酰基高丝氨酸内酯——细菌与真核生物之间信息交流的介导分子.pdf

!第!"卷!第#期!$%%"年#月酰基高丝氨酸内酯###细菌与真核生物之间信息交流的介导分子"宋水山河北省生物研究所!石家庄#"##"$)河北农业大学生命科学学院!保定#($##$!!##"%$!%$!收稿!!##’%#!%#J 收修改稿!"国家自然科学基金"批准号#&#"(#)#!$和河北省自然科学基金"批准号#&#&’$#和T !##’###(#($资助项目!*%+,-.#5<7-5<,;5!=,<008:0+摘要!!许多革兰氏阴性细菌利用酰基高丝氨酸内酯"OA ‘5#作为胞间信号分子协调细菌群体基因的表达!这一OA ‘5介导的细菌群体感应系统参与细菌多种生理行为和生物学功能的调控8近年来人们研究发现细菌O A ‘5也能够影响真核基因的表达!真核生物反过来也可能会通过产生OA ‘类似物或OA ‘信号通路中的激活剂或拮抗剂与细菌群体感应系统发生相互作用!意味着细菌和真核生物利用酰基高丝氨酸内酯进行某种形式的信息交流8文中介绍了上述各方面的研究进展8关键词!!群体感应系统!酰基高丝氨酸内酯!物种间信息交流!真核?%8响应!!长期以来人们一直认为只有多细胞生物中存在细胞与细胞之间信息交流!而细菌往往被认为以单纯的单个细胞的生存方式存在于环境中8然而进入!#世纪I #年代以后!人们认识到细胞间信息交流不仅限于真核生物!在原核生物如革兰氏细菌中同样存在着细胞与细胞之间的信息交流8细菌之间是可以通过一种小分子的信号分子相互交谈8细菌根据这些信号分子的浓度监测周围环境中自身或其他细菌的数量变化!并通过信号分子发信号!启动菌体中相关基因的表达!改变和协调它们之间的行为!共同展示出它们的某些生理特性!从而表现出单个细菌无法从事的某些生理功能和调节机制8这一调控系统被称为细菌的群体感应调节"]7017+59;5-;>!d D $%$!!&8近年来研究证实!d D 参与细菌多种生理行为和生物学功能的调控!包括菌体生物发光%&&!成群浮游%)&!生物膜形成%"&!抗生素合成%’&!病原菌致病因子产生%(!J &等8不同的菌体d D 利用不同的信号分子来调控基因的表达!革兰氏阳性细菌一般利用自诱导肽"O ^[$作为d D 信号分子!革兰氏阴性细菌通常使用一种脂类化合物,,,酰基高丝氨酸内酯"O A ‘5$作为d D 信号分子感知自身数量)另外还有一类信号分子是呋喃酰硼酸二酯"O ^%!$!在革兰氏阳性和阴性细菌中均存在!它可进行种群间信息交流%I&8其中革兰氏阴性细菌O A ‘D 介导的d D 系统是备受关注的!也是研究较为深入的8O A ‘D 与许多真核生物的激素分子具有相似的结构!并且越来越多的研究指出细菌O A ‘对真核细胞具有明显的生物学效应8反过来!真核生物的激素也可能会与细菌d D 系统中的某些组分发生相互作用!进而影响细菌的细胞反应8研究和了解这种物种间双向信息交流的信号分子无疑对我们了解真核生物和原核生物的关系以及真核生物如何与有益或有害细菌共生共存并作出响应具有重要意义8本文将总结近年来有关细菌O A ‘影响真核细胞基因表达!细胞反应以及真核细胞对细菌d D 系统调控的研究进展!并对O A ‘D 是否可以作为物种间信息交流的信号分子展开讨论8!!革兰氏阴性细菌群体感应系统$@A %及其信号分子?%8A!!革兰氏阴性细菌的dD 系统主要由O A ‘类信&&I号分子及其受体蛋白组成8O A ‘信号分子可自由穿越或通过特定的转运机制透过细胞膜并在环境中累积!当达到特定的细菌群体密度!OA ‘达到一定的浓度值时!能与胞内相应受体蛋白的氨基端结合形成特定的构象!使羧基端能与靶B L O 序列相结合!从而调控某些功能基因的表达8同时!OA ‘与其受体蛋白的复合体也对编码O A ‘合成酶和受体蛋白的基因表达具有正反馈调节效应%$#&8不同细菌可以产生并利用不同的OA ‘信号分子!但所有的OA ‘分子都具有共同的典型特征!即含有高丝氨酸内酯环和一个酰胺链!所不同的是酰胺链的长度"碳原子数从)个到$J 个$!&%碳位上的取代基"氢基’羟基’羰基$或侧链中有无一个或多个不饱和键8#!?%8A 对真核细胞中基因表达的调控#"!!?%8A 对动物细胞中基因表达的调控铜绿假单胞菌"I ?R T 8O V O >E ?E R )T S D >O ?E $是动植物组织的条件致病菌!在条件合适时引起人和动物肺囊性纤维化"T H $8研究表明!I ’E R )T S D >O ?E 可产生L %"&%氧%十二酰$高丝氨酸内酯"&Z T $!%A D ‘$和L %丁酰高丝酸内酯"T )%A D ‘$!并作为d D 系统的信号分子!并且d D 系统直接影响着该细菌由条件致病菌转变成致病菌的能力%$$&8肺部组织受铜绿假单胞菌感染后!白介素%J "^‘%J $的表达水平升高!引起嗜中性白细胞向感染部位大量迁移!最终导致肺组织大面积坏死%$!&8P ,55-0;等%$&&研究发现I ’E R )T SD >O ?E 产生的一种小分子的热稳定物诱导上皮细胞和单核细胞中^‘%J 过量表达!后来证实这种小的热稳定因子就是I ’E R )T SD O >?E d D 系统中的信号分子&Z T $!%A D ‘%$)&8随后在T H 病人的唾液中检测到I ’E R )T S D O >?E 的两种信号分子!更加说明了O A ‘可能通过调控寄主免疫反应参与病原菌对寄主组织的致病过程%$)!$"&8除^‘%J 外!还有其他基因的表达也受&Z T $!%A D ‘的调节!其中包括编码环氧合酶"T 04%!$和前列腺素*合成酶"[/*D $的基因%$’&8此外!S 9.G 016等%$(&报道在鼠腹膜巨噬细胞中用&Z T $!%A D ‘处理可抑制脂多糖刺激的肿瘤坏死因子"S L H !$和^‘%$!的表达!从而有利于S <%!型细胞因子抗炎症免疫反应!而不利于S <%$型细胞因子抗炎症免疫反应8但如果用较低浓度的&Z T $!%A D ‘处理细胞!所引起的刺激反应多有利于S <%$抗炎症免疫反应8最近的研究表明!&Z T $!%A D ‘还可以调节巨噬细胞抑制蛋白P ^[%!和单核细胞趋化蛋白P ^[%$的表达8同样!不同浓度的&Z T $!%A D ‘处理细胞所表现的调节效应不同!若&Z T $!%A D ‘的浓度低于$#++0.(‘P ^[%!的表达水平上调!而P T [%$的表达被抑制!但当&Z T $!%A D ‘的浓度高于$#++0.(‘时!P ^[%!的表达也被抑制8这一现象只发生在源于骨髓的巨噬细胞和巨噬细胞(单核细胞株中!在源于上皮细胞的细胞株中未观察到这一现象%$J&8在相关研究中发现!&Z T $!%A D ‘能够阻止人乳腺癌细胞系的细胞增殖!并诱导细胞调亡%$I &8D ,.9<等%!#&利用缺失T H 跨膜转导受体蛋白"T H S C $的前列腺细胞的模型研究发现!皮摩尔浓度的&Z T $!%A D ‘可抑制两个核酸受体[!W !和[!W )的表达8这些抑制效应可被腺病毒介导的野生型T H S C 蛋白的表达所逆转!用抗炎症药布洛芬和L 016-<=610>7,-,19?-:,:-6处理细胞也可以解除&Z T $!%A D ‘对[!W !和[!W )的抑制效应!但用地塞米松和茚甲新处理细胞却不能逆转&Z T $!%A D ‘对[!W !和[!W )的抑制作用8他们的结果还表明白细胞血管生成素可能参与&Z T $!%A D ‘对[!W !和[!W )的表达的调控!但这一点仍需实验验证8另一方面!&Z T $!%A D ‘可以诱导人肺L T ^%A !I !上皮细胞株中Pb T "O T +7:-;基因的表达!也表明&Z T $!%A D ‘信号转导途径与囊性纤维化形成有关%!$&8上述结果表明!&Z T $!%A D ‘即可以调节动物寄主的免疫反应8依其浓度的高低既可以激发寄主细胞的促炎反应!又可以激发寄主细胞的抗炎反应!这些看似矛盾的实验结果可能是由于实验材料和方法的不同造成的%!!&8但也许是OA ‘调节寄主细胞基因表达的真实体现8有人认为!正是这种低浓度O A ‘抑制免疫%$(&!高浓度O A ‘过度刺激免疫反应%!&&才能保证病原菌感染致病阶段的连续性!从而有利于病原菌的侵染%!)&8低浓度OA ‘处理!相当于菌体细胞浓度低时!OA ‘抑制寄主免疫和炎症反应从而避免寄主免疫系统对入侵的少量病原菌的清除!高浓度OA ‘处理!相当于具备群体作战能力的病原菌密度时!OA ‘促进寄主炎症反应!从而有利于病菌从感染部位向周围扩散8有趣的是!)&I !第!"卷!第#期!$%%"年#月OA‘也可以影响血管中平滑肌细胞收缩%!"!!’&8这种血管扩张效应可能会改变病原菌感染部位附近的血流速率!进一步促进病原的扩散8#"#!?%8A对植物细胞中基因表达的调控欧文氏菌"W)X D>D EN E)O Q O2O)E$和某些铜绿假单胞菌是植物病原菌!其d D系统参与细菌胞外降解酶和毒性因子合成的调控%!(&8利用模式植物苜蓿"-R8D N E S O Q)T>N E Q T@E$进行的研究表明!OA‘能够影响植物基因的表达8P,?<95-75等%!J&利用蛋白质组学方法研究发现!用铜绿假单胞菌的信号分子&Z T$!%A D‘和固氮菌Y D>O)C D Z O!D T V V R@@D@O Q D的信号分子&Z T$’#$%A D‘处理苜蓿幼根后!有$"#多种蛋白质的表达发生了显著变化!并且这些蛋白质表达丰度的改变与所使用的OA‘种类和处理时间有关8类似于动物细胞!植物细胞对OA‘的响应也具有浓度依赖性!例如"#++0.(‘&Z T$!%A D‘可使’#种蛋白质的积累水平显著提高!然而当&Z T$!% A D‘的处理浓度低于"#++0.(‘时!这’#种蛋白质中的"&种蛋白表达水平与对照相比反而显著降低8这说明植物细胞对OA‘的特异性反应同样依赖于细菌数量8如果将报告基因置于受OA‘调节的基因启动子控制下并转化植物!可以发现&Z T$!% A D‘可以激活转基因植株报告基因的表达!说明OA‘可能直接调控植物中靶基因的表达%!I&8基因芯片分析显示!OA‘处理番茄根后!可以在番茄茎上引发一些防御反应!表明OA‘可在植物体内传送或诱导系统获得抗性8生物信息学分析表明!植物中受O A‘影响的蛋白质分属于几种功能蛋白!其中!&R与植物抗逆和防御反应有关!$)R参与蛋白质降解和加工过程!&(R与遗传和代谢有关!尤其重要的是受O A‘调控的蛋白质占总可分辨蛋白质的’R左右!这与假单胞菌中"R,!#R的基因转录和表达受到d D系统的直接和间接调控的结果相一致%!I!&#&!也意味着真核细胞受OA‘影响的程度接近于细菌细胞8在我们的研究中发现!用几种细菌OA‘处理拟南芥"%)E!D8O:?D?Q C E@D E>E$后!与植物防卫反应相关的酶如苯丙氨酸解氨酶!过氧化物酶!超氧化物歧化酶的活性发生变化!并且发现编码这些酶的基因转录水平受OA‘的调节"待发表$8综上所述!真核细胞能够感知入侵细菌产生的O A‘并做出主动的反应8然而迄今为止的相关研究多集中于少数几种OA‘分子!如铜绿假单细胞的&Z T$!%A D‘8有的研究对&Z T$!%A D‘和T)%A D‘进行了比较!发现多数情况下T)%A D‘并不能激发类似&Z T$!%A D‘产生的显著效应!进一步对多种合成的O A‘类似物的免疫调节效应进行系统性分析表明!酰基链的长度和其上的修饰基团决定着O A‘的生理活性!含$$,$&个碳侧链!T&位上具有羰基或羟基的OA‘具有最适活性%&$&8&Z T$!% A D‘及其密切相关化合物具有明显的特异性!预示着真核细胞中可能存在着介导OA‘调节基因表达的特异受体蛋白!尽管还未鉴定出真核OA‘受体蛋白!但这些研究结果为揭示&Z T$!%A D‘调控真核基因表达的信号转导途径提供了一丝线索8 $!?%8调控真核细胞基因表达的分子机制从理论上讲!O A‘可能通过至少&种潜在机制影响真核细胞8第一种!O A‘可能通过自由扩散或转运机制进入真核细胞内!与其特异的胞内受体结合8O A‘具有疏水结构!类似于动物脂类激素如视黄酸和甾醇类激素8研究证实!不同结构的O A‘D 能够进入真核细胞!并在真核细胞内保留其原有功能%&!,&)&)第二种!O A‘D作为真核细胞中胞内生化反应的调节因子发挥作用8O A‘D有可能调节酶的活性!也有可能作为代谢途径中的反应底物!导致激素合成量的改变)第三种!O A‘D作为真核细胞的胞外信号分子!与其膜偶联的受体蛋白结合!进而调节下游级联反应8目前!尚未有直接的实验证据支持这一假说!尽管某些甾醇类激素!如雌二醇和孕激素可通过除其核受体外的与膜结合的受体激发非基因组效应%&"&8另外!其他脂类信号分子如前列腺素既可以通过膜受体又可以通过胞内受体发挥调节作用%&’&8许多研究结果证实!OA‘可能会作为真核细胞可识别’感应并做出应答的信号分子8那么! O A‘是通过何种信号转导途径介导真核细胞对其应答呢/研究表明!真核细胞某些转录因子和蛋白激酶可能是OA‘的作用靶标8L HF M和激活蛋白"O[%!$是两种转录因子!参与动物细胞炎症反应!细胞调亡和细胞发育的调节%&(&8研究发现!L HF M 和O[%!可能参与OA‘调节动物细胞中^‘%J!"&I !第!"卷!第#期!$%%"年#月T04%!和[/*D表达的信号转导%$’!&J&8正常情况下!L HF M 与^F M蛋白结合使L HF M处于钝化状态!一旦受&Z T$!%A D‘刺激!^F M被磷酸化!泛素化进而被降解!使L HF M 呈游离状态!进而L HF M转移到细胞核调节靶基因表达8&Z T$!%A D‘处理能够诱导O[%!的B L O结合活性!如剔除^‘%J启动子中O[%!的特异结合位点!则导致&Z T$!%A D‘对^‘%J 诱导效应的降低%&J&8这些结果说明!OA‘D可能是通过调控L HF M 和O[%!影响^‘%J等基因的表达8那么!在O A‘D 和L HF M和O[%!之间是否有其他组分参与呢/在人肺上皮细胞中发现!属丝氨酸(苏氨酸有丝分裂原蛋白激酶"PO[F$家族的两个成员,细胞外信号调节激酶%$"*C F%$$和细胞外信号调节激酶%!"*C F%!$也会被&Z T$!%A D‘激活!使用PO[F抑制剂阻断了&Z T$!%A D‘对L H F M活化%&J&8在L T^%A!I!细胞中也发现PO[F抑制剂O K-?<10+=:-;抑制了&Z T$!%A D‘对癌基因Pb T"O T的诱导%!$&8这些结果表明!*C F D可能是&Z T$!%A D‘依赖的L HF M激活的上游调节因子8图!!$B C!#.%A8调控动物细胞基因表达的信号转导途径乳腺癌细胞中&Z T$!%A D‘调控细胞增殖!细胞调亡可能是通过另外的信号转导途径%$I&8用&Z T$!%A D‘处理细胞!信号转导和转录激活因子D S O S&的活性不是被促进!而是被抑制8其中只有蛋白激酶O F?([F M信号转导途径被部分抑制!而*C F的活性未受到影响8因此!OA‘D调控真核细胞基因表达的信号转导途径可能是具有细胞类型特异性8基于目前的研究结果!D<-;91等推测OA‘调控动物细胞基因表达的信号转导途径可能为如图$所示8在植物中未见有关OA‘调控植物细胞基因表达信号转导途径的报道8但在我们的研究中已发现T,!c,钙调素信号途径参与了OA‘调控的拟南芥防卫反应基因的表达"待发表$8-!真核生物对细菌@A系统的反制调控当真核宿主不断遭遇病原微生物的侵染时!真核生物会逐渐形成或利用已有的机制干扰和破坏细菌群体感应信号系统!抵御病原菌入侵%&I&8最早报道能够产生OA‘类似物的真核生物是一种海洋红藻#R@D?E:T@N C)E8它可以产生卤化呋喃!其分子结构与OA‘相似!可以和细菌的OA‘受体蛋白竞争性结合!进而促进这些受体蛋白的降解%)#!)$&8高等植物包括豇豆’番茄’野豌豆’苜蓿和水稻也会分泌某些类似细菌d D系统O A‘活性的化合物!这些OA‘类似物通过阻断病原菌致病因子的产生而发挥防御功能%)!!)&&!与来源于B9.-5,的呋喃O A‘类似物只具有抑制细菌d D系统的作用不同!高等植物和衣藻"B C@E V U8O V O>E?)R D>6 C E)8*D D$产生的O A‘类似物有的会促进!有的会抑制细菌d D系统%))&8例如!豌豆苗的渗出物抑制紫色杆菌"B C)O V O!E N Q R)D T V2D O@E N R T V$紫色素的合成!同时却能够诱导含有‘74C!O<=C或‘,5C控制的报告基因的重组大肠杆菌"W’N O@D$的生物发光!能够诱导O A‘合成缺陷的Y’@D S T N*E N D E>?的菌体浮游%)!&8除合成一些OA‘类似物外!真核生物还可能产生一些酶类!作用于细菌d D系统的组分使其降解!从而达到干扰细菌d D系统保护自身的目的8 T<7;等%)"&研究表明!哺乳动物呼吸道上皮细胞裂解物中存在可以降解&Z T$!%A D‘的物质!这种物质还可以选择性地使&Z T$!%A D‘!T’%A D‘失去生物活性!但对&Z T$’%A D‘!T$!%A D‘和T$)%A D‘不起作用!这种使OA‘钝化的活性总是与细胞膜偶联的!加热可使活性丧失!说明这种物质可能是一种酶%)"&8进一步研究表明!依细胞类型不同!它对&Z T$!%A D‘的失活能力也有显著不同!其中受病原物侵染的组织如人肺O")I细胞和人结肠T,T0%!细胞对d D信号失活能力最高8最近的研究表明!这种酶很可能是由I[3基因编码的对氧磷酶%)’&8此外!猪肾脏中的酰基转移酶!能够使T)%A D‘和TJ% A D‘脱酰基化!产生‘%高丝氨酸%)(&8M‘O D S搜索’&I!第!"卷!第#期!$%%"年#月显示!猪肾脏酰基转移酶^广泛存在于田鼠"-D N)O6 Q T?*O)Q D?$’家鼠"-T?V T?N T@T?$’斑马鱼"#E>D O )R)D O$等真核生物中8但是它的生物学功能还有待研究8在植物中目前仅发现指状岩褐藻""E V D>E)D E 8D S D Q E Q E$能产生卤素过氧化物酶催化产生卤素氧化物!它能穿透细菌的生物膜!并与OA‘信号分子起反应从而破坏它的信号功能!使细菌不能在藻类叶片上定殖!同时具有杀菌作用%)J&82!总结和展望目前!细胞信号转导已是细胞生物学界的研究热点!而物种间信息交流更是热点中的热点8从前述可知!OA‘不仅作为细菌d D系统的信号分子使细菌感知自身和环境中其他细菌种群的数量!并协调其群体行为!而且能够调控真核生物细胞中基因表达!使真核细胞产生有利于细菌行为的细胞反应8反过来!真核生物并不是被动地接受OA‘的调控!它们会在和细菌长期共生共存的进化过程中获得对细菌d D系统的反制机制!通过产生OA‘信号通路中激活剂或拮抗剂或其他物质来干扰细菌d D系统!达到有利于自身行为的目的8也就是说! OA‘介导的真核生物与细菌之间信息交流不是单向的!而是双向互动的8因此!主要用于细菌胞间通讯的信号分子OA‘及其介导的细菌d D系统可能成为细菌和真核生物共用的分子语言的基础8然而!目前的研究仅仅是处于起步阶段8我们对真核生物如何感知’解读细菌OA‘和细菌如何应答真核生物的O A‘类似物知之甚少8所面临的主要问题是确定真核生物细胞中是否存在O A‘的特异受体及克隆分离相关的基因!研究O A‘调控真核生物基因表达和真核类OA‘化合物调节细菌d D系统的信号转导途径8了解这些问题可以使我们设计和开发针对细菌和真核生物之间信息交流的药物和技术!减弱病原菌的致病性!提高动植物的抗病性8本研究室从细菌中克隆了能水解O A‘的E D D%基因%)I&!分别转入大肠杆菌和根际有益促生菌荧光假单胞菌[&#&中!这两种工程菌可显著抑制病原欧文氏菌的致病性!转E D D%基因的拟南芥也表现出良好的抗病性"另文发表$8迄今为止!有关细菌和真核生物之间信息交流的研究多集中于病原细菌和其真核寄主!这种信息交流的目的似乎是通过调控靶基因的表达而使信号产生者受益8也就是说!这种信息交流是互相戒备’互相抵御的8那么!自然界中是否存在细菌和真核生物之间互惠互利的信息交流呢/OA‘是否直接参与细菌和真核生物共生互利关系的建立和调节呢/这些都需要进行大量的工作得以证实8参!考!文!献$!P-..91P M!M,55.91M‘8d7017+59;5-;>-;3,:?91-,8O;;7C9Y P-0103-0.!!##$!""#$’",$I I!!吴!红!宋志军!A&-3=L!等8细菌与细菌之间的信息交流%革兰氏阴性细菌的d7017+%59;5-;>系统8自然科学进展!!##&!$&#’(I,’J(&!L9,.50;F A![.,??S!A,5?-;>QX8T9..7.,1:0;?10.0G?<95=;% ?<95-5,;6,:?-Y-?=0G?<93,:?91-,..7+-;95:9;?5=5?9+8QM,:?91-%0.!$I(#!$#)#&$&,&!!)!*391.‘!X-;50;P F!D?91;391>T!9?,.8^;Y0.Y9+9;?0GL%,:% =.%‘%<0+0591-;9.,:?0;9,7?0-;67:915-;:0;?10..-;>?<9+7.?-:9.% 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!著科学出版社!定价#$"#8##元这部经过彻底修订的第二版2人脑功能3阐述了现代无创伤脑成像技术的理论’实践和应用方法!以及在探索正常脑和疾病脑的结构和功能中的应用8本书由功能成像实验室"H 7;:?-0;,.^+,>-;>‘,301,?01=!H ^‘$的成员所撰写!H ^‘是维康基金会"X 9..:0+9S 175?$资助的伦敦实验室!在过去的$#年一直致力于发展脑成像技术的方法和应用8本书由两大部分构成!第一部分介绍了感觉’认知和行动领域的人脑功能研究的进展!通过对正常功能和疾病引起的功能异常的研究!提供了人脑如何组织的相关信息8第二部分包括了相关实验设计和数据分析的理论和应用方法8通过介绍功能磁共振成像"G PC ^$!描述了脑成像领域的主要进展和变化!概述了整合于流行分析软件包D [P 的基本原理和新内容!这其中包含了H ^‘国际长期合作者的贡献!他们都参与了脑成像数据分析框架的艰苦工作8本书独特的单实验室背景反映了现代成像神经科学的交叉整合研究趋势!它将不断地激励所有对脑成像新发现感兴趣和希望积极参与本领域研究的人们8,综述脑高级功能!包括认知’感觉’情绪和行动领域的主要进展,整合了正常人和病人研究的信息成果,内容新!可读性强!图例丰富!文献完整,对广受赞誉的第一版进行了大量的补充和完善I&I !第!"卷!第#期!$%%"年#月。