細菌群體感應系統(tǒng)及其應用

細菌群體感應系統(tǒng)及其應用細菌群體感應系統(tǒng)及其應用細菌群體感應系統(tǒng)及其應用1.群體感應的發(fā)現(xiàn)及研究意義目錄4.小結及展望3.群體感應在控制病原菌中的應用2.群體感應系統(tǒng)的分類及機制書籍能培養(yǎng)我們的道德情操，給我們巨大的精神力量，鼓舞我們前進1.群體感應的發(fā)現(xiàn)及研究意義目錄4.小結及展望3.群體感應在控制病原菌中的應用2.群體感應系統(tǒng)的分類及機制群體感應的發(fā)現(xiàn)20世紀70年代，海洋細菌費氏弧菌(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，引發(fā)了關于群體感應的猜想1994年Fuqua等提出了群體感應(quorumsensing，QS)這一概念群體感應的發(fā)現(xiàn)

細菌之間存在信息交流，許多細菌都能合成并釋放一種被稱為自誘導物質(zhì)(autoinducer，AI)的信號分子，胞外的AI濃度能隨細菌密度的增加而增加，當信號達到一定的濃度閾值時，能啟動菌體中相關基因的表達來適應環(huán)境的變化，如芽胞桿菌中感受態(tài)與芽胞形成、病原細菌胞外酶與毒素產(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(quorumsensing，QS)群體感應的研究意義

了解單細胞微生物的信息交流與行為特性的關

系，建立起化學信號物質(zhì)和生理行為之間的聯(lián)系

通過人為地干擾或促進微生物的群體感應系統(tǒng)，

從而調(diào)控其某種功能，以達成實際意義上的應

用群體感應系統(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QS系統(tǒng)由自誘導分子、感應分子及下游調(diào)控蛋白組成。從已有的研究成果看，大部分細菌一般均有兩套群體感應系統(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)細菌合成的自誘導分子和感應機制不同，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，能夠合成信號分子N-?；呓z氨酸內(nèi)酯（AHL）LuxR蛋白是細胞質(zhì)內(nèi)AI感受因子，也是一種DNA結合轉(zhuǎn)錄激活元件;其N-端與AHL結合，C-端則參與寡聚化以及與啟動子DNA的結合種內(nèi)交流：G-的QS系統(tǒng)LuxI產(chǎn)生AHL，自由通過細胞膜，分泌到胞外AHL隨菌體濃度上升在胞外積累到閾值AHL擴散入胞內(nèi)與LuxR蛋白結合，形成AI／LuxR復合體，并結合到DNA上，激活發(fā)光基因的啟動子轉(zhuǎn)錄費氏弧菌的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)進行細胞間的交流。費氏弧菌的LuxI/LuxR雙組分系統(tǒng)被視為革蘭氏陰性菌群體感應的模式系統(tǒng)。

不同的細菌產(chǎn)生不同的AHL，差異只在于酰基側鏈的長度與結構，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。種內(nèi)交流：G+

的QS系統(tǒng)AIP不能自由穿透細胞壁，需要ABC（ATP-binding-cassette）轉(zhuǎn)運系統(tǒng)或其它膜通道蛋白作用到達胞外行使功能AIP前體肽經(jīng)轉(zhuǎn)錄后的一系列修飾加工，在不同細菌內(nèi)形成長短不同、穩(wěn)定、特異的AIPAIP濃度在胞外達到某一閾值膜上激酶識別信號分子，并促進激酶中組氨酸殘基磷酸化經(jīng)過天冬氨酸殘基的傳遞，把磷酸基團傳遞給受體蛋白磷酸化的受體蛋白與DNA特定的靶位點結合，調(diào)控基因表達種內(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，相應的感應分子為LuxNAI-2的分子本質(zhì)是呋喃酰硼酸二酯類化合物，感應分子為LuxP和

LuxQLuxN和LuxQ均通過LuxU來實現(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，啟動基因的表達信號分子信號傳遞及識別種間交流信號分子AI-2：呋喃酰硼酸二酯類化合物細菌識別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，把磷酸化基團傳遞給受體蛋白并啟動相關基因的表達AI-2信號分子作用廣泛，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群體感應在控制病原菌中的應用微生物對宿主的致病過程復雜多樣，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。在微生物群體感應控制的生命活動中，最引人關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″擔任了QS系統(tǒng)機制中信號分子的作用。Coburn等發(fā)現(xiàn)，CylLL″優(yōu)先與靶細胞結合，導致游離CylLS″的積累并超過誘導閾值，然后激活CylLS表達，產(chǎn)生高水平的溶細胞素群體感應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(zhuǎn)錄調(diào)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群體感應的抑制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?；D(zhuǎn)移酶(AHL-acylase)目前都已經(jīng)在一些細菌中被發(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)過大量的實驗和研究從芽孢桿菌(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，從而大大削弱了該菌的致病力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)生的鹵化呋喃酮結構和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，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)生不同種類的AIP之間可以相互抑制。因此可以通過設計與病菌AIP分子相似的物質(zhì)來破壞其QS統(tǒng)，從而增強植物等的抗病性群體感應的抑制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細菌的存在可以誘導植物水楊酸和乙烯依賴的防衛(wèi)反應，使植物產(chǎn)生對病原真菌交鏈孢屬病菌(Alternariaalternate)的誘導系統(tǒng)抗性。這說明細菌QS系統(tǒng)的信號分子確實能夠誘發(fā)植物的一些反應，這