第6章 群體感應系統(tǒng)課件

第六章

微生物群體感應系統(tǒng)及其應用課時：4學時

授課方式：講授＋討論開課時間：2014年秋季學期第6章群體感應系統(tǒng)主要內容群體感應的概念群體感應的分子機制群體感應的生物效應群體感應的應用群體感應的研究歷史第6章群體感應系統(tǒng)群體感應的定義群體感應(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、調控菌群生理功能，從而適應環(huán)境條件的一種信號交流機制，又稱細胞交流或自誘導(Auto-induce)群體感應調節(jié)細菌釋放自誘導物質

(Auto-inducer,

AI)的信號分子臨界濃度時，AI能啟動菌體相關基因的表達，調控細菌的生物行為（產生毒素、生物膜、抗生素、孢子、熒光等），使其調節(jié)自身行為以適應環(huán)境變化感應現象在細菌密度達到一定閾值

后發(fā)生，這一現象也被稱為細胞密

度基因表達

(cell

density

dependent

control

of

gene

expression)第6章群體感應系統(tǒng)群體感應調節(jié)示意圖信號分子臨界濃度基因表達生物行為調節(jié)群體感應的定義第6章群體感應系統(tǒng)

QS信號分子特點分子量?。喝珲；?高絲氨酸內酯(AHL)衍生物、寡肽等，能自由進出細胞或通過寡肽通透酶分泌到環(huán)境種屬特異性：一種細菌調節(jié)蛋白能響應多種信息素，已建立多種革蘭氏陰性菌信息素檢測系統(tǒng)依賴生長期和細胞密度：對數期或穩(wěn)定期在環(huán)境中積累達到較高濃度，其所調節(jié)的基因表達量最大細菌感染調控：許多信息素產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兼具抗生素活性：Lactococcuslastis產生的乳鏈球菌素nisin，既作為信息調節(jié)細胞生物合成和免疫基因的表達，也拮抗其他微生物；植物乳球菌(L.

plantarum)產生的植物乳桿菌素A也有信息素和抗生素的雙重活性群體感應的定義第6章群體感應系統(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的定義第6章群體感應系統(tǒng)1970年，Nealson等首次發(fā)現費式弧菌（Vibrio

fischeri）的生物發(fā)光現象

V.fischeri與某些海生動物共生，宿主利用其發(fā)光撲獲食

物、躲避天敵，同時V.fischeri獲得營養(yǎng)豐富的環(huán)境

1983年，Engebrecht等找到了費式弧菌群體感應的相關基因和群體模型群體感應的研究進展第6章群體感應系統(tǒng)

20世紀90年代初，QS研究開始大部分細菌均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QS調節(jié)細菌的生理功能：如生物發(fā)光、毒素的產生、質粒的轉移、根瘤菌的結瘤、抗生素合成QS調控細菌的多種生活習性：如質粒的接合轉移、生物膜形成、孢子形成、細胞分化、運動性、胞外多糖形成QS參與致病菌的毒力因子誘導、細菌與真核生物的共生、抗生素與細菌素合成等與人類關系密切的細菌生理特性群體感應的研究進展第6章群體感應系統(tǒng)了解單細胞微生物的信息交流與行為特性關系，建立化學信號物質和生理行為的聯系，例如：齲齒周圍生物膜形成參與的菌種，所有細菌均參與群體感應

Nature

Reviews,

Biotechnology群體感應的研究意義第6章群體感應系統(tǒng)通過人為干擾或促進微生物群體感應而調控某種功能，

在環(huán)境科學和工程研究中意義重要

群體感應可以促進胞外聚合物(EPS)中胞外DNA

(eDNA)的大量釋放，產生的eDNA促進細胞間和細胞與表面的互聯，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群體感應的研究意義第6章群體感應系統(tǒng)群體感應(quorum

sensing,

QS)種內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)分類群體感應的分子機制第6章群體感應系統(tǒng)

革蘭氏陰性菌QS系統(tǒng)—LuxI-AHL型自誘導分子：脂肪?；呓z氨酸內酯（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?；鶄孺溑cS-腺苷蛋氨酸上的高絲

氨酸結合生成AHL受體（LuxR蛋白酶）：AHL與

IuxR蛋白結合為濃度依賴型；

無AHL時，LuxR無活性，

且很快被降解掉群體感應的分子機制第6章群體感應系統(tǒng)革蘭氏陰性菌QS系統(tǒng)—LuxI-AHL型AHL可自由出入細胞體內外細胞達到一定密度，信號分子接近濃度閾值信號分子通過細胞膜的方式：自由擴散群體感應的分子機制第6章群體感應系統(tǒng)革蘭氏陰性菌QS系統(tǒng)—LuxI-AHL型AHL-LuxR復合物作為轉錄因子，激活目標基因的表達還可激活LuxI的表達，形成級聯放大正反饋反應群體感應的分子機制第6章群體感應系統(tǒng)革蘭氏陰性菌QS系統(tǒng)—LuxI-AHL型AHL合成及LuxR結合作用示意圖群體感應的分子機制第6章群體感應系統(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類自誘導劑都以高絲氨酸為主體，差別只是酰基側鏈的有無、側鏈的有無及側鏈的長短不同費式弧菌

LuxI-LuxR

型QS系統(tǒng)

示意圖群體感應的分子機制第6章群體感應系統(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的分子機制第6章群體感應系統(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，自誘導肽）

AIP前體肽經轉錄一系列修飾加工，

在不同細菌中形成長短不同、

穩(wěn)定特異的AIP雙組份信號交換系統(tǒng)：

Two-componentsignal

transductionsystem,

TCSTS)群體感應的分子機制第6章群體感應系統(tǒng)革蘭氏陽性菌QS系統(tǒng)—AIP-TCS三組分系統(tǒng)AIP通過細胞膜的方式：ABC（ATPbindingcassette）轉運系統(tǒng)群體感應的分子機制第6章群體感應系統(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分子由體內產生前導肽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，引起毒性因子表達群體感應的分子機制第6章群體感應系統(tǒng)

種間QS系統(tǒng)——AI-2介導的通信信號分子：AI-2（呋喃酰硼酸二酯類化合物）此類信號分子在G+菌和G-菌中均存在費式弧菌AI-2受體是周質結合蛋白LuxPAI-2產生依賴于一種LuxS蛋白質細菌識別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傳遞給受體蛋白并啟動相關基因表達群體感應的分子機制第6章群體感應系統(tǒng)

種間QS系統(tǒng)——AI-2介導的通信群體感應的分子機制第6章群體感應系統(tǒng)

種間QS系統(tǒng)——AI-2介導的通信群體感應的分子機制第6章群體感應系統(tǒng)

QS系統(tǒng)的特點—多樣性信號分子分布多樣性：細菌種內、種間；細菌與植物、動物間信號分子產生機制多樣性：G-菌—信號分子合成酶，G+菌—前體，經蛋白酶切割信號分子運輸多樣性：G+菌—ABC轉運系統(tǒng)，G-菌—直接透過細胞膜信號多樣性：G+菌—雙組份信號轉導系統(tǒng)；G-菌—受體蛋白信號分子功能復雜性：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)組成復雜性：在V.harveryi中發(fā)現與眾不同的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)之間關系復雜性：多種QS系統(tǒng)構成復雜的調控網絡，如P.aeruginosa中含有3個QS系統(tǒng)

QS系統(tǒng)的特點—復雜性群體感應的分子機制第6章群體感應系統(tǒng)生物發(fā)光生物膜形成致病因子產生抗生素合成毒力因子誘導細菌宿主侵襲孢子形成不同種屬競爭細菌運動群體感應的生物效應第6章群體感應系統(tǒng)

生物發(fā)光（例1：海洋細菌用光引誘浮游動物和魚）細菌發(fā)光吸引浮游生物（攝食細菌但不能消化細菌），繼續(xù)在浮游動物腸道內發(fā)光，透露了浮游動物的存在夜行魚容易檢測到發(fā)光浮游動物并吃掉它們，發(fā)光細菌繼續(xù)存活在魚腸道PNAS,109(3),853-857,

2012浮游動物被細菌光輝吸引并食用發(fā)光物質與它們的生存本能矛盾，增加了被魚攻擊與吞食的機會，調節(jié)細菌生物發(fā)光的群體感應現象能解釋這項發(fā)現浮游動物知道，水中光暗示存在有表面長有細菌的豐富有機物在漆黑深海中，食物數量非常有限，因此，值得浮游動物冒在接觸并吞食具發(fā)光細菌粒子使自己發(fā)光的風險，因為難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大得多群體感應的生物效應第6章群體感應系統(tǒng)

生物發(fā)光（例1：海洋細菌用光引誘浮游動物和魚）（左）室溫下和（右）黑暗中拍攝到的接觸并攝食發(fā)光細菌的浮游微生物

幾種浮游微生物被發(fā)光細菌吸引的平均比例

被捕食的發(fā)光（黑色）和不發(fā)光（無色）的浮游生物平均數量（左）室溫下和（右）黑暗中拍攝到的食用發(fā)光細菌后浮游生物的排泄物PNAS,109(3),853-857,2012群體感應的生物效應第6章群體感應系統(tǒng)

生物膜形成調控（例2：幫助細菌擴大地盤）銅綠假單胞菌，是一種常見的革蘭氏陰性致病菌，群體感應系統(tǒng)可以使其感知環(huán)境中菌群數量，并做出及時反應?；呓z氨酸在許多變形細菌中扮演著群體感應信號的角色，而該信號常常可以控制細菌進行群體的致病性等活性綠膿桿菌的群體感應系統(tǒng)調節(jié)子發(fā)生改變，會對綠膿桿菌的菌落生態(tài)學有明顯影響研究者測定了群體感應系統(tǒng)調節(jié)基因的編碼特征和細菌分離的生態(tài)環(huán)境之間的關系，結果表明，群體感應系統(tǒng)在細菌進行棲息地延伸的過程中扮演著重要角色為理解細菌的致病性以及難根除的感染性疾病機制提供了新思路PNAS,/cgi/doi/10.1073/pnas.1214128109

,2012群體感應的生物效應第6章群體感應系統(tǒng)

生物膜形成調控（例2：幫助細菌擴大地盤）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系韋恩圖4種環(huán)境分離菌基因調控相互關系圖群感活性基因的表達群體感應的生物效應第6章群體感應系統(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，有利于早期定植，之后細胞密度增大，信號分子濃度增高，HapR表達，有利于病原體的釋放群體感應的生物效應第6章群體感應系統(tǒng)

宿主侵襲和定植(例4：宿主致病體系中群體感應社會生物學)Current

Biology,

24(20),2417-2422,

2014微生物通過分泌物質來實現與相鄰細胞的合作，這些物質包括群感分子和相應激活的毒力因子自然系統(tǒng)中，這些分泌物質可被無效突變體利用，但是無效突變體（數量與規(guī)模）無法與有效菌群抗爭研究表明，QS淬滅劑可在臨床有效應用而不影響毒力進化群體感應的生物效應第6章群體感應系統(tǒng)

細菌群集運動群集運動是指細菌以群體方式在培養(yǎng)基表面由接種點向周圍進行的依賴鞭毛的遷移運動QS通過調控鞭毛操縱子FIHDC而調節(jié)細胞群集運動細胞群集決定了FIHDC蛋白的活化，是全面調節(jié)鞭毛和運動相關的趨化作用基因群體感應的生物效應第6章群體感應系統(tǒng)群體感應的應用第6章群體感應系統(tǒng)

病原菌診斷根據QS信號分子特異性：是否產生、種類、環(huán)境信號分子消長變化物理學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：產生可以使AHL滅活的AHL酶使用信號分子類似物：產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：功能菌群體感應有效競爭其他微生物群體感應的應用第6章群體感應系統(tǒng)

控制生物膜形成（例1：調節(jié)廢水處理反應器運行）通過調節(jié)群體感應、控制生物膜形成和生物淤積、提高反應器運行效果和壽命ES&T,

43,380-385,

2009生物淤積會導致膜生物反應器流動性差、堵塞、壽命減低生物淤積的成因為生物膜的大量形成研究提出通過添加群體感應信號分子分解物質，使群感系統(tǒng)活性降低，來控制生物淤積，提高反應器運行效果和壽命群體感應的應用第6章群體感應系統(tǒng)

控制生物膜形成（例1：調節(jié)廢水處理反應器運行）ES&T,

43(2),380-385,

2009反應器內不同時間段檢測的AHL信號分子添加?；D移酶（信號分子分解劑）的膜壓變化；添加轉移酶后信號分子的培養(yǎng)情況群體感應的應用第6章群體感應系統(tǒng)

控制生物膜形成（例2：調節(jié)廢水處理反應器運行）Water

research

,

47,187-196,

2013將?；纸饷腹潭ㄓ谀し磻髦?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猝滅劑的反應器（Control-MBR）群體感應的應用第6章群體感應系統(tǒng)

控制生物膜形成（例2：調節(jié)廢水處理反應器運行）Water

research

,

47,187-196,

2013群體感應淬滅反應器中，運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，添加淬滅劑的反應器（QQ-MBR）水阻力指標遠小于未添加的群體感應的應用第6章群體感應系統(tǒng)生物修復(例3：信號分子參與苯酚分解轉化）研究發(fā)現，PseudomonasaeruginosaCGMCC

氧化分解苯酚等一些列芳香族化合物時，釋放出群體感應信號分子AHL研究對分解過程產生的AHL類型進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的類型群體感應的應用第6章群體感應系統(tǒng)生物修復(例3：信號分子參與苯酚分解轉化）研究發(fā)現，外加合成的AHL有效促進苯酚的分解過程，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小時的分解效果）群體感應的應用第6章群體感應系統(tǒng)生物修復(例4：厭氧氨氧化細菌群體感應系統(tǒng)）厭氧氨氧化細菌（AAOB）以銨為電子供體將亞硝酸鹽轉化為氮氣活性密度依賴行為：AAOB厭氧氨氧化純培養(yǎng)不可能；細胞密度高于1010

-1011

個/mL時，AAOB才顯現出Anammox活性生物團聚行為：以微生物團聚體形式存在，出現