīng)有效競爭其他微生物群體感應(yīng)的應(yīng)用 控制生物膜形成（例1：調(diào)節(jié)廢水處理反應(yīng)器運(yùn)行）通過調(diào)節(jié)群體感應(yīng)、控制生物膜形成和生物淤積、提高反應(yīng)器運(yùn)行效果和壽命ES&T, 43,380-385, 2009生物淤積會(huì)導(dǎo)致膜生物反應(yīng)器流動(dòng)性差、堵塞、壽命減低生物淤積的成因?yàn)樯锬さ拇罅啃纬裳芯刻岢鐾ㄟ^添加群體感應(yīng)信號(hào)分子分解物質(zhì)，使群感系統(tǒng)活性降低，來控制生物淤積，提高反應(yīng)器運(yùn)行效果和壽命群體感應(yīng)的應(yīng)用 控制生物膜形成（例1：調(diào)節(jié)廢水處理反應(yīng)器運(yùn)行）ES&T, 43(2),380-385, 2009反應(yīng)器內(nèi)不同時(shí)間段檢測的AHL信號(hào)分子添加酰基轉(zhuǎn)移酶（信

17、號(hào)分子分解劑）的膜壓變化；添加轉(zhuǎn)移酶后信號(hào)分子的培養(yǎng)情況群體感應(yīng)的應(yīng)用 控制生物膜形成（例2：調(diào)節(jié)廢水處理反應(yīng)器運(yùn)行）Water research , 47,187-196, 2013將?；纸饷腹潭ㄓ谀し磻?yīng)器中(QQ-MBR)，EEM熒光圖譜顯示生物膜EMP, LB/TB-胞外分泌物以及膜污垢含量大大低于未固定群體感應(yīng)猝滅劑的反應(yīng)器（Control-MBR）群體感應(yīng)的應(yīng)用 控制生物膜形成（例2：調(diào)節(jié)廢水處理反應(yīng)器運(yùn)行）Water research , 47,187-196, 2013群體感應(yīng)淬滅反應(yīng)器中，運(yùn)行效果未受任何影響由于對(duì)生物膜的破壞，生物淤積得到明顯控制，添加淬滅劑的反應(yīng)器（QQ-

18、MBR）水阻力指標(biāo)遠(yuǎn)小于未添加的群體感應(yīng)的應(yīng)用 生物修復(fù) (例3：信號(hào)分子參與苯酚分解轉(zhuǎn)化）研究發(fā)現(xiàn)，Pseudomonas aeruginosa CGMCC 氧化分解苯酚等一些列芳香族化合物時(shí)，釋放出群體感應(yīng)信號(hào)分子AHL研究對(duì)分解過程產(chǎn)生的AHL類型進(jìn)行一系列分析鑒定薄層液相色譜分析AHL類型Process Biochemistry, 45,1944-1948，2010HPLC-MS-MS分析AHL的類型群體感應(yīng)的應(yīng)用 生物修復(fù) (例3：信號(hào)分子參與苯酚分解轉(zhuǎn)化）研究發(fā)現(xiàn)，外加合成的AHL有效促進(jìn)苯酚的分解過程，說明AHL參與了污染物的分解Process Biochemistry, 45,1944-1948，2010添加合成的AHL對(duì)苯酚分解影響（圖為50小時(shí)的分解效果）群體感應(yīng)的應(yīng)用 生物修復(fù) (例4：厭氧氨氧化細(xì)菌群體感應(yīng)系統(tǒng)）厭氧氨氧化細(xì)菌（AAOB）以銨為電子供體將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮?dú)饣钚悦芏纫蕾囆袨椋篈AOB厭氧氨氧化純培養(yǎng)不可能；細(xì)胞密度高于1010 -1011 個(gè)/mL 時(shí)，AAOB才顯現(xiàn)出Anammox 活性生物團(tuán)聚行為：以微生物團(tuán)聚體形式存在，出現(xiàn)抱團(tuán)解散現(xiàn)象