细菌群体感应系统及其应用

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1、 细菌群体感应系统及其应用1.1.群体感应的发现及研究意义群体感应的发现及研究意义目录 4.4.小结及展望小结及展望3.3.群体感应在控制病原菌中的应用群体感应在控制病原菌中的应用2.2.群体感应系统的分类及机制群体感应系统的分类及机制群体感应的发现20世世纪纪70年代年代，海洋海洋细细菌菌费费氏弧菌氏弧菌(Vibrio fiscberi)和哈氏弧菌和哈氏弧菌(V.harveyi)生物生物发发光光现现象象Nealson等在等在1970年首次年首次报报道了道了该该菌菌体密度与生物菌菌体密度与生物发发光呈正相关，光呈正相关，引引发发了关于群体感了关于群体感应应的猜想的猜想1994年年Fuqua等提

2、出了群体感等提出了群体感应应(quorum sensing，QS)这这一概念一概念群体感应的发现 细菌之间存在信息交流，许多细菌都能合成并释放一种细菌之间存在信息交流，许多细菌都能合成并释放一种被称为自诱导物质被称为自诱导物质(autoinducer(autoinducer，AIAI)的信号分子，胞外的的信号分子，胞外的AIAI浓度能随细菌密度的增加而增加，当信号达到一定的浓度阈浓度能随细菌密度的增加而增加，当信号达到一定的浓度阈值时，能启动菌体中相关基因的表达来适应环境的变化，如值时，能启动菌体中相关基因的表达来适应环境的变化，如芽胞杆菌中感受态与芽胞形成、病原细菌胞外酶与毒素产生、芽胞杆菌

3、中感受态与芽胞形成、病原细菌胞外酶与毒素产生、生物膜形成、菌体发光、色素产生、抗生素形成等，我们将生物膜形成、菌体发光、色素产生、抗生素形成等，我们将这一现象称为这一现象称为群体感应群体感应(quorum sensing(quorum sensing，QSQS)群体感应的研究意义 了解单细胞微生物的信息交流与行为特性的关 系，建立起化学信号物质和生理行为之间的联系 通过人为地干扰或促进微生物的群体感应系统，从而调控其某种功能，以达成实际意义上的的应 用群体感应系统的分类G-菌菌QS系统系统G+菌菌QS系统系统种间种间QS系统系统种内种内QS系统系统群体感应群体感应QS 系系统统由由自自诱导诱导

4、分子分子、感感应应分子分子及及下游下游调调控蛋白控蛋白组组成。成。从已有的研究成果看，大部分从已有的研究成果看，大部分细细菌一般均有两套群体感菌一般均有两套群体感应应系系统统，一套用于，一套用于种内种内信息交流，一套用于信息交流，一套用于种种间间信息交流信息交流；根据细菌合成的自诱导分子和感；根据细菌合成的自诱导分子和感应机制不同，应机制不同，QS系统主要分为系统主要分为3 种：种：寡肽类物质寡肽类物质(AIP)N-酰基高丝氨酸内酯酰基高丝氨酸内酯（AHL)呋喃酰硼酸二酯呋喃酰硼酸二酯种内交流：G-的QS系统LuxI 蛋白是蛋白是AI合成合成酶酶，能能够够合成信号分子合成信号分子 N-酰酰基高

5、基高丝丝氨酸内氨酸内酯酯（AHL）LuxR蛋白是蛋白是细细胞胞质质内内AI感受因子感受因子，也是一种，也是一种DNA结结合合转录转录激活元件激活元件;其其 N-端与端与AHL结结合，合，C-端端则则参与寡聚化以及参与寡聚化以及与与启启动动子子DNA的的结结合合种内交流：G-的QS系统LuxILuxI产生产生AHLAHL，自由通过，自由通过细胞膜，分泌到胞外细胞膜，分泌到胞外AHLAHL随菌体浓度上升在胞随菌体浓度上升在胞外积累到阈值外积累到阈值AHLAHL扩散入胞内与扩散入胞内与LuxRLuxR蛋蛋白结合，形成白结合，形成AIAILuxRLuxR复复合体，并结合到合体，并结合到 DNA DNA

6、上，上，激活发光基因的启动子转激活发光基因的启动子转录录费氏弧菌的费氏弧菌的AHL-LuxILuxR 型系统：型系统：种内交流：G-的QS系统 革革兰兰氏阴性菌中，有超氏阴性菌中，有超过过70种的种的细细菌利用菌利用 AHL作作为为胞胞间间交流的信号分子。有超交流的信号分子。有超过过50种的革种的革兰兰氏阴性菌都是利用氏阴性菌都是利用这这种种AHL-LuxI/LuxR 型系型系统进统进行行细细胞胞间间的交流。的交流。费费氏弧菌的氏弧菌的 LuxI/Lux R双双组组分系分系统统被被视为视为革革兰兰氏阴性菌群体感氏阴性菌群体感应应的模式的模式系系统统。不同的不同的细细菌菌产产生不同的生不同的 A

7、HL，差异只在于，差异只在于酰酰基基侧链侧链的的长长度与度与结结构，高构，高丝丝氨酸内氨酸内酯酯部分是相同的。部分是相同的。这这也造成了微生也造成了微生物在利用物在利用AHL信号分子信号分子时时具有一定的特异性。具有一定的特异性。种内交流：G+的QS系统AIP不能自由穿透不能自由穿透细细胞胞壁，需要壁，需要ABC（ATP-binding-cassette）转转运运系系统统或其它膜通道蛋白或其它膜通道蛋白作用到达胞外行使功能作用到达胞外行使功能AIP前体肽前体肽经转录经转录后的一系列修饰加后的一系列修饰加工，在不同细菌内工，在不同细菌内形成长短不同、稳形成长短不同、稳定、定、特异的特异的AIPA

8、IP浓浓度在胞外达到某度在胞外达到某一一阈值阈值膜上激膜上激酶酶识别识别信号分信号分子子，并，并促促进进激激酶酶中中组组氨酸残基磷酸化氨酸残基磷酸化经过经过天冬氨酸残基天冬氨酸残基的的传递传递，把磷酸基，把磷酸基团传团传递给递给受体蛋白受体蛋白磷酸化的受体蛋白磷酸化的受体蛋白与与 DNA 特定的靶位点特定的靶位点结结合，合，调调控控基因表达基因表达种内交流：G+的QS系统种内交流：G+的QS系统金黄色葡萄球菌的双组份金黄色葡萄球菌的双组份QS系统：系统：种间交流AI-1由由LuxM 基因基因编码产编码产物催化物催化产产生，相生，相应应的感的感应应分子分子为为LuxNAI-2的分子本的分子本质质

9、是是呋呋喃喃酰酰硼酸硼酸二二酯类化合物酯类化合物，感，感应应分子分子为为 LuxP 和和 LuxQLuxN 和和 LuxQ 均通均通过过LuxU 来来实实现现信号信号传递传递，LuxU 是一种是一种磷酸磷酸转转移移酶酶，活化后将信号，活化后将信号传递传递至至调节调节蛋蛋白白LuxO，并在另一蛋白，并在另一蛋白LuxR 的的协协助下，启助下，启动动基因的表达基因的表达信号信号分子分子信号传递信号传递及识别及识别种间交流信号分子信号分子AI-2：呋喃酰硼酸二酯类化合物：呋喃酰硼酸二酯类化合物细细菌菌识别识别AI-2型信号分子的方式与型信号分子的方式与G+中双中双组组分激分激酶酶的的识别识别系系统统

10、是完全一致的是完全一致的，即双组分激酶识别，即双组分激酶识别 AI-2分子后，把磷酸化基团分子后，把磷酸化基团传递给受体蛋白并启动相关基因的表达传递给受体蛋白并启动相关基因的表达AI-2信号分子作用广泛，能信号分子作用广泛，能够够被多种微生物被多种微生物识别识别，是不同菌种之，是不同菌种之间间的的共同共同语语言言，起着微生物种，起着微生物种间间交流的作用交流的作用群体感应在控制病原菌中的应用 微生物对宿主的致病过程复杂多样，包括以下几个可能相互交叉的阶微生物对宿主的致病过程复杂多样，包括以下几个可能相互交叉的阶段：微生物对宿主的侵袭和定殖、毒力因子的产生和作用于宿主、对宿主段：微生物对宿主的侵

11、袭和定殖、毒力因子的产生和作用于宿主、对宿主免疫和药物的抵抗。免疫和药物的抵抗。在微生物群体感应控制的生命活动中，最引人关注的是在微生物群体感应控制的生命活动中，最引人关注的是对毒力因子产对毒力因子产生和生物膜形成的控制生和生物膜形成的控制，如果抑制了这两个作用就可以防止致病菌产生致，如果抑制了这两个作用就可以防止致病菌产生致病作用及增强抗生素的作用效果病作用及增强抗生素的作用效果毒力因子的产生：毒力因子的产生：肠球菌的主要毒力因子是溶细胞素，由 2 个亚单位CylLL和CylLS组成，在胞外以具有毒性的CylLL 和CylLS形式存在。研究表明，CylLS担任了QS系统机制中信号分子的作用。

12、Coburn等发现，CylLL 优先与靶细胞结合，导致游离 CylLS的积累并超过诱导阈值，然后激活CylLS表达，产生高水平的溶细胞素群体感应群体感应对生物膜形成的控制：对生物膜形成的控制：铜绿假单胞菌QS系统有lasI/lasR、rhlI/rhlR两个信号系统，lasI、rhlI与lasR、rhlR基因分别编码不同的信号分子合成酶与信号分子受体。信号分子随着细菌密度的增加而分泌增加，当信号分子达到一定阈值时，信号分子与相应的信号分子受体结合并激活受体，激活的受体再激活相关的转录调节子，合成胞外多糖、毒性因子及藻酸盐等，使细菌聚集形成生物被膜群体感应的抑制1.1.产生可以使产生可以使AHLA

13、HL分子灭活的分子灭活的AHLAHL降解酶，使病原菌降解酶，使病原菌QSQS系统不系统不 能启动它所调控的基因能启动它所调控的基因 内酯酶内酯酶(AHL-1actonase)(AHL-1actonase)和酰基转移酶和酰基转移酶(AHL-acylase)(AHL-acylase)目前都已经目前都已经在一些细菌中被发现。内酯酶可以水解在一些细菌中被发现。内酯酶可以水解AHLAHL的内酯键，生成的的内酯键，生成的N-N-酰基高丝酰基高丝氨酸内酯的生物活性大大降低氨酸内酯的生物活性大大降低 Dong Dong等经过大量的实验和研究从芽孢杆菌等经过大量的实验和研究从芽孢杆菌(Bacillus240B1

14、Bacillus240B1)中分离出中分离出能够降解能够降解AHLAHL的酶的酶AiiAAiiA。其后研究证明。其后研究证明AiiAAiiA编码一个编码一个AHLAHL内酯水解酶。内酯水解酶。AiiAAiiA蛋白能打开胡萝卜软腐欧文氏菌产生的蛋白能打开胡萝卜软腐欧文氏菌产生的AHLAHL的内酯键，使软腐菌的的内酯键，使软腐菌的QSQS系统失灵，由其调控的致病基因与碳青烯抗生素基因不能表达，从而大系统失灵，由其调控的致病基因与碳青烯抗生素基因不能表达，从而大大削弱了该菌的致病力大削弱了该菌的致病力2.2.产生病原菌信号分子的类似物与信号分子受体蛋产生病原菌信号分子的类似物与信号分子受体蛋 白竞争

15、结合，从而阻断病原菌的白竞争结合，从而阻断病原菌的QSQS系统系统海洋红藻海洋红藻(Delisea pulchra)(Delisea pulchra)产生的卤化呋喃酮结构和产生的卤化呋喃酮结构和AHLAHL相似，用相似，用该卤化呋喃酮处理该卤化呋喃酮处理V.fiscberiV.fiscberi后，其后，其QSQS系统被竞争性的抑制。另外吡系统被竞争性的抑制。另外吡咯酮类化合物、某些取代的咯酮类化合物、某些取代的HSLHSL化合物、二酮哌嗪类化合物等也能够起化合物、二酮哌嗪类化合物等也能够起到相类似的作用。在到相类似的作用。在G G+菌中，尽管菌中，尽管AIPAIP分子调控许多致病基因的表达，但

16、分子调控许多致病基因的表达，但目前还没有专门针对其目前还没有专门针对其QSQS系统的防病策略。仅在金黄色葡萄球菌发现其系统的防病策略。仅在金黄色葡萄球菌发现其产生不同种类的产生不同种类的AIPAIP之间可以相互抑制。因此可以通过设计与病菌之间可以相互抑制。因此可以通过设计与病菌AIPAIP分分子相似的物质来破坏其子相似的物质来破坏其QSQS统，从而增强植物等的抗病性统，从而增强植物等的抗病性群体感应的抑制3.3.利用利用QSQS系统中的信号分子来诱发抗性，植物中比较常见系统中的信号分子来诱发抗性，植物中比较常见 豌豆、马铃薯、苜蓿属等植物宿主不仅能产生抑制因子干扰细菌豌豆、马铃薯、苜蓿属等植物

17、宿主不仅能产生抑制因子干扰细菌QSQS，还能产生还能产生AHLAHL类似物激活类似物激活QSQS系统。系统。SchuheggerSchuhegger等研究发现番茄根际产等研究发现番茄根际产AHLAHL细细菌的存在可以诱导植物水杨酸和乙烯依赖的防卫反应，使植物产生对病原菌的存在可以诱导植物水杨酸和乙烯依赖的防卫反应，使植物产生对病原真菌交链孢属病菌真菌交链孢属病菌(Alternaria alternate)(Alternaria alternate)的诱导系统抗性。这说明细菌的诱导系统抗性。这说明细菌QSQS系统的信号分子确实能够诱发植物的一些反应，这就为植物抗病性研究系统的信号分子确实能够诱发植物的一些反应，这就为植物抗病性研究提供了新的思路提供了新的思路群体感应的抑制小结与展望：群体感群体感应现应现象的象的发现发现被被视为视为近近 20 年来微生物研究年来微生物研究领领域中最重大的域中最重大的进进展之一。展之一。细细菌利用菌利用 QS 调调控系控系统统以群体以群体协协作的方式作的方式对对种群的社会行种群的社会行为产为产生影响，生影响，赋赋予予细细菌菌类类似多似多细细胞群体行胞群体行为为的能力，使之更好地适的能力，使之更好地适应应不断不断变变化的化的环环境。境。QS 在在农业农业、生物技、生物技术术和医学等和医学等诸诸多多领领域展示了广域展示了广阔阔的的应应用前用前景。景。谢谢