自溶素

微生物自溶現象研究概要微生物自溶現象被認為是在微生物自身水解酶類的作用下細胞的消解過程，並伴隨著胞內物質的釋放，一般可分為誘導自溶與自然自溶。採用各種物理、化學或生物學方法處理，可引起微生物在任何發育階段產生自溶，稱之為誘導自溶。

基本介紹

• 中文名：自溶素
• 外文名：autolysin
• 主體：細菌
• 性質：蛋白水解酶
• 屬性：蛋白質

基本概念

自溶素是細菌自身產生的可降解細菌細胞壁的蛋白水解酶，與細菌細胞分裂、生物膜形成、表面黏附、遺傳感受態和細胞壁更新有關。自溶素的活性受到嚴格調控。

形成機制

當培養液中的感受態因子積累到一定濃度後，與細胞表面受體相互作用，通過一系列信號傳遞系統誘導一些感受態一特異蛋白質(competence specific protein)表達，其中一種是自溶素(autolysin)，它的表達使細胞表面的DNA結合蛋白及核酸酶裸露出來，使其具有與DNA結合的活性。

自溶素可使細胞表面的DNA結合蛋白和核酸酶裸露。

細菌自身產生的可以降解細菌細胞壁的蛋白水解酶稱為自溶素（autolysin）。肽聚糖是細菌細胞壁的重要組分之一，自溶素主要指肽聚糖水解酶。

根據酶作用於肽聚糖不同位點的化學鍵， 自溶素分為 N- 乙醯葡萄糖胺酶、N- 乙醯胞壁酸酶、N- 乙醯胞壁醯- 丙氨酸- 醯胺酶、肽酶和糖基轉移酶等。自溶素與細胞壁更新改建、細胞分裂、細胞黏附、生物膜形成、基因感受態等一系列代謝活動密切相關，對細菌生存和致病毒力至關重要。自溶素活性受到嚴格調控，既保證細菌細胞壁適度降解滿足其生存和攻擊宿主的要求，又防止自溶素過度降解細胞壁造成細菌自溶。近年來，越來越多的水解酶類在革蘭陽性細菌中得到證實， 如枯草桿菌（Bacillussubtilis）、乳酸乳球菌（Lactococcuslactis）、單核細胞增多性李斯特菌（Listeriamonocytogenes）、金黃色葡萄球菌（Staphylococcusaureus）、糞腸球菌（Enterococcusfaecalis）和肺炎鏈球菌（Streptococcuspneumoniae）等。自溶素和細菌致病毒力的關係日益受到人們的關注。

細菌自溶素參與的細菌生理活動

參與細菌生長發育

枯草芽孢桿菌的自溶素 (LytC、LytD、LytE、LytF、YwbG等)參與細菌生長和發育中各種生理活動。自溶素(LytC、LytD、LytE、LytF、YwbG)參與細胞的分裂, 通過降解分裂隔膜的肽聚糖, 而使子代細胞分離開來;自溶素(LytC、LytD)在細胞延伸過程中發揮重要作用,通過水解舊的肽聚糖而使新的肽聚糖得以延伸;LytC、LytD、LytF與調節基因sigD和sinR共同調節鞭毛的運動性和趨化性。

參與孢子形成過程

孢子形成過程中可分為六個階段: 細胞延伸、不對稱隔膜分裂、前孢子的吞噬、前孢子外兩個肽聚糖層組裝、外膜的形成和皮質的成熟, 母細胞的裂解。 自溶素參與孢子形成過程中的四個階段:不對稱隔膜分裂、前孢子 的吞噬、外膜的形成和皮質的成熟、母細胞的裂解。 如:枯草芽孢桿菌自溶素SpoIP、SpoID和蛋白SpoIBSpoIM共同參與前孢子的吞噬作用。自溶素SpoID、SpoIP和蛋白SpoIM組成一個蛋白複合物(SpoID-SpoIP-SpoIM),複合物中蛋白質之間相互作用而緊密聯結,SpoIM藉助於蛋白SpoIB而結合在中間隔膜, 從而使自溶素準確定位在中間隔膜並發揮肽聚糖水解活性, 降解中間隔膜的肽聚糖層。

生物膜形成

自然狀態下大多數細菌可形成複雜的細菌群落結構-生物膜 , 並黏附在固體表面。 生物膜對致病菌非常重要, 細菌通過生物膜可黏附在宿主表皮和移植的生物儀器上, 表現出對抗生素的抗性, 是藥物治療的一個難點。 研究報導指出細菌自溶素參與生物膜形成 , 通過其肽聚糖水解活性, 改變細胞表面電荷或暴露一些細胞吸附因子, 進而參與生物膜形成 。另外表皮葡萄球菌在自溶素AtlE介導下裂解後,釋放出細胞外DNA,其在表皮葡萄球菌生物膜形成中發揮關鍵作用, 使表皮葡萄球菌表現出毒性。

此外細菌自溶素還參與不對稱隔膜的消化、皮質的成熟、發芽、休眠細胞的復甦、捕食性細菌的裂解、遺傳轉化中的自 溶和肽聚糖層擴增等其他重要的生理活動。

自溶素調控網路

自溶素可降解細胞壁, 因此應高度嚴格的控制其表達水平及活性, 避免對宿主細胞的不正常的裂解。 正常細菌的自溶素表達水平很低, 到特定生長階段 (孢子形成、細胞分裂等)或受到抗生素和其他因素影響時, 自溶素才會提高其表達水平。 細菌對其調節是多水平的, 從轉錄水平到轉錄後水平 。 另外自溶素髮揮作用是一個複雜的調控網路 , 形成一個級聯的通路, 使得自溶素在特定的時間點才表現出活性。

研究發現, 金黃色葡萄球菌記憶體在複雜的調控網路, 調節Alt、LytM、LytN、Slel[6]多種自溶素的作用。金黃色葡萄球菌內的cid和lrg操縱子參與自溶素作用的調節 ,cid操縱子含有兩個重疊的轉錄區,一個包括cidA、cidB、cidC基因,cidA基因編碼一類穴蛋白類似物, 控制細胞裂解的, 其表達受多氧條件下過量的葡萄糖發酵形成的乙酸的誘導;而cidB和cidC基因的表達依賴於sigmaB,其中cidC基因編碼產物參與乙酸生成,有助於細胞死亡和溶解。lrgA基因編碼一類抗穴蛋白類似物,抑制cidA基因編碼產物的活性。而cid和lrg操縱子的活性受cidR基因編碼產物調節。

自溶素與致病

自溶素參與一些致病菌的致病和宿主細胞內的存活。 其機制主要包括以下幾個方面:

參與致病菌的吸附

一些革蘭陽性菌自溶素的 C端細胞壁結合功能域含有 GW模組, 可藉助這些重複區域吸附到宿主組織上並聚集。 如單核細胞增多性李斯特菌的自溶素 、表皮葡萄球菌的 AtlE和 Aae等都具有類似的 GW 重複序列。 AltC蛋白由 29個胺基酸的信號肽、兩個酶催化功能域, 三個可結合纖維蛋白的功能域組成。 纖維蛋白結合功能域的中央和末端含有甘氨酸-色氨酸模序(Glycine-trypto- phan, GW 模序), 致病菌可通過 GW重複序列結合到宿主細胞玻璃粘連蛋白、纖維結合素等。

調節宿主免疫系統

細菌通過自溶素調節肽聚糖的降解和胞壁肽的釋放, 從而在細菌感染和宿主細胞記憶體活過程中發揮重要作用。 幽門螺桿菌等一些細菌在復甦促進因子(Rpfs)作用下形成不被宿主免疫系統所識別的胞壁肽 , 改變了細菌肽聚糖結構, 應對外界環境壓力, 參與休眠細胞的復甦。 另外單核細胞增多性李斯特菌等一些細菌釋放可被宿主TLR2/NOD1/NOD2/NLR或其他免疫受體所識別胞壁肽, 通過干擾宿主的免疫系統, 而造成毒性反應 , 從而促進細菌感染。

套用

新型治療劑

伴隨著抗生素的廣泛使用, 多重耐藥菌不斷增多, 常規治療方法已難以治癒, 急需開發新的藥物來應對微生物感染。 細菌自溶素具有種屬特異性、底物特異性和高活性、容易通過基因工程的手段進行不斷修飾改善、細菌難以對其產生抗性等優點, 使其在食品科學、生物技術和醫藥領域有著廣泛的套用前景。 實驗表明小量純化的重組蛋白體外即可在幾分鐘甚至幾秒內裂解高密度的細菌細胞懸液。 此外, 純化的蛋白可與抗生素一起使用控制微生物感染, 獲得增強的抗菌效果, 並探索對耐藥菌株的抗菌活性。

體內和體外試驗證明自溶素 LytA是一類有效的治療劑,可顯著的降低腹膜內的細菌數量, 靜脈注射後, 可用來治療 - 內醯胺類抗性的肺炎鏈球菌引起的腹膜炎-敗血病 ;注射自溶素的小鼠對金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌感染表現出抗性 。 此外研究發現自溶素 LytA與頭孢噻肟、莫西沙星協同作用時可殺滅肺炎鏈球菌耐藥菌株 。

醫學方面的套用

利用細菌特異性的自溶素建立了靈敏、高特異性的病原菌檢測方法, 對預防和控制病原菌感染有著重要的意義。 鰻狀弧菌是一類魚類的主要致病菌,HongGE等針對編碼 N-乙醯胞壁醯-L-丙氨酸醯胺酶的 amiB基因而設計出檢測臨床鰻狀弧菌的方法。 PCR擴增特異的鰻狀弧菌自溶素 amiB基因, 而該基因不存在於其他 25種弧菌和腸道菌群, 以 1pg的鰻狀弧菌 DNA為模板就可擴增出目的產物, 快速、靈敏。 而基於肺炎鏈球菌的自溶素 lytA基因開發出 LightCyclerPCR法是另外一類快速、靈敏的臨床診斷肺炎球菌腦膜炎的方法, 即使在抗生素治療後仍具有很高的敏感性, 可在非培養的條件下準確的診斷肺炎鏈球菌感染 。