细菌群体感应及其在病原菌防治中的应用

细菌群体感应及其在病原菌防治中的应用梁心琰;阮海华【摘要】Bacteria releases one or several chemical molecules served as signal to estimate the density of bacteria and sense the change of environment. This chemical communication, called as “quorum sensing”(QS)is defined as a density dependent mechanism by which bacteria coordinate expression of specific target genes in response to a critical concentration of signal molecules. A many of studies had showed that the construction of various QS system depends on the type of bacteria. QS system exists widely in pathogenic bacteria, which build up the capability of infection, expression of toxic genes and pathogenesis. Therefore, it is a concerned topic in medicine realm that prevents and cures the diseases caused by pathogenic bacteria by targeting the QS system. Here, this review discussed the QS and its application in preventing and therapeutic effect for pathogenic bacteria.%细菌分泌一种或多种化学信号分子，这些化学信号分子作为诱导因子感知和判断菌群密度和周围环境的变化。

当菌群达到一定阈值时会启动一系列相关基因的表达以调控菌体的群体行为，细菌的这种生理行为称为群体感应。

大量的研究表明，不同类型的细菌具有不同的群体感应系统。

群体感应机制广泛存在于病原菌中，并与其侵染过程、毒力基因表达及致病性密切相关。

利用这种群体感应机制作为靶点进行病原菌的防治是医学领域广泛关注的问题。

在此就细菌群体感应及其在病原菌防治中的应用进行阐述。

【期刊名称】《生物技术通报》【年(卷),期】2015(000)001【总页数】6页(P33-38)【关键词】细菌;群体感应;自身诱导因子;调控;病原菌防治【作者】梁心琰;阮海华【作者单位】天津商业大学生物技术与食品科学学院，天津 300134;天津商业大学生物技术与食品科学学院，天津 300134【正文语种】中文DIO： 10.13560/ki.biotech.bull.1985.2015.01.00520世纪70年代，Nealson和Hastings［1］通过研究海洋细菌费氏弧菌（Vibrio fischeri）和哈氏弧菌（Vibrio harveyi）生物发光现象发现了菌群间的交流及相互作用。

90年代 Greenberg 等将这种细菌分泌小信号分子即诱导因子（Autoinducer），以及该因子在微生物小群体间共同行为转导中所起的调控作用定义为群体感应（Quorum sensing，QS）［1］。

群体感应参与调控细菌的多种生理过程，如生物发光、生物膜及孢子形成、细胞分化、质粒的接合转移、运动性及胞外多糖形成等，并与致病菌毒力因子的诱导、细菌与真核生物的共生、细菌素的合成及抗菌药物的研发等与人类关系密切的细菌的生理特性相关［2］。

迄今为止，大量研究发现，介导微生物群体感应的化学信号分子主要分为3类：（1）以N-酰基高丝氨酸内酯类（Acyl-homoserine lactones，AHLs）及其衍生物作为信号分子，主要作用于革兰氏阴性菌；（2）氨基酸和短肽类（Autoinducing peptide，AIPs），主要作用于革兰氏阳性菌；（3）呋喃硼酸酯类（Furanostl borate diester），即AI-2。

AI-2是由LuxS蛋白介导产生的一类信号分子，是一类种间信号分子，在革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌中均存在，可感知不同种属微生物间的数量进而调控其行为［3］。

此外，最新研究表明，在某些细菌中还发现了一类新的信号系统AI-3，这类信号分子能产生类似肾上腺素的级联放大反应［4］。

细菌群体感应系统首先由酶催化合成信号分子，信号分子经扩散或转运系统到达胞外，当累积到一定浓度后，被位于膜上的感应系统识别，引起受体蛋白的构象的变化，最终激活靶基因的表达，该表达产物能使细菌适应外界环境的变化。

细菌群体感应包括种间和种内两种群体感应系统。

1.1 细菌种内的群体感应系统1.1.1 革兰氏阴性菌的群体感应系统革兰氏阴性菌的群体感应系统主要以N-酰基高丝氨酸内酯类及其衍生物作为信号分子［5］。

AHLs由LuxI（以海洋费氏弧菌的Luciferase编码基因LUX1命名）类蛋白酶催化脂肪酸代谢途径中的酰基-酰基载体蛋白的酰基侧链与S-腺苷甲硫氨酸中高丝氨酸结合后内酯化而成，其含有高丝氨酸内酯环和一个酰胺链，酰胺链中的碳原子数（从4-18个，多为偶数，奇数中只有7）和第3位上取代基（氢、羟基和羧基）决定了该类信号分子对细菌的不同调控功能［6］。

如图1所示，AHLs信号分子由一个疏水性的高保守丝氨酸内酯环的头部和一个亲水性的可变的酰胺侧链的尾部组成，可变的酰基链的尾部决定了它的多样性。

AHLs带有短的酰胺侧链使其被动地进出细菌细胞壁，而带有长的酰胺侧链的AHLs靠主动转运机制跨过细菌细胞膜［7］。

因此，AHLs为膜透过性分子，可跨过细菌细胞膜。

当AHLs分子在环境中积累到一定浓度时，AHLs分子跨过细胞膜与胞内LuxR受体蛋白的氨基端结合，形成特定构象，使羧基端与靶DNA序列相结合，从而调控某些功能基因的表达。

同时AHLs信号分子与其受体蛋白形成的复合物也对AHLs信号分子及其受体蛋白本身的产生具有反馈调节效应。

1.1.2 革兰氏阳性菌的群体感应系统革兰氏阳性菌的群体感应系统主要利用氨基酸和短肽类作为信号分子，AIPs是由体内前体肽经加工修饰后生成的成熟的寡肽信号分子，如图2所示，它不能自由穿透细胞膜，需要ABC转运系统（ATP-Binding-cassette）或其他膜通道蛋白的帮助运送到达胞外进而行使功能。

这种寡肽信号AIPs随菌体浓度增加而增加，当达到一定浓度时，被位于膜上的受体激酶蛋白与AIPs信号分子识别后，促进此双组分磷酸激酶系统中的组氨酸残基磷酸化，后经天冬氨酸残基传递给受体蛋白，磷酸化的受体蛋白与DNA特定靶位结合，从而起到基因调控表达作用。

1.2 细菌种间群体感应系统细菌除了种内的群体感应，也存在种间的群体感应。

Mok和Bassler等［9］研究发现，哈氏弧菌QS系统既能识别AHLs分子，也能识别AI-2类分子，并通过识别AI-2类分子感知自身或其他菌数量，进而调节自身行为［10］。

AI-2信号分子在任何检测的菌种中均为呋喃酰硼酸二酯，这一点与AHLs和AIPs信号分子具有细菌特异性不同。

细菌识别AI-2信号分子的方式与革兰氏阳性菌中双组份激酶的识别系统类似。

双组份激酶识别AI-2信号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［11］。

AI-2信号分子是上下对称的双五环结构的S-腺苷甲硫氨酸。

由LuxS基因编码的蛋白酶催化形成AI-2分子前体物经一系列中间反应后，最终在硼酸离子参与下形成呋喃酰硼酸二酯。

因此，LuxS基因被认为是合成AI-2的标志基因，且在革兰氏阳性菌及革兰氏阴性菌中均较保守。

1.3 其他QS系统另外，其他一些细菌基因组中含有LuxS的类似物，能产生AI-3小分子。

研究表明，肠出血性大肠埃希氏菌（Enterohemorrhagic escherichia coli）的动力、黏附性及毒力基因的表达受其自身诱导物AI-3参与的QS系统调节［12］。

肾上腺素/去甲肾上腺素可诱导肠出血性大肠埃希氏菌毒力基因的表达，而AI-3的作用可被肾上腺素受体拮抗剂抑制，由此可推测AI-3与肾上腺素/去甲肾上腺素结构相似。

在真菌中，也有类似细菌的群体感应效应。

白色念珠菌（Candida albicans）群体效应分子法尼醇（Farnesol）是真核生物中第一个被发现的群体感应分子［13］。

它能通过改变宿主细胞膜通透性而增强白色念珠菌的致病性［14］，还能削弱宿主细胞免疫功能［15］、调控生物膜的形成［16］、介导真菌间的相互拮抗作用［17］。

另一种在白色念珠菌中发现的群体感应分子是对羟苯基乙醇（Tyrosol）。

该分子与farnesol的作用相反，可促进白色念珠菌由酵母相向菌丝相的转变［18］，与farnesol共同调控此转换。

此外，新生隐球菌（Cryptococcus neoformans）中也有群体感应样分子QSP1（Quorum sensing like peptide，QSP1）的存在，并且发现QSP1与新生隐球菌菌落的形成有关［19］。

将从正常菌株培养液上清中分离出的QSP1加入不能正常生长的Δqsp1突变菌平板中可促进该突变菌株形成正常菌落。

另有研究［20］发现荚膜组织胞浆菌（Histoplasmosis capsulati）细胞壁中α-1，3葡聚糖糖苷与其致病性密切相关。

体外条件下该菌接种密度对糖苷的产生具有显著影响，接种密度高合成糖苷，接种密度低则不合成糖苷。

如果向低密度培养体系中加入高密度培养的上清液则低密度体系可以合成糖苷。

这是由于该菌在高密度培养时释放一种相对分子量大于6 000（kD）的物质，其效应类似于细菌中的自身诱导物，可促进糖苷的合成，构成细胞的胞壁组分。

目前真菌的群体感应现象研究开展尚浅，不断有新群体效应分子被发现，如在酵母（Saccharomycetes）中发现的phenylethanol和tryptophol［21］被证实也属于群体感应分子，但其理化性质及作用机制尚未明确。

一旦建立真菌群体感应同致病性的联系，并明确其机制就可开发以真菌群体感应为靶点的新型抗菌药物及治疗手段。

2.1 抑制QS系统的应用抑制QS系统的应用主要包括3个方面：第一，控制病原菌的群体感应从而抑制致病毒素的分泌；第二，抑制QS系统的效应使病原菌难以形成对抗生素有抗性作用的生物被膜，解除病原菌的抗药性；第三，抑制病原菌的群体感应效应可调节和加强受感染者自身免疫系统的抗病能力［22］。