細(xì)菌群體感應(yīng)系統(tǒng)及其應(yīng)用課件

細(xì)菌群體感應(yīng)系統(tǒng)(xìtǒng)及其應(yīng)用第一頁，共二十三頁。1.群體感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)(fāxiàn)及研究意義目錄(mùlù)4.小結(jié)(xiǎojié)及展望3.群體感應(yīng)在控制病原菌中的應(yīng)用2.群體感應(yīng)系統(tǒng)的分類及機(jī)制第二頁，共二十三頁。群體感應(yīng)(gǎnyìng)的發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)70年代，海洋細(xì)菌費(fèi)氏弧菌(Vibriofiscberi)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(guān)(xiāngguān)，引發(fā)了關(guān)于群體感應(yīng)的猜想1994年Fuqua等提出了群體感應(yīng)(quorumsensing，QS)這一概念第三頁，共二十三頁。群體感應(yīng)(gǎnyìng)的發(fā)現(xiàn)第四頁，共二十三頁。

細(xì)菌之間存在信息交流，許多細(xì)菌都能合成并釋放一種被稱為自誘導(dǎo)物質(zhì)(autoinducer，AI)的信號分子，胞外的AI濃度能隨細(xì)菌密度的增加而增加，當(dāng)信號達(dá)到一定的濃度閾值時，能啟動菌體中相關(guān)(xiāngguān)基因的表達(dá)來適應(yīng)環(huán)境的變化，如芽胞桿菌中感受態(tài)與芽胞形成、病原細(xì)菌胞外酶與毒素產(chǎn)生、生物膜形成、菌體發(fā)光、色素產(chǎn)生、抗生素形成等，我們將這一現(xiàn)象稱為群體感應(yīng)(quorumsensing，QS)第五頁，共二十三頁。群體感應(yīng)(gǎnyìng)的研究意義

了解單細(xì)胞微生物的信息交流與行為特性的關(guān)

系，建立起化學(xué)(huàxué)信號物質(zhì)和生理行為之間的聯(lián)系

通過人為地干擾或促進(jìn)微生物的群體感應(yīng)系統(tǒng)，

從而調(diào)控其某種功能，以達(dá)成實(shí)際意義上的應(yīng)

用第六頁，共二十三頁。群體(qúntǐ)感應(yīng)系統(tǒng)的分類G-菌QS系統(tǒng)(xìtǒng)G+菌QS系統(tǒng)(xìtǒng)種間QS系統(tǒng)種內(nèi)QS系統(tǒng)群體感應(yīng)QS系統(tǒng)由自誘導(dǎo)分子、感應(yīng)分子及下游調(diào)控蛋白組成。從已有的研究成果看，大部分細(xì)菌一般均有兩套群體感應(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；根據(jù)細(xì)菌合成的自誘導(dǎo)分子和感應(yīng)機(jī)制不同，QS系統(tǒng)主要分為3種：寡肽類物質(zhì)(AIP)N-?；呓z氨酸內(nèi)酯（AHL)呋喃酰硼酸二酯第七頁，共二十三頁。種內(nèi)交流(jiāoliú)：G-的QS系統(tǒng)LuxI蛋白(dànbái)是AI合成酶，能夠合成信號分子N-酰基高絲氨酸內(nèi)酯（AHL）LuxR蛋白是細(xì)胞質(zhì)內(nèi)AI感受因子，也是一種DNA結(jié)合轉(zhuǎn)錄激活元件;其N-端與AHL結(jié)合，C-端則參與(cānyù)寡聚化以及與啟動子DNA的結(jié)合第八頁，共二十三頁。種內(nèi)交流(jiāoliú)：G-的QS系統(tǒng)LuxI產(chǎn)生AHL，自由通過細(xì)胞膜，分泌到胞外AHL隨菌體濃度上升在胞外積累到閾值A(chǔ)HL擴(kuò)散入胞內(nèi)與LuxR蛋白結(jié)合，形成(xíngchéng)AI／LuxR復(fù)合體，并結(jié)合到DNA上，激活發(fā)光基因的啟動子轉(zhuǎn)錄費(fèi)氏弧菌(hújūn)的AHL-LuxI／LuxR型系統(tǒng)：第九頁，共二十三頁。種內(nèi)交流(jiāoliú)：G-的QS系統(tǒng)

革蘭氏陰性菌中，有超過70種的細(xì)菌利用AHL作為胞間交流的信號分子。有超過50種的革蘭氏陰性菌都是利用這種AHL-LuxI/LuxR型系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)胞間的交流。費(fèi)氏弧菌(hújūn)的LuxI/LuxR雙組分系統(tǒng)被視為革蘭氏陰性菌群體感應(yīng)的模式系統(tǒng)。

不同的細(xì)菌產(chǎn)生不同的AHL，差異只在于?；鶄?cè)鏈的長度與結(jié)構(gòu)，高絲氨酸內(nèi)酯部分是相同的。這也造成了微生物在利用AHL信號分子時具有一定的特異性。第十頁，共二十三頁。種內(nèi)交流(jiāoliú)：G+

的QS系統(tǒng)AIP不能自由穿透細(xì)胞壁，需要ABC（ATP-binding-cassette）轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)或其它膜通道蛋白(dànbái)作用到達(dá)胞外行使功能AIP前體肽經(jīng)轉(zhuǎn)錄后的一系列修飾(xiūshì)加工，在不同細(xì)菌內(nèi)形成長短不同、穩(wěn)定、特異的AIPAIP濃度在胞外達(dá)到某一閾值膜上激酶識別信號分子，并促進(jìn)激酶中組氨酸殘基磷酸化經(jīng)過天冬氨酸殘基的傳遞，把磷酸基團(tuán)傳遞給受體蛋白磷酸化的受體蛋白與DNA特定的靶位點(diǎn)結(jié)合，調(diào)控基因表達(dá)第十一頁，共二十三頁。種內(nèi)交流(jiāoliú)：G+的QS系統(tǒng)第十二頁，共二十三頁。種內(nèi)交流(jiāoliú)：G+

的QS系統(tǒng)金黃色葡萄球菌(pútáoqiújūn)的雙組份QS系統(tǒng)：第十三頁，共二十三頁。種間交流(jiāoliú)AI-1由LuxM基因編碼產(chǎn)物催化產(chǎn)生，相應(yīng)的感應(yīng)分子為LuxNAI-2的分子本質(zhì)是呋喃(fūnán)酰硼酸二酯類化合物，感應(yīng)分子為LuxP和

LuxQLuxN和LuxQ均通過LuxU來實(shí)現(xiàn)信號傳遞，LuxU是一種磷酸轉(zhuǎn)移酶，活化后將信號傳遞至調(diào)節(jié)蛋白LuxO，并在另一蛋白LuxR的協(xié)助下，啟動基因的表達(dá)信號(xìnhào)分子信號傳遞及識別第十四頁，共二十三頁。種間交流(jiāoliú)信號分子AI-2：呋喃酰硼酸二酯類化合物細(xì)菌識別AI-2型信號分子的方式與G+中雙組分激酶的識別系統(tǒng)是完全一致的，即雙組分激酶識別AI-2分子后，把磷酸化基團(tuán)傳遞給受體蛋白并啟動相關(guān)基因的表達(dá)AI-2信號分子作用(zuòyòng)廣泛，能夠被多種微生物識別，是不同菌種之間的共同語言，起著微生物種間交流的作用第十五頁，共二十三頁。群體感應(yīng)(gǎnyìng)在控制病原菌中的應(yīng)用微生物對宿主的致病過程復(fù)雜多樣，包括以下幾個可能相互交叉的階段：微生物對宿主的侵襲和定殖、毒力因子的產(chǎn)生和作用于宿主、對宿主免疫和藥物的抵抗。在微生物群體感應(yīng)(gǎnyìng)控制的生命活動中，最引人關(guān)注的是對毒力因子產(chǎn)生和生物膜形成的控制，如果抑制了這兩個作用就可以防止致病菌產(chǎn)生致病作用及增強(qiáng)抗生素的作用效果第十六頁，共二十三頁。毒力因子的產(chǎn)生：腸球菌的主要毒力因子是溶細(xì)胞素，由2個亞單位CylLL和CylLS組成，在胞外以具有毒性的CylLL″和CylLS″形式存在。研究表明，CylLS″擔(dān)任了QS系統(tǒng)機(jī)制(jīzhì)中信號分子的作用。Coburn等發(fā)現(xiàn)，CylLL″優(yōu)先與靶細(xì)胞結(jié)合，導(dǎo)致游離CylLS″的積累并超過誘導(dǎo)閾值，然后激活CylLS表達(dá)，產(chǎn)生高水平的溶細(xì)胞素群體(qúntǐ)感應(yīng)對生物膜形成的控制：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基因分別編碼不同的信號分子合成酶與信號分子受體。信號分子隨著細(xì)菌密度的增加而分泌增加，當(dāng)信號分子達(dá)到一定閾值時，信號分子與相應(yīng)的信號分子受體結(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(yīnzǐ)及藻酸鹽等，使細(xì)菌聚集形成生物被膜第十七頁，共二十三頁。群體感應(yīng)(gǎnyìng)的抑制1.產(chǎn)生可以使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(diào)控的基因內(nèi)酯酶(AHL-1actonase)和酰基轉(zhuǎn)移酶(AHL-acylase)目前都已經(jīng)在一些細(xì)菌中被發(fā)現(xiàn)。內(nèi)酯酶可以水解AHL的內(nèi)酯鍵，生成的N-酰基高絲氨酸內(nèi)酯的生物活性大大降低Dong等經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)和研究從芽孢桿菌(gǎnjūn)(Bacillus240B1)中分離出能夠降解AHL的酶——AiiA。其后研究證明AiiA編碼一個AHL內(nèi)酯水解酶。AiiA蛋白能打開胡蘿卜軟腐歐文氏菌產(chǎn)生的AHL的內(nèi)酯鍵，使軟腐菌的QS系統(tǒng)失靈，由其調(diào)控的致病基因與碳青烯抗生素基因不能表達(dá)，從而大大削弱了該菌的致病力第十八頁，共二十三頁。2.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結(jié)合，從而阻斷病原菌的QS系統(tǒng)

海洋紅藻(Deliseapulchra)產(chǎn)生的鹵化呋喃酮結(jié)構(gòu)和AHL相似，用該鹵化呋喃酮處理V.fiscberi后，其QS系統(tǒng)被競爭性的抑制。另外吡咯酮類化合物、某些取代的HSL化合物、二酮哌嗪類化合物等也能夠起到相類似的作用。在G+菌中，盡管AIP分子調(diào)控許多致病基因的表達(dá)，但目前還沒有專門針對其QS系統(tǒng)的防病策略。僅在金黃色葡萄球菌發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)生不同(bùtónɡ)種類的AIP之間可以相互抑制。因此可以通過設(shè)計(jì)與病菌AIP分子相似的物質(zhì)來破壞其QS統(tǒng)，從而增強(qiáng)植物等的抗病性群體(qúntǐ)感應(yīng)的抑制第十九頁，共二十三頁。3.利用QS系統(tǒng)中的信號分子來誘發(fā)抗性，植物中比較常見豌豆、馬鈴薯、苜蓿屬等植物宿主不僅能產(chǎn)生抑制因子干擾細(xì)菌(xìjūn)QS，還能產(chǎn)生AHL類似物激活QS系統(tǒng)。Schuhegger等研究發(fā)現(xiàn)番茄根際產(chǎn)AHL細(xì)菌(xìjūn)的存在可以誘導(dǎo)植物水楊酸和乙烯依賴的防衛(wèi)反應(yīng)，使植物產(chǎn)生對病原真菌交鏈孢屬病菌(Alternariaalternate)的誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性。這說明細(xì)菌(xìjūn)QS系統(tǒng)的信號分子確實(shí)能夠誘發(fā)植物的一些反應(yīng)，這就為植物抗病性研究提供了新的思路群體(qúntǐ)感應(yīng)的抑制第二十頁，共二十三頁。小結(jié)(xiǎojié)與展望：

群體感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)被視為近20年來微生物研究領(lǐng)域中最重大的進(jìn)展之一。細(xì)菌利用QS調(diào)控系統(tǒng)以群體協(xié)作的方式對種群的社會行為(xíngwéi)產(chǎn)生影響，賦予細(xì)菌類似多細(xì)胞群體行為(xíngwéi)的能力，使之更好地適應(yīng)不斷變化的環(huán)境。QS在農(nóng)業(yè)、生物技術(shù)和醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域展示了廣闊的應(yīng)用前景。第二十一頁，共二十三頁。謝謝(xièxie)第二十二頁，共二十三頁。細(xì)菌群體感應(yīng)系統(tǒng)及其應(yīng)用內(nèi)容(nèiróng)總結(jié)細(xì)菌群體感應(yīng)系