細(xì)菌群體感應(yīng)系統(tǒng)及其應(yīng)用

細(xì)菌群體感應(yīng)系統(tǒng)及其應(yīng)用細(xì)菌群體感應(yīng)系統(tǒng)及其應(yīng)用細(xì)菌群體感應(yīng)系統(tǒng)及其應(yīng)用1.群體感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)及研究意義目錄4.小結(jié)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)制書籍能培養(yǎng)我們的道德情操，給我們巨大的精神力量，鼓舞我們前進(jìn)1.群體感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)及研究意義目錄4.小結(jié)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)制群體感應(yīng)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(bào)道了該菌菌體密度與生物發(fā)光呈正相關(guān)，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)這一概念群體感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)

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(hào)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(hào)達(dá)到一定的濃度閾值時(shí)，能啟動(dòng)菌體中相關(guān)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)群體感應(yīng)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)信號(hào)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)

用群體感應(yīng)系統(tǒng)的分類G-菌QS系統(tǒng)G+菌QS系統(tǒng)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)呋喃酰硼酸二酯種內(nèi)交流：G-的QS系統(tǒng)LuxI蛋白是AI合成酶，能夠合成信號(hào)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-端則參與寡聚化以及與啟動(dòng)子DNA的結(jié)合種內(nèi)交流：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AI／LuxR復(fù)合體，并結(jié)合到DNA上，激活發(fā)光基因的啟動(dòng)子轉(zhuǎn)錄費(fèi)氏弧菌的AHL-LuxI／LuxR型系統(tǒng)：種內(nèi)交流：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(hào)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(hào)分子時(shí)具有一定的特異性。種內(nèi)交流：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(shí)別信號(hào)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)種內(nèi)交流：G+的QS系統(tǒng)種內(nèi)交流：G+

的QS系統(tǒng)金黃色葡萄球菌的雙組份QS系統(tǒng)：種間交流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(hào)傳遞，LuxU是一種磷酸轉(zhuǎn)移酶，活化后將信號(hào)傳遞至調(diào)節(jié)蛋白LuxO，并在另一蛋白LuxR的協(xié)助下，啟動(dòng)基因的表達(dá)信號(hào)分子信號(hào)傳遞及識(shí)別種間交流信號(hào)分子AI-2：呋喃酰硼酸二酯類化合物細(xì)菌識(shí)別AI-2型信號(hào)分子的方式與G+中雙組分激酶的識(shí)別系統(tǒng)是完全一致的，即雙組分激酶識(shí)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)基因的表達(dá)AI-2信號(hào)分子作用廣泛，能夠被多種微生物識(shí)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群體感應(yīng)在控制病原菌中的應(yīng)用微生物對(duì)宿主的致病過程復(fù)雜多樣，包括以下幾個(gè)可能相互交叉的階段：微生物對(duì)宿主的侵襲和定殖、毒力因子的產(chǎn)生和作用于宿主、對(duì)宿主免疫和藥物的抵抗。在微生物群體感應(yīng)控制的生命活動(dòng)中，最引人關(guān)注的是對(duì)毒力因子產(chǎn)生和生物膜形成的控制，如果抑制了這兩個(gè)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(gè)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)制中信號(hào)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)胞素群體感應(yīng)對(duì)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(gè)信號(hào)系統(tǒng)，lasI、rhlI與lasR、rhlR基因分別編碼不同的信號(hào)分子合成酶與信號(hào)分子受體。信號(hào)分子隨著細(xì)菌密度的增加而分泌增加，當(dāng)信號(hào)分子達(dá)到一定閾值時(shí)，信號(hào)分子與相應(yīng)的信號(hào)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、毒性因子及藻酸鹽等，使細(xì)菌聚集形成生物被膜群體感應(yīng)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(dòng)它所調(diào)控的基因內(nèi)酯酶(AHL-1actonase)和?；D(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-?；呓z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(Bacillus240B1)中分離出能夠降解AHL的酶——AiiA。其后研究證明AiiA編碼一個(gè)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2.產(chǎn)生病原菌信號(hào)分子的類似物與信號(hào)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(duì)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感應(yīng)的抑制3.利用QS系統(tǒng)中的信號(hào)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(duì)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QS系統(tǒng)的信號(hào)分子確實(shí)能夠誘發(fā)植物的一些反應(yīng)，這