細菌群體感應調節(jié)系統(tǒng)

1、細菌的群體感應調節(jié)系統(tǒng)Quorum sensing蘇曉娜(10 動物丁穎班 201030710318)摘要：傳統(tǒng)觀念認為細菌是一種個體的、非社會性的生物體。近來的研究表明細菌可以產(chǎn)生 化學信號并通過它們實現(xiàn)細菌間信息傳遞。細菌的群體感應調節(jié)系統(tǒng)(Quorum sensing, QS) 調節(jié)著個體細胞之間的相互合作,使其表現(xiàn)出類似多細胞的群體行為。本綜述參考了近幾年 的文獻報道，對QS的發(fā)現(xiàn)、分類、特點、功能、應用及前景等作簡要介紹。關鍵詞：細菌群體感應調節(jié)系統(tǒng)信號傳遞進化應用合作細菌分泌一種或者幾種小分子量的化學信號分子促進細菌個體間相互交流協(xié)調群體行為, 該現(xiàn)象稱為群體感應(quorum s

2、ensing ,QS)。e傳統(tǒng)觀念認為細菌是一種個體的、非社會 性的生活方式。而實際上，細菌往往生活在一個相互作用的群體(Population)中，通過各種 各樣分泌到細胞外的化合物行使著不同類型的相互作用。QS現(xiàn)象是于1977年在一種海 洋發(fā)光細菌Vibrio fischeri中首次發(fā)現(xiàn)的，是細菌通過分泌可溶性信號分子來監(jiān)測群體密 度并協(xié)調細菌生物功能的信息交流機制。3 本文介紹細菌群體感應調節(jié)系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)及研究的 過程，并從中探討研究細菌群體感應調節(jié)系統(tǒng)的意義。1細菌群體感應調節(jié)系統(tǒng)的概念細菌根據(jù)特定信號分子的濃度可以監(jiān)測周圍環(huán)境中自身或其它細菌的數(shù)量變化當信號 達到一定的濃度閾值時，能啟動

3、菌體中相關基因的表達來適應環(huán)境中的變化,這一調控系統(tǒng) 被稱為細菌的群體感應調節(jié)系統(tǒng)。很多細菌會低水平地合成并分泌被稱為自誘導物 (autoinducer)的小分子信號分子，細菌通過這些信號分子進行信息的交流。當信號分子 濃度較低時，它不足以誘導目的基因的表達。但是信號分子的濃度會隨著細菌濃度的增大而 增大，當其濃度達到閾值時，就會誘導一些結構基因表達，同時也誘導其自身合成基因的 表達，產(chǎn)生更多的信號分子來誘導結構基因和自身基因大量表達 如此形成一種正反饋機 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，至少要在營養(yǎng)缺乏的土壤和防御嚴密營養(yǎng)豐富的寄主兩種復雜 生境中交替生活。當病原菌侵染寄主時,必需達到一定的基數(shù)才能侵染成功，因為此時的信號 分子濃度才能啟動侵染寄主起關鍵作用基因的表達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)對自身發(fā)育進行調控，當菌體密度高時，信號分子濃 度相應增高啟動了芽胞形成基因的表達。4圖1那有中群體劇應調肯系統(tǒng) Hg. 1 QiDmin selling in bacteria2細菌群體感應調節(jié)系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)長期以來，人們一直認為僅在多細胞生物中存在著細胞與細胞之間的信息交流，細菌則 是單純地以單個細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氏弧菌 (Photoaterium fuscheri曾用名Vibro fusehei)時，發(fā)現(xiàn)這種細菌可以在自然狀態(tài)下使 烏賊發(fā)光，進一步研究發(fā)現(xiàn)只有當細菌濃度達到一定閾值時才會發(fā)光，且細菌孵育的上清液 也可以誘導這一發(fā)光現(xiàn)象。于是科學家提出假設：細菌可以分泌及感應某些可擴散的小分子 物質，這種小分子物質可傳播有關菌群密度的信息。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一內酰胺類抗生素、碳青霉烯類也可以被AHL調節(jié)舊J。不 少革蘭陰性菌(G一菌)屬的細菌都具有AHL信號系統(tǒng)，其功能各不相同。當然，信號系統(tǒng)也不 僅僅局限于G一菌，有些革蘭陽性菌(

6、G+菌)也擁有細胞外信號分子。信號分子調控P.fischeri 的密度依賴型發(fā)光過程僅在魚類的特定發(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，一是宿主發(fā)光器官豐富的營養(yǎng)促進了?.已，川。高密度 生長，二是細菌分泌的信號分子在狹小的宿主發(fā)光器官中達到了一定的濃度，足以達到細菌 檢測能力水平。隨后研究證實在細菌中，無論革蘭氏陽性菌(G+)還是陰性菌(G-)，都存在 著細胞與細胞之間的信息交流。3細菌群體感應調節(jié)系統(tǒng)的特點3.1分子量小細菌信息素都是一些小分子物質，如離絲氬酸內酯(AHL)衍生物、寡肽、一丁內酯等， 能自由進出綁胞或通過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酯沒有特異性，一種細菌的調節(jié)蛋白能響應多種不同的信息 素據(jù)此已建立了多種革蘭氏陰性菌信息素檢測系統(tǒng)；革蘭氏陽性菌的寡肽類信息素則一般 沒有這種交叉反應。3.3對生長期和細胞密度具依賴性一般在生長的對數(shù)期或穩(wěn)定期，在環(huán)境中積累達到較高濃度，其所調節(jié)的基因表達量最 大，而且穩(wěn)定期培養(yǎng)物的無細胞提取物能夠誘導培養(yǎng)期(細菌密度較低)的培養(yǎng)物生理狀況的 改變。3.4在細菌感染過程中具調控作用許多信息素產(chǎn)生菌是動植物致病菌或共生菌，它在細菌和宿主之間的相互作用中起著重 要的調控作用。如金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aerus )在

8、調控哺乳動物細胞凋亡過程 中，依賴于高絲氨酸內酯信息素和環(huán)境因子控制的毒素蛋白(Agr)和調節(jié)蛋白(Sar)因子，這 兩個基因發(fā)生突變的菌株可以進入細胞，但不能誘導細胞凋亡。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 作為信息調節(jié)細胞生物合成和免疫基因的表達，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細菌群體感應調節(jié)系統(tǒng)的分類大部分細菌有兩套QS系統(tǒng)，一套用于種內信息交流，一套用于種問信息交流。革蘭陰性 菌常利用高絲氨酸內酯類物質(acyl-honoser

9、ine lactones，AHI )作為種內交流的AI信號分 子，革蘭陽性菌則多利用小分子多肽(antoinducingpeptides，AIP)作為種內交流的AI信號 分子。還有一種自誘導物質被稱之為AI-2，其結構是呋喃酮酰硼酸二酯(furanosyl borate diester)，在革蘭陰性菌與革蘭陽性菌均存在，被用于種問信息交流。另外，最近研究 發(fā)現(xiàn)，有些細菌利用兩種甚至三種不同的信號分子調節(jié)自身群體行為。這說明群體感應機制 是極為復雜的，要想全面了解并利用細菌群體感應系統(tǒng)，還有許多工作要做。口。根據(jù)自誘導 分子的不同，細菌QS系統(tǒng)分為3種類型，一類是革蘭氏陰性菌以酰基高絲氨酸內酯

10、(acyl-honoserinelactone，AHL)類物質為自誘導分子的QS系統(tǒng)，一類是革蘭氏陽性菌以寡 肽類物質為自誘導分子的QS系統(tǒng);另外一類是存在于革蘭陰性菌和革蘭陽性菌中以呋喃酰硼 酸二酯為自誘導分子的QS系統(tǒng)?？谙旅嫖覀儗毦N內、種間的信息交流分別做一介紹。4.1革蘭陰性菌感知種內信息的QS系統(tǒng)此類群感效應的發(fā)現(xiàn)主要基于對海洋費氏弧菌(fischeri)的發(fā)光研究，其調控機制需要 兩種組分的參與：LuxI蛋白和LuxR蛋白。其中Luxl蛋白負責信號分子AHL的合成，而LuxR蛋 白則結合AHL并激活熒光素酶基因的轉錄。在菌體濃度上升的同時，會伴隨著AHL分子濃度的 增加，達到

11、微摩爾濃度閾值時，就會與LuxR蛋白結合，結合復合物再去激活熒光素酶基因的 啟動子轉錄。以AHI為信號分子的Qs系統(tǒng)在革蘭陰性菌中，控制著多種細菌功能，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質粒轉移;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；假結核 耶爾森菌的細胞聚集及運動等。革蘭陰性菌中負責種內信號傳遞的震分子，除了 AHL外，還 有其他分子，如青枯(Raldtonia solanacear-am)有另一種信號分子三羥棕櫚酸甲酯，與AHI 一起控制細菌毒力基因的表達。近來還發(fā)現(xiàn)2-庚基-3-羥基-4-喹琳、二酮毗嗪D

12、KP(Diket0piperazine)、一丁酸內酯在不同細菌中起著類似于AHI的作用，這說明了。、 系統(tǒng)信號分子存在多樣性。此外，革蘭陰性菌的QS系統(tǒng)信號傳導途徑也存在多樣性，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)，使其也加入調控毒力因子的行列中；腸道 沙門菌本身不能產(chǎn)生AHI，但具有AHL受體蛋白(SdiA)，能感知其他細菌釋放的AHI9圖2革蘭氏陰性茵群體感應系統(tǒng)模式圖4.2革蘭陽性菌感知種內信息的QS系統(tǒng)G+菌的Qs系統(tǒng)與G-菌不同，通過分泌修飾后的寡肽類物質作為信號分

13、子感應菌群密度和 環(huán)境因子的變化，并將環(huán)境信息傳遞給雙組分信號轉導系統(tǒng)(two component system，TCS)， 后者再調控相關基因的表達。信號因子被稱為自誘導肽(autoinducingpeptides，AIPs)，AIP 與TCS組成的群體感應系統(tǒng)也被稱為三組分系統(tǒng)(圖3)。其原理是前導肽合成并被修飾成 成熟的寡肽信號(AIP)，AlP不能自由穿越細胞膜，需ABC轉運蛋白(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ATP一結合盒 轉運復合物分泌到細胞外，當寡肽在胞外達到某一特定濃度時，雙組分

14、感應識別元件就會探 測到這種信號分子。寡肽信號分子的檢測系統(tǒng)是傳感激酶，它識別信號分子并在自身一個保 守的組氨酸殘基上進行磷酸化，然后再將磷酸基團信號傳遞給下游的反應調節(jié)蛋白天冬氨酸 殘基上。磷酸化的反應調節(jié)蛋白結合特異的目的啟動子，從而調控某些基因的表達。與革蘭 氏陰性細菌一樣，每一種革蘭氏陽性細菌都分泌有別于其它細菌的信號分子，并且都有特有 的信號識別因子。因此，由寡肽介導的群體感應系統(tǒng)是一種細菌種內交流的方式。多數(shù)寡肽 介導的群體感應，其信號分子是由前肽加工而來，然后再進一步加工成含有內酯、硫代酯環(huán)、 羊毛硫氨酸類的物質?？? 目前還未發(fā)現(xiàn)革蘭氏陽性菌產(chǎn)生AHL的例子。圖3革蘭氏陽性菌群

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

16、系統(tǒng)調控夏威夷弧菌的生物發(fā)光功能?，F(xiàn)已證實，有40多種細菌 能合成并感知AI- 2,也就是說它們能利用AI一2進行種間交流。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的化學結構是呋喃酮酰硼酸 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的信號傳遞方式與AIP相似，也由膜上的雙組分激 酶識別系統(tǒng)識別，經(jīng)過一系列的磷酸基團傳遞，最終使胞漿受體蛋白磷酸化，進而實現(xiàn)對靶 基因的調控。細菌可通過AI2感知周邊多種細菌的存在情況，感知競爭壓力，對自身行為 做出調整

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；發(fā)光桿 菌屬中的抗生素合成。9 5細菌群體感應系統(tǒng)的功能研究發(fā)現(xiàn)QS系統(tǒng)調控細菌的許多功能，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，群體感應參與細菌種群競爭，孢子生成，抗生素生產(chǎn)， 致病因子誘導，細胞分化，致病菌感染過程的營養(yǎng)分配以及其他許多生理反應的調控。最近 通過蛋白質組學研究發(fā)現(xiàn)引起肺結核、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有關。Webb等人研究表明，某些原核生物 的細胞膜可通過群體感應行使類似多細胞生物的功能。

18、10 HodgIkinson等稱QS為細菌的“語 言”，其主要作用就在于通過QSSM在細胞與細胞之間傳遞信號。Qs可以傳播有關菌群密度的 信息，進一步研究顯示，這僅是其功能的一部分，QS還可以參與同種細菌細胞之間、不同種 細菌細胞之間、細菌細胞與真菌細胞問、細菌與真核細胞間信號的傳遞。當QssM在環(huán)境中的 濃度達到一定閾值時，即可通過與病原菌細胞內相關的受體結合發(fā)揮自動傳感作用，信號受 體復合物與信號合成基因的啟動子區(qū)域結合，誘導信號分子合成并發(fā)揮一系列作用?？赒S系統(tǒng)對細菌生物被膜形成的調控細菌生物被膜(biofi lm，BF)是指粘附于生物醫(yī)學材料或機體粘膜表面的細菌及由其分泌 的藻酸鹽多

19、聚糖基質包裹形成的被膜狀細菌群體。近年研究表明，80%以上的人類細菌感染 與生物被膜有關，細菌生物被膜的形成是臨床細菌感染難以治愈和反復發(fā)作的重要原因之一。 uQs是細菌通過監(jiān)測其群體的細胞密度來調節(jié)其特定的基因表達，以保證細菌生物膜中營養(yǎng) 物質的運輸和廢物的排出，避免細菌過度生長而造成空間和營養(yǎng)物質缺乏，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為信號分子的QS系統(tǒng)調控，該 系統(tǒng)由信號分子與相應的信號分子受體所組成。如在銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa PA)中QS系統(tǒng)有l(wèi)asI/lasR、rhlI/rhlR兩個信號系統(tǒng)，lasI、rh

20、lI與lasR. rhlR基因分別編 碼不同的信號分子合成酶與信號分子受體。信號分子隨著細菌密度的增加而分泌增加，當信 號分子達到一定閾值時，信號分子與相應的信號分子受體結合并激活受體，激活的受體再激 活相關的轉錄調節(jié)子，合成胞外多糖、毒性因子及藻酸鹽等，使細菌聚集形成生物被膜。QS 系統(tǒng)對革蘭陽性菌生物被膜的調節(jié)是利用寡肽類物質作為信號分子，該信號分子修飾后可被 雙組分感應蛋白識別，通過該蛋白的磷酸化及去磷酸化調控目的基因表達，進而調節(jié)生物被 膜的形成?？赒S系統(tǒng)對細菌外排泵的調節(jié)細菌主動外排泵可有效地排出進入菌體的抗生素，在細菌多重耐藥中發(fā)揮著重要作用。 細菌主動外排泵一般由3部分組成，由

21、外到內分別是外膜通道蛋白、融合蛋白和胞質膜外排 蛋白，在能量的參與下融合蛋白連接外膜通道蛋白和胞質膜外排蛋白，將包括抗生素在內的 外來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)可調節(jié)外排泵基因的表 達。例如，對脆弱擬桿菌ATCC25285在有或無自誘導分子C6-HSL和會-質1存在的情況下進 行體外培養(yǎng)，在培養(yǎng)的對數(shù)生長期晚期對其生長性、藥敏、外排泵基因bmeB表達和生物被 膜結構進行檢測，結果發(fā)現(xiàn)QS系統(tǒng)自誘導分子受體LuxR可對外源性的AHL作出響應，上調 bmeB外排泵的表達，而形成對抗生素的耐藥。另一方面，QS系統(tǒng)自身也受到外排泵表達水 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外排泵調控的，如bmeB 外排泵過量表達能造成菌體對B-內酰胺類和喹諾酮類的高度耐藥。而部分外排泵(如RND) 將藥物排出胞外形成耐藥的同時也可御、系統(tǒng)自誘導分子排出胞外，提高其胞外自誘導分子 的濃度，表現(xiàn)為細菌感染的加重，這提示外排泵的高表達可促使QS系統(tǒng)可能進一步激活，促 進了。、系統(tǒng)對毒素、感染因子合成與外排泵的表達的調控作用，增強細菌的感染性與侵襲力。 115.3同種細菌細胞間的交流微生物的致病性基本依賴于其產(chǎn)生并釋放毒素以破壞宿主的功能。但這些細胞外代謝產(chǎn) 物會導致微生物本身被宿主免疫系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)并殺滅，然而當細菌總數(shù)達到一定量后所產(chǎn)生的毒 素又可挫敗宿主免疫系統(tǒng)

23、。因此細菌必須在達到足夠量前，避免因為產(chǎn)生與釋放毒素而被機 體感知。Qs在同一種屬細菌細胞之間進行著信息的交換，感知環(huán)境中細菌數(shù)的密度，從而決 定細菌的行為與表型，包括生物被膜的形成、產(chǎn)生外毒素、毒力決定子的表達、繁殖、營養(yǎng) 攝取、色素生成、細菌的致病性與致死率，與其他細菌的共生等。雖然這些行為理論上可 由單個細菌細胞獨自完成，但是群體協(xié)作使工作效率更高。另外，在同種細菌菌體間的交流 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，相反是越來越多。 雖然單獨培養(yǎng)QS缺陷的

24、銅綠假單胞菌突變株，其毒力下降，但在有Qs陽性細菌存在的情況下， 突變株的感染毒力卻并沒有降低。目前關于這個問題相對合理的解釋是突變株細菌在。，群體 協(xié)作時可以發(fā)生“欺騙”（cheat）。在銅綠假單胞菌感染的環(huán)境中，QS釋放到細胞外環(huán)境， 引起QS陽性株應答并產(chǎn)生相應的產(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。QS陽性株所產(chǎn)生的Qs分子釋放至環(huán)境 中，可上調菌群毒力，增加菌群營養(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Qs信號產(chǎn)生應答，且不產(chǎn)生相應的產(chǎn)物，但它們卻可以通過這種“欺騙”行為從QS 陽性菌株的產(chǎn)物中獲益

25、，因此它們更具有群體適應性的優(yōu)勢。Qs缺陷株由于感知與傳遞信號 功能障礙，信號分子生成減少，不參與群體細胞增殖與毒素產(chǎn)生等行為，宿主免疫系統(tǒng)不易 感知并清除這類細菌，因此這也可能是此類細菌能夠定植于機體并造成慢性持續(xù)性感染的原 因。口5.4不同種細菌間的交流QS可以在兩種或兩種以上的細菌之間進行信息傳遞。不同種類的細菌之間可能通過分泌 相同或相似的信號分子，在共生環(huán)境下，其中某種信號分子可以作用于另一種或幾種細菌， 產(chǎn)生相應的作用，這種現(xiàn)象也被稱為“交叉對話”（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感染囊性纖維化肺，這與其高發(fā)病率和死亡率直接 相關

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，可以上調其毒素產(chǎn)物。 這也解釋了這兩種細菌同時感染時它們總毒力增高的原因QS信號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，來自前者的AHIJs可以影響后者產(chǎn)生毒素，同時前者的AQs還可以誘導金黃 葡萄球菌小集落變種的形成，這種小集落變種可以增強金黃葡萄球菌對抗生素的耐藥性?？?6細菌群體感應調節(jié)系統(tǒng)的最新發(fā)現(xiàn)6.1群體感應抑制劑目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過許多途徑可以感染可以干擾細菌的群體感應系統(tǒng)，并減弱與細菌耐性 相關因素的產(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)不能啟動它所調控的基因，如AHL-lactonase，可以破壞酰基高絲氨酸內酯類分子的 高絲氨酸內酯環(huán)使之失活；（2）利用QS系統(tǒng)中的信號分子來誘發(fā)抗性，這在植物中比較常 見；（3）產(chǎn)生病原菌信號分子的類似物與信號分子受體蛋白競爭性結合來阻斷病原菌系 統(tǒng)。6.2群體感應抑制劑的作用機制和特性不同微生物產(chǎn)生的AHL信號分子有著高度的保守性，它們都含有相同的高絲氨酸內酯環(huán)狀 結構，不同之處是碳鏈長短不一，?；鶄孺溕系娜〈灰粯?。在這些群體感應淬滅酶中， 內酯酶和脫羧酶可以在標有1和2的位置上水解內酯環(huán)使之成為?；呓z氨酸，而?；D移酶 和脫氨酶可

28、以在3和4位置作用，使高絲氨酸內酯環(huán)與酰基側鏈分離生成脂肪酸和高絲氨酸內 酯（見圖4）。然而目前只鑒定出?；呓z氨酸內酯酶和?；呓z氨酸氨基轉移酶。它們分別 水解內酯環(huán)和酰氨鍵。盡管對PON酶降解AHL的作用機制尚不甚了解，但是PON酶（如PON l和 PON3）對多種內酯的水解能力已經(jīng)得到證實131。通過序列比對和基因突變分析發(fā)現(xiàn)，對催 化作用非常重要的HxDHHD結構域在所有的AHL內酯酶中高度保守。這個結構域與許多金 屬水解酶中Zn2+結合結構域（HxHxDH）有相似之處。最近nomas的報道指出，從蘇云金芽孢桿菌 中得到的AHL內酯酶確實是一個金屬蛋白酶，結合zn2+離子對酶活性至關重

29、要31。另外， 不含有HxDHHD結構域的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 制。AHL內酯酶和PON類內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 種酯和內酯。人PON l酶能夠水解有機磷殺蟲劑、神經(jīng)制劑、芳香族羧酸酯、環(huán)酯、烷基內酯。 而兔PON3酶也能催化水解芳香族羧酸酯、環(huán)酯、烷基內酯，但對芳香族羧酸酯的活性比較低。 但芽孢桿菌240B，的AHL內酯酶只對各種AHL表現(xiàn)出很強的酶活性。對于AHL酰氨酶的酶催化 機制和底物特異性相關報道還不是很多。從Ralstoniasp. XJ12B中得到的由aiiD編碼的AHL 酰基轉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驗中發(fā)現(xiàn),AiiD蛋白降解碳鏈大于8的長鏈信號分子的能力明 顯優(yōu)于碳鏈小于6的短鏈信號分子。切圖4 AHL結構及其降解途徑7細菌群體感應調節(jié)系統(tǒng)的應用前景現(xiàn)在已經(jīng)證實，細菌內存在細胞與細胞之間的交流是很正常的，對這一現(xiàn)象的了解是研 究所有微生物的基礎，包括工業(yè)微生物和醫(yī)用微生物。7.1病蟲害的生物防治病蟲害的生物防治是目前細菌群體感應控制技術應用的主要方面。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)，目前仍是最為常見的條件 致病菌之一。

31、其群體感應系統(tǒng)在其毒性基因表達，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)的生長和發(fā)育，干擾毒性基因apr的表達， 同時病原菌合成生物膜的能力降低。實驗表明，將RIP和抗生素結合注入小鼠體內可以顯著 提高抗生素的功效。蘇云金芽孢桿菌(Bacillus thuringiensis，簡稱Bt)對病原菌的生防能 力部分源于它產(chǎn)生的AHL-lacton

32、ase，這種酶可水解AHL的內酯鍵，使病原菌的群體信號機制 失活。研究表明，Bt并不抑制E. carotovora本身的生長，而是抑制它的致病力。Molina 等人將編碼AHL-lactonase基因aiiA導入熒光假單胞菌，重組的熒光假單胞菌因此具備了抑 制細菌病害發(fā)生的能力。本實驗室也MBt中克隆出編碼AHL-lactonase的aliA基因，并且 發(fā)現(xiàn)表達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aliA基因 的轉基因擬南芥的抗病性鑒定也取得了積極的結果。抑制有害水生菌的生長也是群體感應控 制技術的潛在的應用領域。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的生成與細菌的抗真菌活性無關)oValle：等人研究表明，活性污泥法處理工業(yè)廢水時， 細菌群體感應可改變污水的化學特性，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關，上述研究表 明群體感應機制是復雜的，有時甚至是矛盾的，尤其是在生防方面。四7.2在細菌病防治的應用許多動物病原菌依賴群體感應系統(tǒng)調控致病基因和毒性因子的表達，導致植物發(fā)病。所 以以病原菌群

34、體感應系統(tǒng)信號分子為靶標，通過干擾和破壞病原菌的群體感應系統(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 降解病原菌信號分子的酶，阻斷病原菌的群體感應通道。二是寄主產(chǎn)生病原菌信號分子的類 似物，與信號分子受體蛋白競爭性結合，阻斷群體感應通道。三是利用轉基因技術，將信號 合成基因導入寄主，寄主可以大量合成群體感應信號分子，在病原菌還不具備侵染能力之前 寄主就啟動其防御系統(tǒng)，提高植物的抗性。12 8.總結與展望群體感應系統(tǒng)，使作為單細胞生物的細菌，具備了部分類似于多細胞生物的功能，讓細 菌在應對環(huán)境挑戰(zhàn)時，能協(xié)調一致，以群體的力量共同完成一些單個或浮游狀細菌無法完成 的功能，大大地提高了生存概率。綜