细菌群体感应系统和其应用培训课件
合集下载
微生物群体感应系统讲课稿
生命科学学院 College of Life Science
QS系统的特点—复杂性
(1)信号分子功能的复杂性： 有的 QS系统中的信号分子不仅 作为环境信号，而且具有其它功能，如某些乳酸菌中的 QS系统的信号分子具有抗菌活性
(2)系统组成的复杂性： 在 V. harveyi中发现了一个与众不同 的 QS系统，该系统信号分子产生系统与 G-菌相似，而信 号分子的识别则与 G+菌相似
系统一致, 即双组分激酶识别 AI-2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。
生命科学学院 College of Life Science
哈维氏弧菌
生命科学学院 College of Life Science
生命科学学院 College of Life Science
QS系统的特点—多样性
生命科学学院 College of Life Science
生命科学学院 College of Life Science
级联放大的正反馈效应
生命科学学院 College of Life Science
• 自诱导分子：脂肪酰基高丝氨酸内酯(acyl homoserine lactones，AHL) AHL可自由出入于细胞内外
• 不同革兰阴性菌的LuxI—AHL型QS系统有所差别，其AHL类自诱导
剂都是以高丝氨酸为主体，差别只是酰基侧链的有无及侧链的长短不
同
生命科学学院
College of Life Science
生命科学学院 College of Life Science
常见的AHL分子及其功能
生命科学学院 College of Life Science
不同种属群 间的竞争
QS系统的特点—复杂性
(1)信号分子功能的复杂性： 有的 QS系统中的信号分子不仅 作为环境信号，而且具有其它功能，如某些乳酸菌中的 QS系统的信号分子具有抗菌活性
(2)系统组成的复杂性： 在 V. harveyi中发现了一个与众不同 的 QS系统，该系统信号分子产生系统与 G-菌相似，而信 号分子的识别则与 G+菌相似
系统一致, 即双组分激酶识别 AI-2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。
生命科学学院 College of Life Science
哈维氏弧菌
生命科学学院 College of Life Science
生命科学学院 College of Life Science
QS系统的特点—多样性
生命科学学院 College of Life Science
生命科学学院 College of Life Science
级联放大的正反馈效应
生命科学学院 College of Life Science
• 自诱导分子：脂肪酰基高丝氨酸内酯(acyl homoserine lactones，AHL) AHL可自由出入于细胞内外
• 不同革兰阴性菌的LuxI—AHL型QS系统有所差别，其AHL类自诱导
剂都是以高丝氨酸为主体，差别只是酰基侧链的有无及侧链的长短不
同
生命科学学院
College of Life Science
生命科学学院 College of Life Science
常见的AHL分子及其功能
生命科学学院 College of Life Science
不同种属群 间的竞争
微生物生理学(王海洪)9细菌的群体感应调节PPT课件
抑制信号转导蛋白
通过药物或其他小分子抑制与信号转 导相关的蛋白活性，可以阻断信号转 导途径，从而干扰群体感应的调控。
05 群体感应的研究前景与展 望
群体感应与其他微生物的相互作用
群体感应细菌与病原菌的相互作用
群体感应细菌通过群体感应系统调节其行为，与病原菌相互作用，影响病原菌的感染和 传播。
群体感应细菌与益生菌的相互作用
群体感应的信号转导
信号转导
群体感应的信号转导是指信号分子与受体结合后，通过一系列生化反应，将信号传递至细胞内，影响细菌的生理和行 为。
信号转导途径
群体感应的信号转导途径通常涉及多个蛋白和反应，如激酶、磷酸酶、转录因子等。这些蛋白和反应共同作用，将信 号分子传递的信息转化为细菌可识别的信号，进而影响其行为。
益生菌通过与群体感应细菌的相互作用，可以调节肠道微生物群落的结构和功能，维护 肠道健康。
群体感应与环境因素的关系
要点一
温度、湿度等环境因素对群体感 应细菌的影响
环境因素可以影响群体感应细菌的生理和行为，进而影响 其在生态系统中的作用。
要点二
抗生素对群体感应的影响
抗生素的使用可以影响群体感应细菌的耐药性和致病性， 因此需要深入研究抗生素对群体感应的影响。
AI-2
又称作LuxS代谢产物，是一种由多种革兰氏阴性菌和阳性菌分泌的信号分子。AI-2通过 与 LuxP 受体结合，影响细菌的群体行为。
群体感应的受体
LuxQ
是一种膜蛋白，作为AI-1的受体，能够识别并响应AI-1信号 分子。LuxQ受体的活化可以影响细菌的群体行为。
LuxP
是一种膜蛋白，作为AI-2的受体，能够识别并响应AI-2信号 分子。LuxP受体的活化可以影响细菌的群体行为。
通过药物或其他小分子抑制与信号转 导相关的蛋白活性，可以阻断信号转 导途径，从而干扰群体感应的调控。
05 群体感应的研究前景与展 望
群体感应与其他微生物的相互作用
群体感应细菌与病原菌的相互作用
群体感应细菌通过群体感应系统调节其行为，与病原菌相互作用，影响病原菌的感染和 传播。
群体感应细菌与益生菌的相互作用
群体感应的信号转导
信号转导
群体感应的信号转导是指信号分子与受体结合后，通过一系列生化反应，将信号传递至细胞内，影响细菌的生理和行 为。
信号转导途径
群体感应的信号转导途径通常涉及多个蛋白和反应，如激酶、磷酸酶、转录因子等。这些蛋白和反应共同作用，将信 号分子传递的信息转化为细菌可识别的信号，进而影响其行为。
益生菌通过与群体感应细菌的相互作用，可以调节肠道微生物群落的结构和功能，维护 肠道健康。
群体感应与环境因素的关系
要点一
温度、湿度等环境因素对群体感 应细菌的影响
环境因素可以影响群体感应细菌的生理和行为，进而影响 其在生态系统中的作用。
要点二
抗生素对群体感应的影响
抗生素的使用可以影响群体感应细菌的耐药性和致病性， 因此需要深入研究抗生素对群体感应的影响。
AI-2
又称作LuxS代谢产物，是一种由多种革兰氏阴性菌和阳性菌分泌的信号分子。AI-2通过 与 LuxP 受体结合，影响细菌的群体行为。
群体感应的受体
LuxQ
是一种膜蛋白，作为AI-1的受体，能够识别并响应AI-1信号 分子。LuxQ受体的活化可以影响细菌的群体行为。
LuxP
是一种膜蛋白，作为AI-2的受体，能够识别并响应AI-2信号 分子。LuxP受体的活化可以影响细菌的群体行为。
e42-1群体感应
e42-1 群体感应
群体感应是指某个菌体能够感应到周围环境中同种细菌的其他成员的存在并做出反应的现象。
在上个世纪60年代后期，J.Woodland Hastings等人发现，某些海洋发光细菌只有在达到临界数量后才会发光，而在细菌数量不足时就保持黯淡。
对此他们认为，细菌释放了一种叫自诱导物（autoinducer）的信号分子，来对生物荧光进行调控，同时用它来监测同种细菌的密度。
直到1981年，他们才首次纯化并确定自诱导物是一种脂酰高丝氨酰内酯（acylated homoserine lactone，AHL）。
目前已知具有群体效应的菌体会持续地释放出自诱导物，随着群体扩展，更多自诱导物被增殖的细菌制造，并释放到菌体周围，其浓度也因此渐渐上升。
一旦自诱导物浓度达到一个临界值，细菌便可感应到群体数目的变化，一些细胞行为也会因此改变，如生物荧光、接合作用、转化作用、孢子生成、生物薄膜（biofilm）形成、抗生素和毒素的合成。
迄今为止，具有群体感应的菌种已达数十种，其中，革兰氏阴性菌有两类自诱导物——AHL和呋喃糖硼酸二酯（furanosyl borate diester），革兰氏阳性菌则以寡肽为自诱导物。
以AHL为自诱导物的系统是由luxI和luxR两个结构基因组成，分别编码AHL合酶和AHL反应调节蛋白。
产生的自诱导物分子需要和反应调节蛋白结合，才能控制与群体感应有关的多个基因的表达（图e42-1），例如Vibrio fischeri及V. harveyi的生物荧光基因。
图e42-1 细菌群体感应的LuxI/LuxR系统。
细菌群体感应系统及其应用课件
群体感应在细菌耐药性中的作用
群体感应在细菌耐药性中的作用
群体感应在细菌生物被膜形成中的作用
01
02
03
04
05
05
总结与展望
总结
细菌群体感应系统的基本概念
01
细菌群体感应系统的研究进展
02
细菌群体感应系统的应用领域
03
展望
未来研究方向
随着基因组学、蛋白质组学和代 谢组学等技术的发展，未来将进 一步揭示细菌群体感应系统的分 子机制，为相关应用提供更多可
菌群体感系及
• 细菌群体感应系统概述 • 细菌群体感应系统的组成 • 细菌群体感应系统的应用 • 细菌群体感应系统研究的前景与挑
战
01
细菌群体感应系统概述
群体感应的定义
群体感应 群体感应系统
群体感应的发现与历史
01
1950年代
02
1980年代
03
1990年代
04
2000年代至今
群体感应的机制
AI-1信号分子
AI-2信号分子
群体感应受体蛋白
LuxQ受体蛋白
LuxP受体蛋白
结合AI-2信号分子，影响细菌的生物 膜形成和毒力。
群体感应调控基因
lux操纵子
包含一系列受群体感应调控的基因，如luxCDABE基因编码生物发光所需的酶。
AI-2合成酶基因
如luxS基因，编码AI-2信号分子合成酶。
能性。
应用前景
随着对细菌群体感应系统认识的 深入，其在农业、工业和医疗等 领域的应用将更加广泛，有望为
人类带来更多的益处。
面临的挑战与问题
尽管细菌群体感应系统具有广泛 的应用前景，但仍面临许多挑战 和问题，如如何提高应用的效率 和安全性等，需要进一步研究和
细菌群体感应系统与应用
群体感应
毒力因子的产生：
肠球菌的主要毒力因子是溶
细胞素，由 2 个亚单位CylLL 和CylLS组成，在胞外以具有 毒性的CylLL ″和CylLS″形式 存在。研究表明，CylLS″担 任了QS系统机制中信号分子
的作用。Coburn等发现，
CylLL ″优先与靶细胞结合， 导致游离 CylLS″的积累并超 过诱导阈值，然后激活CylLS 表达，产生高水平的溶细胞
海洋红藻(Delisea pulchra)产生的卤化呋喃酮结构和AHL相似，用
该卤化呋喃酮处理V. fiscberi后，其QS系统被竞争性的抑制。另外吡
咯酮类化合物、某些取代的HSL化合物、二酮哌嗪类化合物等也能够起 到相类似的作用。在G+菌中，尽管AIP分子调控许多致病基因的表达， 但目前还没有专门针对其QS系统的防病策略。仅在金黄色葡萄球菌发现 其产生不同种类的AIP之间可以相互抑制。因此可以通过设计与病菌AIP 分子相似的物质来破坏其QS统，从而增强植物等的抗病性
种内交流：G- 的QS系统
费氏弧菌的AHL-LuxI／LuxR 型系统：
LuxI产生AHL，自由通过 细胞膜，分泌到胞外
AHL随菌体浓度上升在胞 外积累到阈值
AHL扩散入胞内与LuxR蛋 白结合，形成AI／LuxR
复 合体，并结合到 DNA上， 激活发光基因的启动子
转 录
种内交流：G- 的QS系统
谢 谢！
让我们共同进步
群体感应的抑制
1.产生可以使AHL分子灭活的AHL降解酶，使病原菌QS系统不 能启动它所调控的基因
内酯酶(AHL-1actonase) 和酰基转移酶(AHL-acylase) 目前都已经 在一些细菌中被发现。内酯酶可以水解AHL的内酯键，生成的N-酰基高 丝氨酸内酯的生物活性大大降低
微生物群体感应系统
群体感应 (quorum sensing, QS)
群体感应系统
自诱导分子 （autoinduc
er, AI）
概念
第一节 群体感应的分子机制
群体感应
种内QS系统 种间QS系统
G-菌QS系统 G+菌QS系统
一、G-菌QS系统—LuxI-AHL型QS系统
细胞达到一定密度，信号分子接近浓度阈值 信号分子通过细胞膜的方式：自由扩散
• AHL-LuxR复合物作为转录因子，激活目标基因的表达；还可激活 LuxI的表达，形成级联放大的正反馈效应。
• 不同革兰阴性菌的LuxI—AHL型QS系统有所差别，其AHL类自诱导 剂都是以高丝氨酸为主体，差别只是酰基侧链的有无及侧链的长短不 同
常见的AHL分子及其功能
常见的AHL分子及其功能
（2）使用信号分子类似物：产生病原菌信号分子的类似物 与信号分 子受体蛋白竞争结合, 从而阻断病原菌的 QS系 统 卤代呋喃酮更容易结合在 LuxR蛋白并使其失活
（3）阻断信号分子的合成
acyl-ACP 和SAM的类似物可以有效抑制 AHL的合成
三、防治生物污染
• 生物污染指细菌在有水的管道或界面，生长形成生物被膜 后，污染或腐蚀这些装置。
鞭毛和运动相关的趋化作用基因
第三节 群体感应的应用
一、病原菌的诊断
• 根据OS信号分子的特异性：是否产生、种类、环 境信号分子的消长变化
• 物理学的检测手段和微生物传感菌检测
二、新的抗菌策略
（1）降解信号分子：产生可以使 AHL分子灭活的 AHL降解 酶, 使病原菌 QS系统不能启动它所调控的基因 芽胞杆菌中水解 AHL的内酯酶 AiiA； 根癌土壤杆菌中内酯酶 AtM
• AIP通过细胞膜的方式： ABC 转运系统
第章群体感应系统_图文
孢子形成 不同种属竞争
细菌运动
群体感应的生物效应
生物发光（例1：海洋细菌用光引诱浮游动物和鱼）
细菌发光吸引浮游生物（摄食细菌但不能消化细菌），继续在 浮游动物肠道内发光，透露了浮游动物的存在
夜行鱼容易检测到发光浮游动物并吃掉它们，发光细菌继续存 活在鱼肠道
浮游动物被细菌光辉吸引并食用发光物质与它们的生存本能矛 盾，增加了被鱼攻击与吞食的机会，调节细菌生物发光的群体 感应现象能解释这项发现
研究者测定了群体感应系统调节基因的编码特征和细菌分离的生 态环境之间的关系，结果表明，群体感应系统在细菌进行栖息地 延伸的过程中扮演着重要角色
为理解细菌的致病性以及难根除的感染性疾病机制提供了新思路
PNAS, /cgi/doi/10.1073/pnas.1214128109 ,2012
系统组成复杂性：在V.harveryi中发现与众不同的QS系统，该 信号分子系统与G-菌相似，而信号分子的识别与G+菌相似
QS系统之间关系复杂性：多种QS系统构成复杂的调控网络，
如P.aeruginosa中含有3个QS系统
群体感应的生物效应
生物发光
生物膜形成
致病因子产生
抗生素 合成
毒力因子诱导 细菌宿主侵袭
依赖生长期和细胞密度：对数期或稳定期在环境中积累达到较高浓 度，其所调节的基因表达量最大
细菌感染调控：许多信息素产生菌是动植物致病菌或共生菌，它在 细菌和宿主之间的相互作用中起着重要的调控作用
兼具抗生素活性：Lactococcus lastis产生的乳链球菌素nisin，既作为 信息调节细胞生物合成和免疫基因的表达，也拮抗其他微生物；植 物乳球菌 (L. plantarum) 产生的植物乳杆菌素A也有信息素和抗生素 的双重活性
第6章群体感应系统
细菌和宿主之间的相互作用中起着重要的调控作用
兼具抗生素活性：Lactococcus lastis产生的乳链球菌素nisin，既作为 信息调节细胞生物合成和免疫基因的表达，也拮抗其他微生物；植
物乳球菌 (L. plantarum) 产生的植物乳杆菌素A也有信息素和抗生素
的双重活性
群体感应的定义
QS信号分子分类
化，
监测菌群密度、调控菌群生理功能，从而适应环境条
件的一种信号交流机制，又称细胞交流或自诱导 (Auto-induce)
群体感应调节
细菌释放自诱导物质 (Auto-inducer, AI) 的信号分子
临界浓度时，AI能启动菌体相关基因的表达，调控细菌的生 物行为（产生毒素、生物膜、抗生素、孢子、荧光等），使
为理解细菌的致病性以及难根除的感染性疾病机制提供了新思路
PNAS, /cgi/doi/10.1073/pnas.1214128109 ,2012
群体感应的生物效应
生物膜形成调控（例2：帮助细菌扩大地盘）
P.Aeruginosa 和生态环境分离菌的群感基因相互 关系韦恩图
QS参与致病菌的毒力因子诱导、细菌与真核生物的共生、 抗生素与细菌素合成等与人类关系密切的细菌生理特性
群体感应的研究意义
了解单细胞微生物的信息交流与行为特性关系，建立化学 信号物质和生理行为的联系，例如：
龋齿周围生物膜形成参与的菌种，所有细菌均参与群体感应
Nature Reviews, Biotechnology
且很快被降解掉
群体感应的分子机制
革兰氏阴性菌QS系统—LuxI-AHL型
AHL可自由出入细胞体内外 细胞达到一定密度，信号分子接近浓度阈值 信号分子通过细胞膜的方式：自由扩散
细菌的感染和免疫PPT课件
细菌的感染和免疫与人类健康和疾病密 切相关，研究细菌的感染和免疫有助于 提高人类健康水平，减少疾病的发生和
传播。
02 细菌的感染机制
细菌的种类和特性
01
02
03
革兰氏阳性菌
具有较厚的细胞壁，对青 霉素等抗生素敏感。常见 的革兰氏阳性菌有葡萄球 菌、链球菌等。
革兰氏阴性菌
具有较薄的细胞壁，对氨 苄西林等抗生素敏感。常 见的革兰氏阴性菌有沙门 氏菌、大肠杆菌等。
降低细菌感染的发病率和死亡率。
未来研究方向与挑战
深入研究细菌变异和进化 机制
随着抗菌药物的广泛应用，细菌的耐药性不 断增强，需要深入研究细菌变异和进化机制 ，为新药研发提供理论支持。
探索新型抗菌药物的作用机 制
随着抗菌药物的研发，需要进一步探索新型抗菌药 物的作用机制，确保药物的有效性和安全性。
加强国际合作与交流
感染的症状和后果
咳嗽
肺部感染时会出现咳嗽症状， 痰液可能带有血丝。
呼吸困难
严重感染可能导致呼吸困难， 甚至呼吸衰竭。
发热
感染后通常会出现发热症状， 体温升高。
乏力
感染后可能出现全身乏力、肌 肉酸痛等症状。
免疫系统受损
长期感染细菌可能导致免疫系 统受损，容易感染其他疾病。
03 人体免疫系统概述
免疫系统的组成和功能
免疫应答的过程和效应
固有免疫应答
固有免疫细胞如巨噬细胞、树突状细 胞等快速识别并清除被感染的细胞和 细菌。
适应性免疫应答
B细胞和T细胞在抗原刺激下分化、增 殖，产生特异性抗体或细胞因子，发 挥免疫效应。
免疫应答的调节机制
正向调节
Th1、Th2、Th17等辅助性T细胞通过分泌细胞因子促进B细胞和T细胞的增殖 和分化，增强免疫应答。
细菌的感染与免疫课件
眼结膜
表皮葡萄球菌、干燥棒状杆菌、丙型链球菌、奈瑟菌
*：不属于正常菌群，但是医学上重细菌要的感的染定与免居疫课菌件。
正常菌群生理学意义
1．生物拮抗——作屏障 2．营养作用——产营养 3．免疫作用—— 有免疫 4．排毒作用——除废物
细菌的感染与免疫课件
有些细菌在正常情况下并不致病，在某些 条件改变的特殊情况下可以致病
细菌的感染与免疫课件
种类
来源 存在部位
内毒素与外毒素的比较
外毒素
革兰阳性菌及部分革兰阴性菌 活菌分泌或细菌溶解后散出
细胞壁成分、细菌裂解后释出
化学成分 蛋白质
稳定性 差
、
毒性作用 强、
抗原性 强，
特征
细菌的感染与免疫课件
•
细菌的感染与免疫课件
人体内存在着较完善的免疫系统
免疫器官 免疫细胞 免疫分子
• 接触传播
– 直接接触传播 – 间接接触传播
• 空气-飞沫传播 • 血液-体液传播
细菌的感染与免疫课件
由医院内患者、病原携带 者或医务人员直接或间接接触引起的感染。
在治疗、诊断和 预防过程中，由于所用器械消毒不严而造成的感染。
• 内源性感染
– 患者非特异性免疫与特异性免疫受损；接受侵（介）入性诊 治措施；微生态平衡遭受破坏，患者自身的正常菌群可因菌 群失调或定位转移而引起医院感染。
细菌的感染与免疫课件
细菌的感染与免疫课件
第二节 细菌的致病机制
• 一、细菌的毒力强弱 • 二、侵入宿主机体的菌量 • 三、侵入部位是否合适
细菌的感染与免疫课件
（一）侵袭力（invasiveness）
粘附与定植：表面结构
– 荚膜 – 菌毛 – 磷壁酸、表面蛋白
群体感应系统专题培训课件
群体感应的分子机制
革兰氏阴性菌QS系统—LuxI-AHL型
AHL可自由出入细胞体内外 细胞达到一定密度，信号分子接近浓度阈值 信号分子通过细胞膜的方式：自由扩散
群体感应的分子机制
革兰氏阴性菌QS系统—LuxI-AHL型
AHL-LuxR复合物作为转录因子，激活目标基因的表达 还可激活LuxI的表达，形成级联放大正反馈反应
依赖生长期和细胞密度：对数期或稳定期在环境中积累达到较高浓 度，其所调节的基因表达量最大
细菌感染调控：许多信息素产生菌是动植物致病菌或共生菌，它在 细菌和宿主之间的相互作用中起着重要的调控作用
兼具抗生素活性：Lactococcus lastis产生的乳链球菌素nisin，既作为 信息调节细胞生物合成和免疫基因的表达，也拮抗其他微生物；植 物乳球菌 (L. plantarum) 产生的植物乳杆菌素A也有信息素和抗生素 的双重活性
费式弧菌 LuxI-LuxR 型QS系统 示意图
群体感应的分子机制
革兰氏阴性菌QS系统—LuxI-AHL型
常见的AHL分子及其功能
群体感应的分子机制
革兰氏阳性菌的QS系统—AIP-TCS三组分系统
信号分子：AIP（autoinducing peptides， 自诱导肽）
AIP前体肽经转录一系列修饰加工， 在不同细菌中形成长短不同、 稳定特异的AIP
群体感应的分子机制
革兰氏阴性菌QS系统—LuxI-AHL型
自诱导分子：脂肪酰基高丝氨酸内酯（acyl homoserine lactones, AHL）
AI合成蛋白（LuxI蛋白酶）：可催化带有酰基载体蛋白的酰基 侧链与S-腺苷蛋氨酸上的高丝 氨酸结合生成AHL
【优】群体感应最全PPT资料
2021/7/9
➢群体感应（QS）广泛存在于细菌中,是细 菌根据细胞密度变化调控基因表达的一种 机制。
2021/7/9
2. 分类
群体感应
种内QS系统
G+菌QS系统 G-菌QS系统
种间QS系统
种间QS系统
2021/7/9
2.1 G-菌QS系统
在生物膜法水处理中的应用 AI-2(呋喃酰硼酸二酯类化合物) G+菌——双组分信号转导系统; G-菌——受体蛋白 （5）信号响应的多样性 群体感应参与调控细菌的多种生活习性以及各种生理过程 最近，一种被称为LED209的分子被发现能够抑制QseC介导的致病基因激活及诸如EHEC、鼠伤寒沙门菌和土拉弗朗西斯菌等细菌在 活体哺乳动物体内所产生的不良反应，而且其对哺乳动物的不良反应很小，对这种分子的研究也许会有一个很好的前景。 在生物膜法水处理工艺中，生物膜系统中各生物之间的数量比例和相互作用决定了工艺对小同污染物的去除效率．通过增强或减弱群 体感应信号分子浓度来强化或弱化某些种群，优化生物膜的群落组成及结构，进而可以提高该工艺埘特定污染物的去除效果。 AHL（酰基高丝氨酸内酯类物质 ，Acyl-homoserine lactone) (1)信号分子功能的复杂性 多种 QS系统构成复杂的调控网络，中含有两个 QS系统， 即 LasI/LasR和 RhlI /RhlR 系统，前者调控致病因子的生物合成， 并产生 大量的AHLs ， 进而诱导 RhlI/RhlR信号系统 在生物膜法水处理中的应用 （4）信号分子运输的多样性
2021/7/9
3. QS系统的特点 多样性
（1）信号分子的多样性 （2）分布的多样性
细菌种内、 种间，细菌与植物、 动物间
（3）信号分子产生机制的多样性
➢群体感应（QS）广泛存在于细菌中,是细 菌根据细胞密度变化调控基因表达的一种 机制。
2021/7/9
2. 分类
群体感应
种内QS系统
G+菌QS系统 G-菌QS系统
种间QS系统
种间QS系统
2021/7/9
2.1 G-菌QS系统
在生物膜法水处理中的应用 AI-2(呋喃酰硼酸二酯类化合物) G+菌——双组分信号转导系统; G-菌——受体蛋白 （5）信号响应的多样性 群体感应参与调控细菌的多种生活习性以及各种生理过程 最近，一种被称为LED209的分子被发现能够抑制QseC介导的致病基因激活及诸如EHEC、鼠伤寒沙门菌和土拉弗朗西斯菌等细菌在 活体哺乳动物体内所产生的不良反应，而且其对哺乳动物的不良反应很小，对这种分子的研究也许会有一个很好的前景。 在生物膜法水处理工艺中，生物膜系统中各生物之间的数量比例和相互作用决定了工艺对小同污染物的去除效率．通过增强或减弱群 体感应信号分子浓度来强化或弱化某些种群，优化生物膜的群落组成及结构，进而可以提高该工艺埘特定污染物的去除效果。 AHL（酰基高丝氨酸内酯类物质 ，Acyl-homoserine lactone) (1)信号分子功能的复杂性 多种 QS系统构成复杂的调控网络，中含有两个 QS系统， 即 LasI/LasR和 RhlI /RhlR 系统，前者调控致病因子的生物合成， 并产生 大量的AHLs ， 进而诱导 RhlI/RhlR信号系统 在生物膜法水处理中的应用 （4）信号分子运输的多样性
2021/7/9
3. QS系统的特点 多样性
（1）信号分子的多样性 （2）分布的多样性
细菌种内、 种间，细菌与植物、 动物间
（3）信号分子产生机制的多样性
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
3/10/2021
细菌群体感应系统和其应 用
12
种间交流
信号 分子
信号传递 及识别
AI-1由LuxM 基因编码产物催化产
生，相应的感应分子为LuxN
AI-2的分子本质是呋喃酰硼酸二
酯类化合物，感应分子为 LuxP 和
LuxQ
3/10/2021
LuxN 和 LuxQ 均通过LuxU 来实 现信号传递 ，LuxU 是一种磷酸转 移酶，活化后将信号传递至调节蛋 白LuxO，并在另一蛋白LuxR 的 协助下，启动基因的表达
目录
1.群体感应的发现及研究意义
2.群体感应系统的分类及机制
3/10/2021
3.群体感应在控制病原菌中的应用
4.小结及展望
细菌群体感应系统和其应 用
1
群体感应的发现
20世纪70年代，海洋细菌费氏弧菌 (Vibrio fiscberi)和哈氏弧菌(V . harveyi) 生物发光现象
Nealson等在1970年首次报道了该 菌菌体密度与生物发光呈正相关，3/10/2021 引发了关于群体感应的猜想
9
种内交流：G+ 的QS系统
AIP不能自由穿透细胞 壁，需要ABC（ATPbinding-cassette）转运 系统或其它膜通道蛋白 作用到达胞外行使功能
AIP前体肽经转录 后的一系列修饰加 工，在不同细菌内 形成长短不同、稳 定、特异的AIP
3/10/2021
细菌群体感应系统和其应 用
AIP浓度在胞外达到某 一阈值
应机制不同，QS系统主要分为3 种：
种内QS 系统
G-菌QS系统
3/10/2021
N-酰基高丝氨酸内酯 （AHL)
群体感应
G+菌QS系统
寡肽类物质 (AIP)
种间QS 系统
细菌群体感应系统和其应 用
呋喃酰硼酸二酯
6
种内交流：G- 的QS系统
LuxI 蛋白是AI合成酶， 能够合成信号分子 N-酰 基高丝氨酸内酯（AHL）
• 通过人为地干扰或促进微3生/10/物202的1 群体感应系统， 从而调控其某种功能，以达成实际意义上的应 用
细菌群体感应系统和其应 用
5
群体感应系统的分类
QS 系统由自诱导分子 、 感应分子及下游调控蛋白组成。 从已有的研究成果看，大部分细菌一般均有两套群体感应系统，一套用于 种内信息交流，一套用于种间信息交流；根据细菌合成的自诱导分子和感
3/10/2021
LuxR蛋白是细胞质内AI 感受因子，也是一种 DNA结合转录激活元件; 其 N-端与AHL结合，C端则参与寡聚化以及与 启动子DNA的结合
细菌群体感应系统和其应 用
7
种内交流：G- 的QS系统
费氏弧菌的AHL-LuxI／LuxR 型系统：
LuxI产生AHL，自由通过 细胞膜，分泌到胞外
AHL随菌体浓度上升在胞 外积累到阈值
3/10/2021
AHL扩散入胞内与LuxR蛋
白结合，形成AI／LuxR 复
合体，并结合到 DNA上，
激活发光基因的启动子
转 录
细菌群体感应系统和其应 用
8
种内交流：G- 的QS系统
革兰氏阴性菌中，有超过70种的细菌利用 AHL作为胞
间交流的信号分子。有超过50种的革兰氏阴性菌都是利用这
细菌群体感应系统和其应 用
15
群体感应
毒力因子的产生：
肠球菌的主要毒力因子是溶
细胞素，由 2 个亚单位CylLL 和CylLS组成，在胞外以具有 毒性的CylLL ″和CylLS″形式 存在。研究表明，CylLS″担 任了QS系统机制中信号分子
的作用。Coburn等发现，
CylLL ″优先与靶细胞结合， 导致游离 CylLS″的积累并超 过诱导阈值，然后激活CylLS 表达，产生高水平的溶细胞
种AHL-LuxI/LuxR 型系统进行细胞间的交流。费氏弧菌的
LuxI/Lux R双组分系统被视为革兰氏阴性菌群体感应的模式
系统。
3/10/2021
不同的细菌产生不同的 AHL，差异只在于酰基侧链的
长度与结构，高丝氨酸内酯部分是相同的。这也造成了微生
物在利用AHL信号分子时具有一定的特异性。
细菌群体感应系统和其应 用
膜上激酶识别信号分 子，并促进激酶中组 氨酸残基磷酸化
经过天冬氨酸残基的 传递，把磷酸基团传 递给受体蛋白
磷酸化的受体蛋白与 DNA 特定的靶位点结 合，调控基因表达
10
种内交流：G+ 的QS系统
3/10/2021
细菌群体感应系统和其应 用
11
种内交流：G+ 的QS系统
金黄色葡萄球菌的双组份QS系统：
细菌群体感应系统和其应 用
13
种间交流
信号分子AI-2：呋喃酰硼酸二酯类化合物
细菌识别AI-2型信号分子的方式与G+中双组分激酶的识别系统 是完全一致的，即双组分激酶识别 AI-2分子后，把磷酸化基团
3/10/2021
传递给受体蛋白并启动相关基因的表达
AI-2信号分子作用广泛，能够被多种微生物识别，是不同菌种之 间的共同语言，起着微生物种间交流的作用
1994年Fuqua等提出了群体感应
(quorum sensing，QS)这一概念
细菌群体感应系统和其应 用
2
群体感应的发现
3/10/2021
细菌群体感应系统和其应 用
3
细菌之间存在信息交流，许多细菌都能合成并释放一种 被称为自诱导物质(autoinducer，AI)的信号分子，胞外的AI 浓度能随细菌密度的增加而增加，当信号达到一定的浓度阈 值时，能启动菌体中相关基因的表达来适应环境的变化，如
素
对生物膜形成的控制：
铜绿假单胞菌QS系统有 lasI/lasR、rhlI/rhlR两个信号 系统，lasI、rhlI与lasR、rhlR 基因分别编码不同的信号分子 合成酶与信号分子受体。信号 分子随着细菌密度的增加而分 3/10/20泌2增1 加，当信号分子达到一定 阈值时，信号分子与相应的信 号分子受体结合并激活受体， 激活的受体再激活相关的转录 调节子，合成胞外多糖、毒性 因子及藻酸盐等，使细菌聚集 形成生物被膜
3/10/2021
芽胞杆菌中感受态与芽胞形成、病原细菌胞外酶与毒素产生、 生物膜形成、菌体发光、色素产生、抗生素形成等，我们将 这一现象称为群体感应(quorum sensing，QS)
细菌群体感应系统和其应 用
4
群体感应的研究意义
• 了解单细胞微生物的信息交流与行为特性的关 系，建立起化学信号物质和生理行为之间的联系
细菌群体感应系统和其应 用
14
群体感应在控制病原菌中的应用
微生物对宿主的致病过程复杂多样，包括以下几个可能相互交叉的 阶段：微生物对宿主的侵袭和定殖、毒力因子的产生和作用于宿主、对 宿主免疫和药物的抵抗。
在微生物群体感应控制的生命活动3中/1，0/2最02引1 人关注的是对毒力因子产 生和生物膜形成的控制，如果抑制了这两个作用就可以防止致病菌产生 致病作用及增强抗生素的作用效果
细菌群体感应系统和其应 用
12
种间交流
信号 分子
信号传递 及识别
AI-1由LuxM 基因编码产物催化产
生，相应的感应分子为LuxN
AI-2的分子本质是呋喃酰硼酸二
酯类化合物，感应分子为 LuxP 和
LuxQ
3/10/2021
LuxN 和 LuxQ 均通过LuxU 来实 现信号传递 ，LuxU 是一种磷酸转 移酶，活化后将信号传递至调节蛋 白LuxO，并在另一蛋白LuxR 的 协助下，启动基因的表达
目录
1.群体感应的发现及研究意义
2.群体感应系统的分类及机制
3/10/2021
3.群体感应在控制病原菌中的应用
4.小结及展望
细菌群体感应系统和其应 用
1
群体感应的发现
20世纪70年代，海洋细菌费氏弧菌 (Vibrio fiscberi)和哈氏弧菌(V . harveyi) 生物发光现象
Nealson等在1970年首次报道了该 菌菌体密度与生物发光呈正相关，3/10/2021 引发了关于群体感应的猜想
9
种内交流：G+ 的QS系统
AIP不能自由穿透细胞 壁，需要ABC（ATPbinding-cassette）转运 系统或其它膜通道蛋白 作用到达胞外行使功能
AIP前体肽经转录 后的一系列修饰加 工，在不同细菌内 形成长短不同、稳 定、特异的AIP
3/10/2021
细菌群体感应系统和其应 用
AIP浓度在胞外达到某 一阈值
应机制不同，QS系统主要分为3 种：
种内QS 系统
G-菌QS系统
3/10/2021
N-酰基高丝氨酸内酯 （AHL)
群体感应
G+菌QS系统
寡肽类物质 (AIP)
种间QS 系统
细菌群体感应系统和其应 用
呋喃酰硼酸二酯
6
种内交流：G- 的QS系统
LuxI 蛋白是AI合成酶， 能够合成信号分子 N-酰 基高丝氨酸内酯（AHL）
• 通过人为地干扰或促进微3生/10/物202的1 群体感应系统， 从而调控其某种功能，以达成实际意义上的应 用
细菌群体感应系统和其应 用
5
群体感应系统的分类
QS 系统由自诱导分子 、 感应分子及下游调控蛋白组成。 从已有的研究成果看，大部分细菌一般均有两套群体感应系统，一套用于 种内信息交流，一套用于种间信息交流；根据细菌合成的自诱导分子和感
3/10/2021
LuxR蛋白是细胞质内AI 感受因子，也是一种 DNA结合转录激活元件; 其 N-端与AHL结合，C端则参与寡聚化以及与 启动子DNA的结合
细菌群体感应系统和其应 用
7
种内交流：G- 的QS系统
费氏弧菌的AHL-LuxI／LuxR 型系统：
LuxI产生AHL，自由通过 细胞膜，分泌到胞外
AHL随菌体浓度上升在胞 外积累到阈值
3/10/2021
AHL扩散入胞内与LuxR蛋
白结合，形成AI／LuxR 复
合体，并结合到 DNA上，
激活发光基因的启动子
转 录
细菌群体感应系统和其应 用
8
种内交流：G- 的QS系统
革兰氏阴性菌中，有超过70种的细菌利用 AHL作为胞
间交流的信号分子。有超过50种的革兰氏阴性菌都是利用这
细菌群体感应系统和其应 用
15
群体感应
毒力因子的产生：
肠球菌的主要毒力因子是溶
细胞素，由 2 个亚单位CylLL 和CylLS组成，在胞外以具有 毒性的CylLL ″和CylLS″形式 存在。研究表明，CylLS″担 任了QS系统机制中信号分子
的作用。Coburn等发现，
CylLL ″优先与靶细胞结合， 导致游离 CylLS″的积累并超 过诱导阈值，然后激活CylLS 表达，产生高水平的溶细胞
种AHL-LuxI/LuxR 型系统进行细胞间的交流。费氏弧菌的
LuxI/Lux R双组分系统被视为革兰氏阴性菌群体感应的模式
系统。
3/10/2021
不同的细菌产生不同的 AHL，差异只在于酰基侧链的
长度与结构，高丝氨酸内酯部分是相同的。这也造成了微生
物在利用AHL信号分子时具有一定的特异性。
细菌群体感应系统和其应 用
膜上激酶识别信号分 子，并促进激酶中组 氨酸残基磷酸化
经过天冬氨酸残基的 传递，把磷酸基团传 递给受体蛋白
磷酸化的受体蛋白与 DNA 特定的靶位点结 合，调控基因表达
10
种内交流：G+ 的QS系统
3/10/2021
细菌群体感应系统和其应 用
11
种内交流：G+ 的QS系统
金黄色葡萄球菌的双组份QS系统：
细菌群体感应系统和其应 用
13
种间交流
信号分子AI-2：呋喃酰硼酸二酯类化合物
细菌识别AI-2型信号分子的方式与G+中双组分激酶的识别系统 是完全一致的，即双组分激酶识别 AI-2分子后，把磷酸化基团
3/10/2021
传递给受体蛋白并启动相关基因的表达
AI-2信号分子作用广泛，能够被多种微生物识别，是不同菌种之 间的共同语言，起着微生物种间交流的作用
1994年Fuqua等提出了群体感应
(quorum sensing，QS)这一概念
细菌群体感应系统和其应 用
2
群体感应的发现
3/10/2021
细菌群体感应系统和其应 用
3
细菌之间存在信息交流，许多细菌都能合成并释放一种 被称为自诱导物质(autoinducer，AI)的信号分子，胞外的AI 浓度能随细菌密度的增加而增加，当信号达到一定的浓度阈 值时，能启动菌体中相关基因的表达来适应环境的变化，如
素
对生物膜形成的控制：
铜绿假单胞菌QS系统有 lasI/lasR、rhlI/rhlR两个信号 系统，lasI、rhlI与lasR、rhlR 基因分别编码不同的信号分子 合成酶与信号分子受体。信号 分子随着细菌密度的增加而分 3/10/20泌2增1 加，当信号分子达到一定 阈值时，信号分子与相应的信 号分子受体结合并激活受体， 激活的受体再激活相关的转录 调节子，合成胞外多糖、毒性 因子及藻酸盐等，使细菌聚集 形成生物被膜
3/10/2021
芽胞杆菌中感受态与芽胞形成、病原细菌胞外酶与毒素产生、 生物膜形成、菌体发光、色素产生、抗生素形成等，我们将 这一现象称为群体感应(quorum sensing，QS)
细菌群体感应系统和其应 用
4
群体感应的研究意义
• 了解单细胞微生物的信息交流与行为特性的关 系，建立起化学信号物质和生理行为之间的联系
细菌群体感应系统和其应 用
14
群体感应在控制病原菌中的应用
微生物对宿主的致病过程复杂多样，包括以下几个可能相互交叉的 阶段：微生物对宿主的侵袭和定殖、毒力因子的产生和作用于宿主、对 宿主免疫和药物的抵抗。
在微生物群体感应控制的生命活动3中/1，0/2最02引1 人关注的是对毒力因子产 生和生物膜形成的控制，如果抑制了这两个作用就可以防止致病菌产生 致病作用及增强抗生素的作用效果