細菌群體感應系統(tǒng)與應用

1、 細菌群體感應系統(tǒng)及其應用細菌群體感應系統(tǒng)與應用第1頁1.群體感應發(fā)覺及研究意義目錄 4.小結及展望3.群體感應在控制病原菌中應用2.群體感應系統(tǒng)分類及機制細菌群體感應系統(tǒng)與應用第2頁群體感應發(fā)覺20世紀70年代，海洋細菌費氏弧菌(Vibrio fiscberi)和哈氏弧菌(V . harveyi) 生物發(fā)光現(xiàn)象Nealson等在1970年首次報道了該菌菌體密度與生物發(fā)光呈正相關，引發(fā)了關于群體感應猜測1994年Fuqua等提出了群體感應(quorum sensing，QS)這一概念細菌群體感應系統(tǒng)與應用第3頁群體感應發(fā)覺細菌群體感應系統(tǒng)與應用第4頁 細菌之間存在信息交流，許多細菌都能合成并釋

2、放一個被稱為自誘導物質(autoinducer，AI)信號分子，胞外AI濃度能隨細菌密度增加而增加，當信號到達一定濃度閾值時，能開啟菌體中相關基因表示來適應環(huán)境改變，如芽胞桿菌中感受態(tài)與芽胞形成、病原細菌胞外酶與毒素產生、生物膜形成、菌體發(fā)光、色素產生、抗生素形成等，我們將這一現(xiàn)象稱為群體感應(quorum sensing，QS)細菌群體感應系統(tǒng)與應用第5頁群體感應研究意義 了解單細胞微生物信息交流與行為特征關 系，建立起化學信號物質和生理行為之間聯(lián)絡 經過人為地干擾或促進微生物群體感應系統(tǒng)， 從而調控其某種功效，以達成實際意義上應 用細菌群體感應系統(tǒng)與應用第6頁群體感應系統(tǒng)分類G-菌QS系統(tǒng)

3、G+菌QS系統(tǒng)種間QS系統(tǒng)種內QS系統(tǒng)群體感應QS 系統(tǒng)由自誘導分子 、 感應分子及下游調控蛋白組成。從已經有研究結果看，大部分細菌普通都有兩套群體感應系統(tǒng)，一套用于種內信息交流，一套用于種間信息交流；依據(jù)細菌合成自誘導分子和感應機制不一樣，QS系統(tǒng)主要分為3 種：寡肽類物質(AIP)N-酰基高絲氨酸內酯（AHL)呋喃酰硼酸二酯細菌群體感應系統(tǒng)與應用第7頁種內交流：G- QS系統(tǒng)LuxI 蛋白是AI合成酶，能夠合成信號分子 N-酰基高絲氨酸內酯（AHL）LuxR蛋白是細胞質內AI感受因子，也是一個DNA結合轉錄激活元件;其 N-端與AHL結合，C-端則參加寡聚化以及與開啟子DNA結合細菌群體感

4、應系統(tǒng)與應用第8頁種內交流：G- QS系統(tǒng)LuxI產生AHL，自由經過細胞膜，分泌到胞外AHL隨菌體濃度上升在胞外積累到閾值AHL擴散入胞內與LuxR蛋白結合，形成AILuxR復合體，并結合到 DNA上，激活發(fā)光基因開啟子轉錄費氏弧菌AHL-LuxILuxR 型系統(tǒng)：細菌群體感應系統(tǒng)與應用第9頁種內交流：G- QS系統(tǒng) 革蘭氏陰性菌中，有超出70種細菌利用 AHL作為胞間交流信號分子。有超出50種革蘭氏陰性菌都是利用這種AHL-LuxI/LuxR 型系統(tǒng)進行細胞間交流。費氏弧菌 LuxI/Lux R雙組分系統(tǒng)被視為革蘭氏陰性菌群體感應模式系統(tǒng)。 不一樣細菌產生不一樣 AHL，差異只在于?；鶄孺?/p>

5、長度與結構，高絲氨酸內酯部分是相同。這也造成了微生物在利用AHL信號分子時含有一定特異性。細菌群體感應系統(tǒng)與應用第10頁種內交流：G+ QS系統(tǒng)AIP不能自由穿透細胞壁，需要ABC（ATP-binding-cassette）轉運系統(tǒng)或其它膜通道蛋白作用抵達胞外行使功效AIP前體肽經轉錄后一系列修飾加工，在不一樣細菌內形成長短不一樣、穩(wěn)定、特異AIPAIP濃度在胞外到達某一閾值膜上激酶識別信號分子，并促進激酶中組氨酸殘基磷酸化經過天冬氨酸殘基傳遞，把磷酸基團傳遞給受體蛋白磷酸化受體蛋白與 DNA 特定靶位點結合，調控基因表示細菌群體感應系統(tǒng)與應用第11頁種內交流：G+ QS系統(tǒng)細菌群體感應系統(tǒng)與

6、應用第12頁種內交流：G+ QS系統(tǒng)金黃色葡萄球菌雙組份QS系統(tǒng)：細菌群體感應系統(tǒng)與應用第13頁種間交流AI-1由LuxM 基因編碼產物催化產生，對應感應分子為LuxNAI-2分子本質是呋喃酰硼酸二酯類化合物，感應分子為 LuxP 和 LuxQLuxN 和 LuxQ 均經過LuxU 來實現(xiàn)信號傳遞 ，LuxU 是一個磷酸轉移酶，活化后將信號傳遞至調整蛋白LuxO，并在另一蛋白LuxR 幫助下，開啟基因表示信號分子信號傳遞及識別細菌群體感應系統(tǒng)與應用第14頁種間交流信號分子AI-2：呋喃酰硼酸二酯類化合物細菌識別AI-2型信號分子方式與G+中雙組分激酶識別系統(tǒng)是完全一致，即雙組分激酶識別 AI-

7、2分子后，把磷酸化基團傳遞給受體蛋白并開啟相關基因表示AI-2信號分子作用廣泛，能夠被各種微生物識別，是不一樣菌種之間共同語言，起著微生物種間交流作用細菌群體感應系統(tǒng)與應用第15頁群體感應在控制病原菌中應用 微生物對宿主致病過程復雜多樣，包含以下幾個可能相互交叉階段：微生物對宿主侵襲和定殖、毒力因子產生和作用于宿主、對宿主免疫和藥品抵抗。 在微生物群體感應控制生命活動中，最引人關注是對毒力因子產生和生物膜形成控制，假如抑制了這兩個作用就能夠預防致病菌產生致病作用及增強抗生素作用效果細菌群體感應系統(tǒng)與應用第16頁毒力因子產生：腸球菌主要毒力因子是溶細胞素，由 2 個亞單位CylLL和CylLS組

8、成，在胞外以含有毒性CylLL 和CylLS形式存在。研究表明，CylLS擔任了QS系統(tǒng)機制中信號分子作用。Coburn等發(fā)覺，CylLL 優(yōu)先與靶細胞結合，造成游離 CylLS積累并超出誘導閾值，然后激活CylLS表示，產生高水平溶細胞素群體感應對生物膜形成控制：銅綠假單胞菌QS系統(tǒng)有l(wèi)asI/lasR、rhlI/rhlR兩個信號系統(tǒng)，lasI、rhlI與lasR、rhlR基因分別編碼不一樣信號分子合成酶與信號分子受體。信號分子伴隨細菌密度增加而分泌增加，當信號分子到達一定閾值時，信號分子與對應信號分子受體結合并激活受體，激活受體再激活相關轉錄調整子，合成胞外多糖、毒性因子及藻酸鹽等，使細菌

9、聚集形成生物被膜細菌群體感應系統(tǒng)與應用第17頁群體感應抑制1.產生能夠使AHL分子滅活AHL降解酶，使病原菌QS系統(tǒng)不 能開啟它所調控基因 內酯酶(AHL-1actonase) 和酰基轉移酶(AHL-acylase) 當前都已經在一些細菌中被發(fā)覺。內酯酶能夠水解AHL內酯鍵，生成N-?；呓z氨酸內酯生物活性大大降低 Dong等經過大量試驗和研究從芽孢桿菌(Bacillus240B1)中分離出能夠降解AHL酶AiiA。其后研究證實AiiA編碼一個AHL內酯水解酶。AiiA蛋白能打開胡蘿卜軟腐歐文氏菌產生AHL內酯鍵，使軟腐菌QS系統(tǒng)失靈，由其調控致病基因與碳青烯抗生素基因不能表示，從而大大減弱了

10、該菌致病力細菌群體感應系統(tǒng)與應用第18頁2.產生病原菌信號分子類似物與信號分子受體蛋 白競爭結合，從而阻斷病原菌QS系統(tǒng)海洋紅藻(Delisea pulchra)產生鹵化呋喃酮結構和AHL相同，用該鹵化呋喃酮處理V. fiscberi后，其QS系統(tǒng)被競爭性抑制。另外吡咯酮類化合物、一些取代HSL化合物、二酮哌嗪類化合物等也能夠起到相類似作用。在G+菌中，盡管AIP分子調控許多致病基因表示，但當前還沒有專門針對其QS系統(tǒng)防病策略。僅在金黃色葡萄球菌發(fā)覺其產生不一樣種類AIP之間能夠相互抑制。所以能夠經過設計與病菌AIP分子相同物質來破壞其QS統(tǒng)，從而增強植物等抗病性群體感應抑制細菌群體感應系統(tǒng)與應用第19頁3.利用QS系統(tǒng)中信號分子來誘發(fā)抗性，植物中比較常見 豌豆、馬鈴薯、苜蓿屬等植物宿主不但能產生抑制因子干擾細菌QS，還能產生AHL類似物激活QS系統(tǒng)。Schuhegger等研究發(fā)覺番茄根際產AHL細菌存在能夠誘導植物水楊酸和乙烯依賴防衛(wèi)反應，使植物產生對病原真菌交鏈孢屬病菌(Alternaria alternate)誘導系統(tǒng)抗性。這說明細菌QS系統(tǒng)信號分子確實能夠誘發(fā)植物一些反應，這就為植物抗病性研究提供了新思緒群體感應抑制細菌群體感應系統(tǒng)與應用第20頁小結與展望： 群體感應現(xiàn)象發(fā)覺被視為近 20 年來微生物研究領