基本介紹
- 中文名：群體感應
- 外文名：Quorum Sensing
- 性質：信號分子
- 領域：生物
簡介,自身誘導物質AI,細菌信息素的特點,革蘭氏陰性菌菌的信號分子AHL,簡介,舉例,研究方向,革蘭氏陽性菌的信號分子AIP,病原真菌中的群體感應系統,病原菌種間的群體感應系統,干擾QS系統,群體感應淬滅酶,
簡介
上世紀70年代人們發現當環境中費氏弧菌(Vibriofisheri)菌群濃度達到一定的閾值時即產生生物發光現象。1994年Fuqua等提出了群體感應(quorumsensing，QS)這一概念，它是指微生物群體在其生長過程中，由於群體密度的增加，導致其生理和生化特性的變化，顯示出少量菌體或單個菌體所不具備的特徵。這個變化的原因在於：當環境中微生物種群密度達到閾值，信號分子的濃度也達到一定的水平，通過包括受體蛋白在內相關蛋白的信號傳遞，誘導或抑制信號最終傳遞到胞內，影響特定基因的表達，調控微生物群體的生理特徵，如生物發光、抗生素合成、生物膜形成等。利用QS機制進行“細胞對細胞的交流”，微生物能夠在複雜的環境中協調一致，以“團隊作戰能力”使整個種群更好地存活下來。
群體感應（Quorum-Sensing）：近年來的研究證明細菌之間存在信息交流，許多細菌都能合成並釋放一種被稱為自誘導物質(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，達到一個臨界濃度時，AI能啟動菌體中相關基因的表達，調控細菌的生物行為。如產生毒素、形成生物膜、產生抗生素、生成孢子、產生螢光等，以適應環境的變化，我們將這一現象稱為群體感應調節(quorum sensing．QS)。這一感應現象只有在細菌密度達到一定閾值後才會發生，所以也有人將這一現象稱為細胞密度依賴的基因表達(cell density dependent control of gene expression)。
自身誘導物質AI
細菌可以合成一種被稱為自身誘導物質( auto-inducer, AI ) 的信號分子，細菌根據特定的信號分子的濃度可以監測周圍環境中自身或其它細菌的數量變化，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境的變化，如芽胞桿菌中感受態與芽胞形成、病原細菌胞外酶與毒素產生、生物膜形成、菌體發光、色素產生、抗生素形成等等。
根據細菌合成的信號分子和感應機制不同，QS系統基本可分為三個代表性的類型：革蘭氏陰性細菌一般利用醯基高絲氨酸內酯( AHL) 類分子作為AI ，革蘭氏陽性細菌—般利用寡肽類分子(Al P) 作為信號因子，另外許多革蘭氏陰性和陽性細菌都可以產生一種AI - 2的信號因子，一般認為AI - 2是種間細胞交流的通用信號分子，另外最近研究發現，有些細菌利用兩種甚至三種不同信號分子調節自身群體行為，這說明群體感應機制是極為複雜的。
細菌信息素的特點
4，在細菌感染過程中具調控作用：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。如金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aerus)在調控哺乳動物細胞凋亡過程中，依賴於高絲氨酸內酯信息素和環境因子控制的毒素蛋白(Agr)和調節蛋白(Sar)因子，這兩個基因發生突變的菌株可以進入細胞，但不能誘導細胞凋亡。
5，其他信息素的抗生素活性，如乳酸球菌(Lactococcus lastis)產生的乳鏈球菌素nisin，不但作為信息調節細胞生物合成和免疫基因的表達，也作為抗生素拮抗其他微生物。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。
革蘭氏陰性菌菌的信號分子AHL
簡介
細菌可以向周圍環境釋放一類可以自由進出細菌菌體的小分子信號因子——高絲氨酸內酯(Homoserine Lactone，AHL) ，AHL在QS系統中起著關鍵的作用。
費氏孤菌是最早發現並進行Qs系統研究的革蘭陰性菌，雖然每種革蘭陰性菌所產生的群體感應機制不同，但其調控蛋白具有高度同源性，目前研究的大多數革蘭陰性菌都存在與之相同的Qs系統，被稱之LuxI—AHL型Qs系統。脂肪醯基高絲氨酸內酯(acyl homoserine lactones，AHL)，是一類特殊的小分子水溶性化合物，可作為Qs系統中的自誘導劑，LuxI是一類可催化合成AI的胞內蛋白酶。LuxI類蛋白酶可催化帶有醯基的載體蛋白的醯基側鏈與s一腺苷蛋氨酸上的高絲氨酸結合生成AHL。不同革蘭陰性菌的LuxI—AHL型Qs系統有所差別，其AHL類自誘導劑都是以高絲氨酸為主體，差別只是醯基側鏈的有無及側鏈的長短不同。作為革蘭陰性菌特有的自誘導劑AHL可自由出入於細胞內外，隨著細菌密度的增加，當細胞外周環境中的細菌分泌的AHL積聚到一定濃度閾值時，可與細胞質中的作為受體的LuxR蛋白的氨基殘端結合，激活所調控的基因表達。
舉例
在以AHL為自誘導劑的革蘭陰性菌QS系統中，信號傳導途徑具有多樣性，目前以銅綠假單胞菌研究最為成熟，它主要包含四套Qs體系：第一套lasR/lasI體系，由轉錄激活因子LasR和乙醯高絲氨酸內酯合成酶LasI蛋白組成，lasI能指導AI N一3一氧代十二烷醯一高絲氨酸內酯(3-OXO—C 一HSL)的合成，並以主動轉運的方式分泌到胞外，達到一定的閾濃度時可結合LasR，並激活轉錄，增強包括鹼性蛋白酶、外毒素A、彈性蛋白酶在內的毒力因子的基因轉錄，可以使銅綠假單胞菌毒力基因的表達增高。第二套Qs體系rhlR/rhlI系統，rhlR是轉錄調節子，rhlI可編碼AHI 合成酶，該系統產生的一種結構為C4HSL的高絲氨酸內酯類自體誘導物，可自由通過細胞膜，調控大量基因的表達，如指導鼠李糖脂溶血素、幾丁質酶、氰化物、綠膿菌素等物質的產生。2一庚基一3一羥基一4一喹諾酮(pseusomonas qinolone signal，PQs)是近期發現的銅綠假單胞菌第三套Qs系統—— 喹喏酮信號系統的信號分子具有抗菌活性Ⅲ ，不溶於水，關於它如何行使菌間信號轉導的機制尚不明確，可能是通過一種“胞吐”樣轉運機制在細菌間傳導PQS信號。PQS可以連線Las和Rhl兩個系統，一方面Las和Rhl控制著PQS生成，另一方面PQs又影響著Las和Rh1的基因表達，兩者之間存在著微妙的平衡關係。此外PQS還在調整細菌密度及釋放毒力因子方面起著一定的作用。除上述三種QS系統，最近還發現了另一種銅綠假單胞菌Qs輔助系統GacS/GacA系統，且已證明在提高細菌遊走能力、釋放可可鹼醋酸鈉、促進生物被膜形成中發揮重要作用。
研究方向
革蘭氏陽性菌的信號分子AIP
革蘭氏陽性細菌主要使用一些小分子多肽(AlP) 作為AI信號分子，這種寡肽信號也隨菌體濃度的增加而增加，當累積達到一定濃度閾值時，位於膜上的AIP信號識別系統與之相互作用。經過一個複雜的過程，從而起到調控的作用。
革蘭陽性菌QS系統主要是用小分子多肽(oli— gopeptide)作為自誘導物(autoinducter peptide，AIP)，不同的細菌其AIP分子大小也不同，不能自由穿透細胞壁，需通過ABC轉運系統(ATP—bind— ing—cassette)或其它膜通道蛋白作用，到達胞外行使功能。位於膜上的AIP信號識別系統與AIP結合後，激活膜上的組胺酸蛋白激酶，促進激酶中組氨酸殘基磷酸化，磷酸化後的受體蛋白能與DNA 特 定靶位點結合，從而激活一種或多種靶基因而行使功能。AIP不僅能檢測細菌密度，影響生物被膜的形成，而且還能調控不同菌種之間的關係。以表皮葡萄球菌的自體誘導物與4株金黃色葡萄球菌的QS相互作用，結果有3株受到干擾；但相反，這4株菌的AIP對表皮葡萄球菌的Qs卻均無影響。
金黃色葡萄球菌(Staphylococcus auPetts)的自體誘導物是一種環八肽，其受體是一種可以跨膜的組氨酸蛋白激酶。大部分葡萄球菌的毒力因子都是由agr基因組進行調控的，目前的推論是AgrB將agrD的基因產物分解成環八肽，AgrC則起到跨膜轉運受體蛋白的作用。AI和受體蛋白結合後，對agrA的產物進行磷酸化，從而啟動許多與葡萄球菌毒力相關基因的轉錄 。葡萄球菌不僅用Al來監控細胞濃度，還通過其來調控不同菌株之間的關係。金黃色葡萄球菌包含4個亞種，它們彼此產生的AI各不相同且相互影響。不僅細菌濃度是侵染的主要因素，同一種間不同菌株之間的相對濃度也對侵染過程起到重要影響。Vuong等的實驗中，agr缺失導致Qs被破壞的表皮葡萄球菌的生物膜有所增加，說明低細菌濃度可以促進生物膜的產生，但反過來高細菌濃度會導致細菌解離，從而發生侵染。
變形鏈球菌作為人類齲病主要致病菌和致齲生物膜形成的必需細菌，具備了多種在牙表面定植的特性成為致齲生物膜中數量顯著的細菌。QS信號分子可調節口腔生物膜中細菌種屬間的信息交流，可調節生物膜的形成．糖代謝、耐酸能力以及多種毒力因子的分泌。因此進一步明確群體感應系統在變形鏈球菌中的介導機制，對降低口腔生物膜的致病性和對治療措施的抵抗性有著重要意義。
病原真菌中的群體感應系統
近年來，有研究指出，真菌中也存在著類似於細菌的QS信號分子的信息素，並且介導著真菌某些生理行為的調節。 深部真菌的感染一直是臨床所棘手的問題，白色念珠菌是一種重要的人類致病真菌。也是較早被報導具有群體感應系統的真菌之一，白色念珠菌可產生不同水平的金合歡醇，其可作為信號因子降低菌絲體形成有關的基因表達，使白色念珠菌很容易在導人材料表面定殖形成生物膜而致病。
病原菌種間的群體感應系統
對一種海洋微生物哈氏弧菌(Vibrio har．veyi)的研究發現，該種微生物能合成兩種不同類型的自體誘導物。AI一1由LuxLM合成，是醯基高絲氨酸內酯類物質；而AI-2由LuxS合成，屬於硼酸呋喃糖苷二酯類化合物。對哈氏弧菌Qs機理分析證明其系統同時具有革蘭氏陰性和陽性細菌的特徵，它能利用革蘭氏陰性細菌的AHL類物質(AI一1)作為自體誘導物，但識別系統卻是與革蘭氏陽性細菌相似的雙組分信號傳導系統. 同是弧菌屬的人類病原菌霍亂弧菌(Vibriocholerae)也被證實具有與哈氏弧菌相似的Qs體系，但也有其自身特點。通常Qs都是幫助病原菌達到較高細菌濃度後才產生毒素，但霍亂弧菌則恰恰相反，在高濃度時抑制毒素的產生而在低濃度時進行表達。霍亂弧菌最重要的毒素因子是霍亂弧菌腸毒素(CT)和毒素協同菌毛(TCP)，它們都受同一調控基因ToxR的控制。霍亂弧菌的3套Qs調控體系都共同以LuxO作為調控蛋白，luxO突變株會導致嚴重的腸內定殖缺陷。第一套體系是高絲氨酸內酯類自體誘導物，稱為CAI—l，合成酶為CqsA；第二套體系是LuxS/AI一2體系。這3種體系都包含一個LuxR的同源物HapR，它能夠抑制CT、TCP的表達和生物膜的形成，以及激活Hap蛋白酶的表達。經磷酸化後被激活的LuxO會接著激活由Hfq介導的對hapR mRNA的降解，阻斷hapR轉錄後表達。但在高細菌濃度時，因為無法被磷酸化，LuxO的不表達導致HapR被表達，從而通過抑制aphA而間接抑制了cT和TCP的表達，並直接抑制了生物膜的形成，激活了Hap蛋白酶的表達 。
干擾QS系統
因為Qs體系依賴於AI信號分子及其受體蛋白的共同作用，能夠影響AI與其受體蛋白的積累或識別的過程都會破壞Qs系統。
一種調控方法是降解信號分子，使其不能與受體蛋白結合，從而破壞細菌的Qs體系。大部分革蘭氏陰性細菌的自體誘導物都是AHLs類化合物，由長度為4～18個碳的乙醯基鏈尾部與一個保守的高絲氨酸內酯頭部相連。內酯酶(AHL-1actonase) 和醯基轉移酶(AHL-acylase) 目前都已經在一些細菌中被發現。內酯酶可以水解AHL的內酯鍵，生成的醯基高絲氨酸的生物活性大大降低，如枯草芽孢桿菌所產生的AiiA酶就屬其中的一種。醯基轉移，酶則作用於連在醯基高絲氨酸內酯上的氨基，生成脂肪酸和不具有任何生物活性的高絲氨酸內酯。
另一種干擾信號分子的方法是抑制AI的生成。例如，三氯生(Triclosan)是一種有效的烯醯基ACP還原酶(enoyl-ACP reductase)抑制劑，烯醯基ACP還原酶參與醯基ACP(acyl-ACP)的生成，而後者是生成AHL的重要物質之一，三氯生的加入導致AHL的產量減少。
通過合成一些AI的結構類似物，與相應的受體蛋白競爭性結合，也是一種干擾細菌Qs體系的機制。海洋紅藻(Delisea pulchra)能夠產生一種和AHL結構類似的鹵化呋喃酮(halogenated fura— nones)，將此物質與費氏弧菌一起培養會促進LuxR的降解，並因此破壞其Qs行為。天然的呋喃酮化合物對銅綠假單胞菌的QS系統雖然沒有明顯作用，但Hentzer等發現呋喃酮的衍生物呋喃酮-56能特異性地抑制lasB和一些受Qs調節的毒力因子的表達，並減弱浮游狀態和生物膜狀態細菌的QS調控基因的表達。他們還利用一種新的呋喃酮衍生物呋喃酮C-3O作為銅綠假單胞菌的Qs信號拮抗劑，發現被呋喃酮C-3O所抑制的基因中有80%是受QS系統調節的，包括編碼多藥外排泵和毒力因子的基因。同時用這兩種合成的呋喃酮處理肺部感染的小鼠，能取得良好的療效。
