细胞群体效应

群体效应(Quorum sensing)

群体效应(Quorum sensing) 是近来日益受到广泛关注的一种细菌群体行为调控机制,很多细菌有这种能力, 即分泌一种或多种自诱导剂(Autoinducer) , 细菌通过感应这些自诱导剂来判断菌群密度和周围环境变化, 当菌群数达到一定的阀值(quorum , 菌落或集落数)后, 启动相应一系列基因的调节表达, 以调节菌体的群体行为。不同类型的细菌具有不同的群体效应调节系统, 很多细菌分泌同一种诱导剂, 以此调控不同种类细菌间的作用行为。群体效应系统在自诱导剂与受体之间存在专一性, 同时又在调节基因和信号传递系统中体现出多样性和复杂性。由于不少人或植物的病原菌的致病机制等受群体效应的调控,该机制已成为医学等领域的研究热点。

细胞与细胞之间信息交流一般被认为只在多细胞生物中发生，而细菌往往被纯粹地看作单细胞生物。在20世纪60年代一种海洋费氏弧菌(Vibrio fischeri)的发光现象引起了科学家的兴趣，Nealson等在1970年首次报道了该菌的菌体密度与发光呈正相关，该发光现象受细菌本身的群体感应调节系统(Quorum-Sensing System简称QS系统)所控制。现在发现许多细菌利用该系统调控体内特定基因的表达，如根瘤菌与植物共生、蓝细菌中异形胞的分化、芽胞杆菌中感受态与芽胞的形成、根癌农杆菌中Ti质粒融合转移、病原细菌胞外酶与毒素产生、生物膜(biofilm)形成、菌体发光、色素产生、抗生素形成、细菌运动等多种功能都受到细菌群体感应信号系统所调节。我们可以利

用细菌的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。

细菌QS系统

细菌根据特定信号分子的浓度可以监测周围环境中自身或其它细菌的数量变化，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中的变化，这一调控系统被称为细菌的群体感应调节系统(QS系统)。Agrobacterium tumefaciens、Erwinia carotovora、Ralstonia solanacearum等植物病原细菌，至少要在两种复杂的生境中交替生活：分散生活在营养缺乏、竞争激烈、不同类型的土壤环境和集中生活在营养丰富、竞争不激烈但防御严密的植物体内环境。当这些病原细菌侵染寄主时，必需达到一定的基数才能侵染成功，否则许多在寄主体内增殖中起关键作用的基因就不能启动表达；另外枯草芽胞杆菌(Bacillus subtilis) 也利用QS系统对细胞的发育进行调控，当营养丰富、菌体稀少时向感受态方向发展，营养贫乏菌体密度高时向芽胞方向发展。

近几十年来的研究证实, 细菌群感效应QS参与很多生物学功能的调控。诸如P1 aeruginos等病原菌胞外酶的产生; 发光菌的生物发光性; Ti质粒的结合转移; 细菌抗生素的合成; 毒性因子的表达; 病原菌的致病性; 生物表面活性物质的产生; 细菌的聚集性( swarming) 、游动性和生物膜的形成等。其中QS调控病原菌毒性因子的表达和生物膜的形成是目前倍受关注的问题。

研究证实, 病原菌对宿主细胞的致病作用一般需要毒性因子的表达, 并且大多数病原菌的致病性是和生物膜的形成紧密联系在一起的。诸如: 由Escherichia coli引起的尿路感染, 由S taphy lococcus aureu引起的导管内感染, 由P1 aeruginosa引起的胆囊性纤维化患者的肺炎等。当这些病原菌形成生物膜时, 它们对宿主细胞的致病性和对抗菌药的免疫性能就会成倍的增加。因此在医学界, 研究新型高效的抗菌药物已成为热点。细菌QS系统的研究表明, QS控制着病原菌的致病性和某些细菌生物膜的形成。David对P1 aeruginosa生物膜的形成进行研究发现, 由QS突变体(QS调控作用受到了抑制) 所形成的生物膜比较薄, 没有正常成熟的生物膜结构, 并且对生物灭菌剂十二烷基磺酸钠( SDS) 的抵抗作用显著降低。但是在培养液中加入QS调控机制所需的信号分子后, 突变体就恢复原有形成生物膜的性能。其他学者对这方面的研究都得出了相似的结论。同时, 抑制QS 的某些物质或微生物同样能够有效的抑制细菌生物膜的形成。这方面的研究为医学界的学者们提供了研制高效抗菌药的新思路。即如果我们能够研制出一种物质, 它能够抑制病原菌的QS系统, 那么它就能有效的控制病原菌的毒害作用。

综上所述, 对细菌群感效应进行深入研究, 利用信号分子类似物和信号分子降解酶对QS的干扰和破坏作用, 将为利用现代分子技术防止致病菌的毒害作用开辟新的路径