第6章 群體感應(yīng)系統(tǒng)課件

第六章

微生物群體感應(yīng)系統(tǒng)及其應(yīng)用課時(shí)：4學(xué)時(shí)

授課方式：講授＋討論開課時(shí)間：2014年秋季學(xué)期第6章群體感應(yīng)系統(tǒng)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)的研究歷史第6章群體感應(yīng)系統(tǒng)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)象也被稱為細(xì)胞密

度基因表達(dá)

(cell

density

dependent

control

of

gene

expression)第6章群體感應(yīng)系統(tǒng)群體感應(yīng)調(diào)節(jié)示意圖信號分子臨界濃度基因表達(dá)生物行為調(diào)節(jié)群體感應(yīng)的定義第6章群體感應(yīng)系統(tǒng)

QS信號分子特點(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：Lactococcuslastis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)的定義第6章群體感應(yīng)系統(tǒng)

QS信號分子分類(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)的定義第6章群體感應(yīng)系統(tǒng)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)展第6章群體感應(yīng)系統(tǒng)

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)展第6章群體感應(yīng)系統(tǒng)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)信號物質(zhì)和生理行為的聯(lián)系，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)的研究意義第6章群體感應(yīng)系統(tǒng)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EnvironmentalMicrobiologyReports(2013)5(6),778–786群體感應(yīng)的研究意義第6章群體感應(yīng)系統(tǒng)群體感應(yīng)(quorum

sensing,

QS)種內(nèi)QS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)制第6章群體感應(yīng)系統(tǒng)

革蘭氏陰性菌QS系統(tǒng)—LuxI-AHL型自誘導(dǎo)分子：脂肪酰基高絲氨酸內(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)制第6章群體感應(yīng)系統(tǒng)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，信號分子接近濃度閾值信號分子通過細(xì)胞膜的方式：自由擴(kuò)散群體感應(yīng)的分子機(jī)制第6章群體感應(yīng)系統(tǒng)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)，形成級聯(lián)放大正反饋反應(yīng)群體感應(yīng)的分子機(jī)制第6章群體感應(yīng)系統(tǒng)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)制第6章群體感應(yīng)系統(tǒng)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，差別只是酰基側(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)制第6章群體感應(yīng)系統(tǒng)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)制第6章群體感應(yīng)系統(tǒng)革蘭氏陽性菌的QS系統(tǒng)—AIP-TCS三組分系統(tǒng)信號分子：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雙組份信號交換系統(tǒng)：

Two-componentsignal

transductionsystem,

TCSTS)群體感應(yīng)的分子機(jī)制第6章群體感應(yīng)系統(tǒng)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（ATPbindingcassette）轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)群體感應(yīng)的分子機(jī)制第6章群體感應(yīng)系統(tǒng)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加工為短肽信號分子，由ABC輸出系統(tǒng)輸出，被AgrCTCSTS識別，引起毒性因子表達(dá)群體感應(yīng)的分子機(jī)制第6章群體感應(yīng)系統(tǒng)

種間QS系統(tǒng)——AI-2介導(dǎo)的通信信號分子：AI-2（呋喃酰硼酸二酯類化合物）此類信號分子在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)菌識別AI-2分子方式與革蘭式陽性菌中雙組分識別系統(tǒng)一致，即雙組份激酶識別AI-2分子后把磷酸化基團(tuán)傳遞給受體蛋白并啟動(dòng)相關(guān)基因表達(dá)群體感應(yīng)的分子機(jī)制第6章群體感應(yīng)系統(tǒng)

種間QS系統(tǒng)——AI-2介導(dǎo)的通信群體感應(yīng)的分子機(jī)制第6章群體感應(yīng)系統(tǒng)

種間QS系統(tǒng)——AI-2介導(dǎo)的通信群體感應(yīng)的分子機(jī)制第6章群體感應(yīng)系統(tǒng)

QS系統(tǒng)的特點(diǎn)—多樣性信號分子分布多樣性：細(xì)菌種內(nèi)、種間；細(xì)菌與植物、動(dòng)物間信號分子產(chǎn)生機(jī)制多樣性：G-菌—信號分子合成酶，G+菌—前體，經(jīng)蛋白酶切割信號分子運(yùn)輸多樣性：G+菌—ABC轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，G-菌—直接透過細(xì)胞膜信號多樣性：G+菌—雙組份信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)；G-菌—受體蛋白信號分子功能復(fù)雜性：有的QS系統(tǒng)信號分子不僅作為環(huán)境信號，而且具有其他功能（如某些乳酸菌QS系統(tǒng)的信號分子具有抗菌活性）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)，該信號分子系統(tǒng)與G-菌相似，而信號分子的識別與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)制第6章群體感應(yīng)系統(tǒng)生物發(fā)光生物膜形成致病因子產(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)第6章群體感應(yīng)系統(tǒng)

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，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罕見食性魚類的危險(xiǎn)大得多群體感應(yīng)的生物效應(yīng)第6章群體感應(yīng)系統(tǒng)

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)第6章群體感應(yīng)系統(tǒng)

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)酰基高絲氨酸在許多變形細(xì)菌中扮演著群體感應(yīng)信號的角色，而該信號常常可以控制細(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，會對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)第6章群體感應(yīng)系統(tǒng)

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.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)第6章群體感應(yīng)系統(tǒng)

對宿主侵襲和定植（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)第6章群體感應(yīng)系統(tǒng)

宿主侵襲和定植(例4：宿主致病體系中群體感應(yīng)社會生物學(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)第6章群體感應(yīng)系統(tǒng)

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)第6章群體感應(yīng)系統(tǒng)群體感應(yīng)的應(yīng)用第6章群體感應(yīng)系統(tǒng)

病原菌診斷根據(jù)QS信號分子特異性：是否產(chǎn)生、種類、環(huán)境信號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/抑制信號分子：產(chǎn)生可以使AHL滅活的AHL酶使用信號分子類似物：產(chǎn)生病原菌信號分子類似物，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)用第6章群體感應(yīng)系統(tǒng)

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)用第6章群體感應(yīng)系統(tǒng)

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信號分子添加?；D(zhuǎn)移酶（信號分子分解劑）的膜壓變化；添加轉(zhuǎn)移酶后信號分子的培養(yǎng)情況群體感應(yīng)的應(yīng)用第6章群體感應(yīng)系統(tǒng)

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)用第6章群體感應(yīng)系統(tǒng)

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-MBR）水阻力指標(biāo)遠(yuǎn)小于未添加的群體感應(yīng)的應(yīng)用第6章群體感應(yīng)系統(tǒng)生物修復(fù)(例3：信號分子參與苯酚分解轉(zhuǎn)化）研究發(fā)現(xiàn)，PseudomonasaeruginosaCGMCC

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)信號分子AHL研究對分解過程產(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)用第6章群體感應(yīng)系統(tǒng)生物修復(fù)(例3：信號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)用第6章群體感應(yīng)系統(tǒng)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)