细菌群体感应系统信号分子的分类及检测

细菌群体感应系统信号分子的分类及检测
张彩凤
【摘要】Quorum-sensing is a regulatory mechanism,with which the bacteria will release a number of specific signaling molecules,which regulate the group behavior of the specie or other species in the same environment.When the signaling molecules density reaches a critical threshold,bacteria can alter the gene expression to suit the change of environment.This review focuses on the classification of Quorum-sensing,and describes the forecast of application.%细菌的群体感应系统（Quorum-sensing,QS）作为一种细胞的信号转导机制,是细菌通过特定的信号分子浓度来监测周围环境中本身或其它细菌的数量变化,当信号分子达到浓度阈值时,能够启动菌体中相关的基因表达来适应环境变化的一种调控机制。

笔者综述了细菌群体感应系统的分类,并对其应用前景进行了展望。

【期刊名称】《生命科学仪器》
【年(卷),期】2011(009)005
【总页数】2页(P52-53)
【关键词】群体感应;信号分子;检测
【作者】张彩凤
【作者单位】河北省衡水学院生命科学学院,河北衡水053000
【正文语种】中文
【中图分类】Q26
细菌群体感应系统的研究，已成为国内外研究的热点。

革兰氏阳性细菌及阴性细菌都通过群体感应与周围环境进行信息交流，现已知QS系统参与许多细菌重要的生物学功能调节，如生物的发光、抗生素的合成、质粒的结合转移、病原细菌胞外酶与毒素的产生、生物群游现象以及生物膜形成、根瘤菌与植物共生等等[1]。

近年来，作为重要调控的细菌QS系统，是否还具有其他生物学功能成为生物学界的热门研究课题之一。

1 目前根据细菌合成的信号分子及其感应机制的不同，QS系统基本可分以下三种类型：
1.1
以脂肪类衍生物作为信号分子的QS系统，主要存在于革兰氏阴性菌。

对革兰氏阴性菌而言，这类化合物大部分是属于N-酰化高丝氨酸内酯( N-acylated homoserine lactones， AHLs)类的信号分子：主要由LuxR蛋白和LuxI蛋白组成，LuxR蛋白是细胞内自体诱导物的受体蛋白，当外界AHL浓度达到一定阈值时，LuxR蛋白就会与AHL结合，形成的LuxR-复合物能够激活某些生物学特性的基因表达[2]。

每分子的LuxR类蛋白结合一分子自体诱导物后,能与特异的靶基因启动子结合,从而激活目的基因的转录；LuxI蛋白是自体诱导物合成酶，合成AHL信号分子。

由于其结构的不同，AHLs呈多样化，其区别在于它们是由相同的内酯环连接不同长度的酰基化的高丝氨酸侧链，并且AHL的产生和检测分别依赖于LuxI类的合成酶及LuxR类的结合转录激活蛋白[3]。

细菌AHL-群体感应系统参与病原菌的发病，并发挥着关键作用，因此可以成为利用生物技术防治细菌病害的新靶标。

1.2
以氨基酸或短肽类为信号分子的QS系统，主要存在于革兰氏阳性细菌。

这类化合物一般利用寡肽类分子(oligopep tides)作为信号分子。

寡肽信号分子是以前体肽的形式合成，并且在细胞质中由前导肽切割、加工而成，加工修饰后再由ABC (ATP-binding cassette)系统或者其他跨膜蛋白输出。

该群体感应系统中细菌利用双组分感应蛋白对外界环境刺激进行感应,并将信息传递给细胞,调控相关基因的表达。

该信号的传递系统是通过对双组分蛋白质的磷酸化及去磷酸化机制进行基因表达调控的。

1.3
兼具革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌的双群体感应系统，如哈氏弧菌( V.harveyi)的QS系统。

该系统产生AHL类信号分子，但对它的检测却是一种类似革兰氏阳性
细菌的双组分磷酸传递系统。

目前还发现哈氏弧菌产生另一种信号分子，但现在普遍认为，许多革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌都可以产生这种信号分子，这种信号分子产生依赖于一个被称为LuxS的蛋白，它与具有特异性的AHLs和寡肽类信号分子不同，一般认为这种信号分子是种间细胞交流的通用信号分子[4]。

2 群体感应系统信号分子的检测方法
信号分子作为细菌QS系统中的关键因子，是细菌之间的交谈语言。

因此如何快速、准确地测定细菌是否产生信号分子，以及产生的信号分子的种类、环境信号分子的消长变化成为研究细菌QS系统的重要手段。

目前用于检测细菌信号分子的方法主要包括物理学的检测手段和微生物传感菌检测。

2.1 物理学的检测手段
由于细菌产信号分子的浓度较低，一般使用高效液相色谱-技术来检测、纯化来自
液体培养基的样品，该方法不仅能够定量还能鉴定信号分子的性质。

同时还可以通过连接质谱、核磁共振来或红外光谱来鉴定信号分子的结构以及信号分子的性质，不过其操作复杂，费用昂贵等原因难以成为检测信号分子的常规方法。

2.2 采用微生物传感菌检测法
微生物传感菌的工作原理是人为地删除某些细菌产生信号分子的功能性基因或使其不能产生信号分子，并且这些细菌本身含有LuxR类似的功能基因和其相应的启动子序列以及与其融合在一起的报告基因(如luxAB，lacZ，gfp等)，这时构建的突变株便成为信号分子的生物感应器。

当遇到外源信号分子时，报告基因的转录表达被启动, 通过检报告基因的活性便可以检测信号分子的存在。

比如McClean等[5]采用转座子插入突变法破坏紫色杆菌(Chromobacterium violaceum)AHLs合成酶基因cviI和紫色杆菌素合成抑制基因而构建的紫色杆菌突变株CV026，在含有外源的AHLs 培养基中培养CV026时, 紫色杆菌素可迅速产生。

该传感菌对C6-AHL最敏感, 还可以检测其他中链信号[6]。

3 展望
微生物群体感应系统的研究已成为微生物学领域的研究热点之一。

QS系统是一种群体行为调控机制，使单细胞细菌能模仿多细胞生物,进行一些作为单细胞个体所做不到的行为。

随着研究的不断深入，人们发现QS系统参与调控细菌的多种生活习性以及各种生理过程,QS系统在病原菌与病原菌、病原菌与宿主之间有密切的关系，使其成为生物疾病防治和治疗动植物病害的新突破口。

我们可以针对细菌QS 系统对细菌的某些功能进行干扰或促进,从而达到有益于人类的目的，群体感应调节研究具有巨大的潜在应用价值。

参考文献
【相关文献】
[1]Whistler C A，Pierson L S.Repression of phenazine antibiotic production in Pseudomonas aureofaciens strain 3084 by RpeA[J].Bacteriology，2003(185)：3718-3725.
[2]Fuqua W C，Winans S C，Greenberg E P.Quorum sensing in bacteria：the LuxR-LuxI family of cell density-responsive transcriptional regulators[J].Bacteriol，1994，176(2)：
269-275.
[3]Senadheera D，Cvitkovitch D G.Quorum sensing and biofilm formation by Streptococcus mutans[J].Adv Exp Med Biol，2008，631：178-188.
[4]Schauder S，Shokat K，Surette M G，et al.The LuxS family of bacterial autoinducers：biosynthesis of an novel quorumsensing singnal molecule[J].Mol Microbiol，2001，41(2)：463-476.
[5]McClean K H，Winson M K，Fish L，et al.Quorum sensing and Chromobacterium violaceum：exploitation of violacein production and inhibition for the detection of N-acylhomoserine lactones[J].Microbioogyl，1997，143：3703.
[6]DePalma A.Chiral chemistry is still evolving，driven by techniques and business demands[J].Genetic Engineering News，1997，17(18)：19-15。