第6章群体感应系统方案
微生物群体感应系统调控代谢流
微生物群体感应系统调控代谢流一、微生物群体感应系统概述微生物群体感应系统是微生物细胞间进行信息交流的一种机制。
它涉及到微生物分泌特定的信号分子，这些信号分子能够在环境中扩散，并被其他微生物细胞所感知。
当信号分子达到一定浓度时，就会触发微生物细胞内的一系列生理反应。
这种感应系统在微生物的生存和发展中起着至关重要的作用。
微生物群体感应系统的组成包括信号分子的产生、分泌以及受体的识别等环节。
不同种类的微生物可能会产生不同类型的信号分子，常见的信号分子有酰基高丝氨酸内酯（AHL）等。
这些信号分子具有特定的化学结构，能够特异性地与相应的受体结合。
受体通常位于微生物细胞的表面或内部，当信号分子与受体结合后，会激活细胞内的信号转导通路，从而调节微生物的生理行为。
群体感应系统在微生物的多种生理过程中都有体现。
例如，在生物膜的形成过程中，微生物通过群体感应系统协调彼此的行为，使得细胞能够聚集在一起并分泌胞外聚合物，形成生物膜结构。
生物膜的形成为微生物提供了一个相对稳定的生存环境，有利于微生物抵抗外界的不良因素，如抗生素的攻击和宿主免疫系统的清除。
此外，群体感应系统还参与微生物的致病性调节。
一些致病微生物通过群体感应系统来控制毒力因子的表达。
当微生物群体数量达到一定程度时，群体感应系统会激活毒力因子的产生，从而增强微生物对宿主的致病性。
这一过程使得微生物能够在适当的时候发挥其致病性，提高其在宿主体内的生存和传播能力。
二、代谢流的概念及重要性代谢流是指在生物体内，物质和能量在代谢途径中的流动情况。
它反映了生物体内各种代谢反应的速率和方向。
代谢流的调控对于生物体的生存和发展至关重要。
在微生物中，代谢流涉及到多种代谢途径，如糖代谢、氨基酸代谢、脂肪酸代谢等。
这些代谢途径相互关联，形成一个复杂的代谢网络。
代谢流的大小和方向受到多种因素的影响，包括酶的活性、底物浓度、产物浓度以及细胞内的信号转导等。
代谢流的合理调控能够使微生物更好地适应环境的变化。
群体感应
费氏弧菌Vibrio fischeri 群体感应系统首先是在海洋细菌费氏弧菌，费氏弧菌定殖于夏威夷鱿鱼的发光器官内，当细菌达到一定的密度后，就会诱导发光基因的表达。
细菌的生物发光为鱿鱼提供光源，掩盖其影子来保护自身。
同时，细菌也获得一个合适的栖息场所。
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,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。
通用语言呋喃硼酸二酯Peptides呋喃硼酸二酯高丝氨酸内酯γ-丁酸内酯synthesizesautoinducer homoserine Autoinducer diffuses into the medium where it accumulates. At thresholdconcentration AI diffuses back into the cell and binds to activator protein LuxR.酰基高丝氨酸内酯(AHL)的结构AHL 由LuxI 类蛋白酶催化脂肪酸代谢途径中的酰基-酰基载体蛋白(acyl-ACP)的酰基侧链与S-腺苷甲硫氨酸中高丝氨酸部分的接合, 并进一步内酯化而生成的不同的细菌产生不同的AHLs ，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。
以及与启动子DNA的结合The genesencoding the AHL synthaseregulatory protein, respectively. In thepresence of sufficient AHL signal, the Rregulatory protein is activated, possiblyby dimerization. The activated Rregulatory protein binds to a specificbinding site and stimulates (orrepresses) transcription initiation byRNA Polymerase holoenzyme•LuxR型蛋白也有特殊的酰基结合框，在有多种细菌存在的环境下，存在许多种AHL分子，每一种细菌都能对其自身的群体感应信号识别、监控、作出反应除了链霉菌中调控抗生素合成的γ黄色粘球菌肺炎链球菌枯草芽孢杆菌金黄色葡萄球菌Staphylococcus aureus uses a two -component response system (TCRS) to mediate quorum sensing (QS). The regulation of QS involves the productio increase in its concentration, expression of RNAIII and the subs genes. S. aureus produces an autoinducing and activates the TCRS. The TCRS involves signal recognition by (1), followed by histidine phosphorylation Regulation of the two quorum-sensing systems of Staph. aureusThe first quorum-sensing system, consisting of the peptide autoinducer protein, TRAP, is regulated by the accessory gene regulator (agr comprises two units (RNAII and RNAIII) that are divergently transcribed, whose transcription is under control of the P2 and P3 promoters respectively. A threshold concentration of RAP triggers the activation of TRAP, which activates the transcription of RNAII. The RNAII unit encloses four genes: agrB , agrD , agrC and agrA . AgrB and AgrD 呋喃硼酸二酯AI-2细菌可以利用这类信号分子感知其它细菌数量来调控自身的行为。
细菌群体感应系统功能
细菌群体感应系统功能
细菌群体感应系统是一种细菌激发细胞间相互作用的机制，通过该系统细菌能够感知并响应外界刺激，调节自身生长和行为，实现一种集体行为。
细菌群体感应系统包含以下功能：
1. 信息传递：细菌通过释放化学信号物质（自动诱导物质、群体感应激素等），使周围细菌感知到外界环境的变化。
这些信号物质可以通过扩散或分泌到周围环境中，也可以直接通过细胞间连接的纤毛或细胞间通道传递。
2. 群体行为：细菌感知到外界环境的变化后，能够通过群体行为来响应和适应。
例如，一些细菌在感知到相对高密度的环境后会进行群体聚集，形成生物膜或菌落。
这种群体行为可以提供保护、资源共享和传递信号等功能。
3. 调控基因表达：细菌群体感应系统能够影响细菌内部的基因表达，通过调节特定基因的转录和翻译过程来实现对环境的适应。
这些基因可能与细菌的生长、生存、毒力等相关。
4. 抗生素生产和耐药性：一些细菌群体感应系统能够诱导或抑制细菌对抗生素的产生。
此外，一些感应系统还能够调节细菌对抗生素的敏感性，从而实现对抗生素的耐药性。
细菌群体感应系统的功能使细菌能够在群体中实现一种高效的信息传递、协作和适应性，为它们在复杂的生态环境中生存和繁衍提供了竞争优势。
这种系统在医药、环境保护、生物工程等领域都有重要的应用潜力。
群体感应
群体感应1.群体感应概念细菌分泌一种或者几种小分子量的化学信号分子促进细菌个体间相互交流，协调群体行为，该现象称为群体感应( quorum sensing ，QS)。
细菌利用信号分子感知周围环境中自身或其他细菌的细胞群体密度的变化，并且信号分子随着群体密度的增加而增加，当群体密度达到一定阈值时，信号分子将启动菌体中特定基因的表达，改变和协调细胞之间的行为，呈现某种生理特性，从而实现单个细菌无法完成的某些生理功能和调节机制。
20世纪70年代，QS系统首先是在海洋细菌费氏弧菌(Vibrio fiscberi)中发现的，V. fiscberi 可以与某些海生动物共生，宿主利用其发出的光捕获食物、躲避天敌以及寻觅配偶，而V.fiscberi也获得了一个营养丰富的生存环境。
对细菌的QS 研究始于20 世纪90 年代初. 从已有的研究成果看: 其一, 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; 其二, QS 对细菌的许多生理功能都有调节作用, 如生物发光、毒素的产生、质粒的转移、根瘤菌的结瘤、抗生素的合成, 等等.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,如生物发光、质粒的接合转移、生物膜与孢子形成、细胞分化、运动性、胞外多糖形成等[ 1 , 3],尤其致病菌的毒力因子的诱导、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相关。
因此, 细菌QS系统研究,深受医学、生物工程、农业和环境工程、食品科学等领域研究者广泛关注。
当前, 对致病菌的QS系统及以其为靶点的新型疗法和抗菌药物研究、根瘤菌QS系统及其在根瘤菌与植物互作中的作用研究、植物病原菌QS系统及寻找生物技术防治细菌病害的新靶点研究较为深入意义：一方面有助于人们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；另一方面则可通过人为地干扰或促进微生物的群体感应系统从而调控其某种功能，以达成其在实际意义上的应用。
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
群体感应.
2.另外，群体感应系统也在于真菌中，比如白色 念珠菌、新生隐球菌等，但人们是对真菌中的群体 感应系统研究还比较浅，尤其是对真菌群体感应系 统的效应分子、效应分子受体、靶蛋白、相关信号 转导通路以及靶基因的调控等方面的研究有待进一 步深入。
3.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。总之， 不久的将来，随着研究人员的不断探索，人们将可能 通过各种渠道来抑制群体感应系统中的各个环节，从 而达到治疗一些细菌性疾病的目的。
感谢您的关注
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
G-菌——信号分子合成酶，G+菌——前体，经蛋白酶切割
（4）信号分子运输的多样性
G+菌——ABC转运系统，G-菌——直接透过细胞膜
（5）信号响应的多样性
G+菌——双组分信号转导系统; G-菌——受体蛋白
群体感应概述
目录
1 群体感应的发现及其概念
2
群体感应的分类及机制
3
群体反应的特点
4 群体反应的应用与研究前景
1.1 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
与海生动物共生，宿主利用其发出的光捕获食物、 躲避天敌以及寻觅配偶，而 V. fiscberi也获得了一个 营养丰富的生存环境
(3)不同 QS系统之间关系的复杂性
最新：群体感应调控细菌耐药的机制(全文)
最新：群体感应调控细菌耐药的机制（全文）细菌的抗菌素耐药已成为威胁人类健康的重大问题，亟需新策略阻控细菌耐药。
群体感应是微生物细胞间交流的一种机制，当环境中群体密度达到阈值后群体感应即被激活，调控下游基因转录。
群体感应已被证实可调控生物膜、外排泵、细菌分泌系统等抗菌素耐药机制，有望成为耐药调控靶点。
目前已有多种群体感应抑制剂通过降解信号分子、干扰信号分子与受体蛋白的识别和结合、阻断群体感应信号的合成等方式干扰群体感应。
群体感应抑制剂有望成为阻控微生物耐药的新方法。
近年来，随着抗菌素的广泛使用，细菌的抗菌素耐药已成为威胁人类健康的重大问题。
研究者们试图通过研究微生物耐药靶点、研发新型药物等方法攻克抗菌素耐药这一世纪难题，但细菌耐药率仍逐年攀升。
因此，迫切需要从新的角度研究抗菌素耐药问题。
最近，一些研究揭示了群体感应（quorumsensing）系统在细菌耐药中的作用，并深入探索了群体感应调控细菌耐药的机制，这些研究成果有望为阻控抗菌素耐药提供新的方法和靶点。
本文围绕群体感应对细菌抗菌素耐药的调控机制及干预手段进行综述。
一.细菌耐药机制目前，抗菌素的作用机制主要包括以下4个方面：（1）阻碍细胞膜合成；（2）增强细胞膜通透性；（3）影响蛋白质合成；（4）干扰DNA的复制和转录〔】】。
相应地，细菌发展出以下5种主要抗菌素耐药机制：（1）降低细胞膜对抗菌素的通透性；（2）利用外排泵排出抗菌素；（3）基因突变或修饰抗菌素靶向基因；（4）对抗菌素的直接修饰或降解；（5）形成生物膜1W。
为克服细菌耐药，新药研发、药物联用已成为常见手段，但罕有从细菌群体角度出发制定的策略。
基于此，深入研究细菌群体感应系统，从中寻找新的耐药阻控手段已刻不容缓。
二、群体感应简介20世纪70年代，Nea1son和Eberhard等【2,3］发现费氏弧菌（Vibiofischeri）和哈维弧菌（Vibioharveyi）的发光现象可由菌群密度所调控,这是最早关于群体感应现象的文献报道。
群体感应系统
细菌能自发产生、释放一些特定的信号分子，并能感知其浓度变化，调节微生物的群体行为，这一调控系统称为群体感应。
细茵群体感应参与包括人类、动植物病原茵致病力在内的多种生物学功能的调节。
简介群体感应（Quorum-Sensing）：近年来的研究证明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，达到一个临界浓度时，AI能启动菌体中相关基因的表达，调控细菌的生物行为。
如产生毒素、形成生物膜、产生抗生素、生成孢子、产生荧光等，以适应环境的变化，我们将这一现象称为群体感应调节(quorum sensing．QS)。
这一感应现象只有在细菌密度达到一定阈值后才会发生，所以也有人将这一现象称为细胞密度依赖的基因表达(cell density de- pendent control of gene expression)。
[1]自身诱导物质AI细菌可以合成一种被称为自身诱导物质( auto-inducer ．AI ) 的信号分子，细菌根据特定的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的变化，如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、抗生素形成等等。
根据细菌合成的信号分子和感应机制不同，QS系统基本可分为三个代表性的类型：革兰氏阴性细菌一般利用酰基高丝氨酸内酯( AHL) 类分子作为AI ，革兰氏阳性细菌—般利用寡肽类分子(Al P) 作为信号因子，另外许多革兰氏阴性和阳性细菌都可以产生一种AI - 2的信号因子，一般认为AI - 2是种间细胞交流的通用信号分子，另外最近研究发现，有些细菌利用两种甚至三种不同信号分子调节自身群体行为，这说明群体感应机制是极为复杂的。
细菌信息素的特点1，分子量小：细菌信息素都是一些小分子物质，如酰基-高丝氨酸内酯(AHL)衍生物、寡肽、伽马一丁内酯等，能自由进出细胞或通过寡肽通透酶分泌到环境中，在环境中积累。
微生物的群体感应系统及其应用
微生物的群体感应系统及其应用
陈艳
【期刊名称】《玉溪师范学院学报》
【年(卷),期】2010(026)004
【摘要】细菌根据特定信号分子的浓度可以感知环境中自身或其它细菌浓度变化,当信号分子达到一定浓度阈值时,能启动菌体中相关基因表达来适应环境的变化,这一调控系统称为细菌的群体感应系统.真菌中也存在类似于细菌信号分子的信息素,并且介导着真菌某些生理行为的调节,其调控系统也称为真菌的群体感应系统.对群体感应系统进行深入研究,一方面将有助于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,另一方面则可通过人为地干扰或促进微生物的群体感应系统从而调控其某种功能,以达成其在实际意义上的应用.
【总页数】5页(P43-47)
【作者】陈艳
【作者单位】玉溪师范学院,资源环境学院,云南,玉溪,653100
【正文语种】中文
【中图分类】O939.99
【相关文献】
1.微生物群体感应系统的调控机制及应用研究进展 [J], 周朋;王喆;包美娇;董明盛;吴俊俊
2.微生物群体感应系统的研究进展 [J], 张炼辉
3.微生物群体感应系统及其在现代食品工业中应用的研究进展 [J], 励建荣; 李婷婷; 王当丰
4.微生物群体感应系统及其在现代食品工业中应用的研究进展 [J], 励建荣; 李婷婷; 王当丰
5.微生物群体感应系统与食品防腐保鲜 [J], 周幸; 阿热爱·巴合提; 李平兰
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细菌群体感应系统及其应用
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 泌增加，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
• 通过人为地干扰或促进微生物的群体感应系统， 从而调控其某种功能，以达成实际意义上的应 用
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
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
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中，最引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
出能够降解AHL的酶——AiiA。其后研究证明AiiA编码一个AHL内酯水解 酶。AiiA蛋白能打开胡萝卜软腐欧文氏菌产生的AHL的内酯键，使软腐 菌的QS系统失灵，由其调控的致病基因与碳青烯抗生素基因不能表达， 从而大大削弱了该菌的致病力
群体感应的抑制
2.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
群体感应系统在细菌生物被膜耐药性形成中的调控机制
４ ０ ５ ４ ０ ０ ）
蔽群｛ 水感 应 系 统 是 仃 存 于细 菌 个 体 、 实现信息传递 的
－
达进行调控 ， 进 而调 节 细 胞群 体 生 物 被 膜 的形 成 。 研 究发现 ， 不 同 的革 ？ ！『 ； ｝ ｌ 性 菌种 ， 群 体 感 应 系 统 的 调 途 径 也 各 小 相 同 。 】 。在 葡 萄 球 菌 属 中， 是 高 度 保 守 的 Ｗａ ｌ Ｋ／ Ｗａ ｌ Ｒ （ 也 称 Ｙｙ ｃ Ｇ ／ Ｙ ｙ ｃ Ｆ ） 双 组分 系统 ， 而 链 球 菌 属 巾 ， 是 组 氨 酸蛋 Ｆ ｛ 激 酶 和 调 节 响 应 蛋 白双 组 分 系 统 ， 对 菌 群 牛 物 被 膜 的 形成具有直接调节作 用。此外 ， 在 革 兰 阳忭 菌 巾 ， 还存 在着 一 些 子 调 节 着 生 物 被 膜 的 形 成 。 其 中 ， Ｒ ＮＡ 核 酸 聚 合 酶 Ⅲ （ ＲＮ ＡⅢ ） 能利于会 黄色葡 萄球 菌群体 形成 成熟 的乍 物被 膜 ， 但 是 ＲＮＡⅢ蛋 Ｉ 抑 制 肤 则 叫 显 抑 制 牛 物 被 膜 的 形 成 “ ’ Ｊ 。 而 在 表 皮 葡 萄球 菌 巾 ， 群体感应 系统 相关 的调节 子 Ｓ ａ ｒ ａ 与， ｝ 三
物 被 膜 密切 卡 ｝ １ 炎 ， 是 其 调 节 物 被 膜 牛 成 的 凋 节 子 “ 】 。 然而 ， 也彳 丁 物 被 膜 肜 成 调 控 机 制 研 究 显示 ， 发 现 兰 阴
一
利 ｔ 将遍机制 ， 通 过 细两 胞体 合 成 、 分 泌 信 分 子 （ 又称 为 ｆ １ 诱
多 聚 包 裹 闲体 形 成 的 被 膜 状 物 忖 羊 体 。８ ０ 的 人类 细 菌 感
染 性疾 病 ｊ ， ｌ 物 被 ｝ Ｉ 『 火 ｆ ｌ Ｊ 于生物被膜 儿 ｆ 极 强 的 耐 药 性
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
第6章群体感应系统方案
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
对宿主侵袭和定植（例3：霍乱弧菌的侵袭和定植）
霍乱弧菌：菌体少量时，有利于早期定植，之后细胞密度增大， 信号分子浓度增高，HapR表达，有利于病原体的释放
群体感应的生物效应
宿主侵袭和定植(例4：宿主致病体系中群体感应社会生物学)
微生物通过分泌物质 来实现与相邻细胞的 合作，这些物质包括 群感分子和相应激活 的毒力因子
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）
铜绿假单胞菌，是一种常见的革兰氏阴性致病菌，群体感应系统 可以使其感知环境中菌群数量，并做出及时反应
酰基高丝氨酸在许多变形细菌中扮演着群体感应信号的角色，而 该信号常常可以控制细菌进行群体的致病性等活性
绿脓杆菌的群体感应系统调节子发生改变，会对绿脓杆菌的菌落 生态学有明显影响
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
4种环境分离菌基因调控相互关系图
群感活性基因的表达
PNAS, /cgi/doi/10.1073/pnas.1214128109 ,2012
群体感应的生物效应
识别系统一致，即双组份激酶识别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表达
细菌中群体感应调节系统
细菌中群体感应调节系统
周燚;刘小锦;朱晨光;孙明;喻子牛
【期刊名称】《微生物学报》
【年(卷),期】2004(44)1
【摘要】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(Quorum-Sensing系统).本文系统介绍了细菌感知种内与种间数量的群体感应调节系统,并阐述了植物针对病原菌这一信号系统的抗病策略.
【总页数】5页(P122-126)
【作者】周燚;刘小锦;朱晨光;孙明;喻子牛
【作者单位】华中农业大学农业微生物学国家重点实验室,武汉,430070;长江大学,荆州,434025;华中农业大学农业微生物学国家重点实验室,武汉,430070;华中农业大学农业微生物学国家重点实验室,武汉,430070;华中农业大学农业微生物学国家重点实验室,武汉,430070;华中农业大学农业微生物学国家重点实验室,武
汉,430070
【正文语种】中文
【中图分类】Q93
【相关文献】
1.生物膜中群体感应因子细菌的分离及成膜能力 [J], 李蒙英;陆鹏;张迹;许敬亮;李顺鹏
2.铜绿假单胞菌群体感应效应系统细菌毒力调节的研究进展 [J], 陈双红;陈锐勇;徐雄利;肖卫兵
3.铜绿假单胞菌中群体感应系统的研究进展 [J], 杨帆;张乐;盛哈蕾;张克斌
4.细菌生物被膜中群体感应调控机制及其控制研究展望 [J], 舒琴;牛永武;陈启和
5.河弧菌中群体感应系统相关基因及信号分子检测 [J], 胡晓;刁保卫;李杰;王卉;梁未丽
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群体感应的研究进展
20世纪90年代初，QS研究开始 大部分细菌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
QS调节细菌的生理功能：如生物发光、毒素的产生、质 粒的转移、根瘤菌的结瘤、抗生素合成
群体感应的定义
QS信号分子分类
(1) 革兰氏阳性菌中多肽AIP (2) 革兰氏阴性菌的AHL/AI-1型
(3) LuxS/AI-2型
(4) AI-3/ 肾上腺素/去甲肾上腺素
群体感应的研究进展
1970年，Nealson等首次发现费式弧菌（Vibrio fischeri） 的生物发光现象
V. fischeri与某些海生动物共生，宿主利用其发光扑获食 物、躲避天敌，同时V. fischeri获得营养丰富的环境
群体感应的定义
群体感应调节示意图
信号分子 临界浓度
基因表达
生物行为调节
群体感应的定义
QS信号分子特点
分子量小：如酰基-高丝氨酸内酯(AHL)衍生物、寡肽等，能自由进 出细胞或通过寡肽通透酶分泌到环境
种属特异性：一种细菌调节蛋白能响应多种信息素，已建立多种革 兰氏阴性菌信息素检测系统
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
群体感应的研究意义
通过人为干扰或促进微生物群体感应而调控某种功能， 在环境科学和工程研究中意义重要
群体感应可以促进胞 外聚合物(EPS)中胞外 DNA (eDNA)的大量释 放，产生的eDNA促进 细胞间和细胞与表面 的互联，促使生物膜 有效形成
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 其调节自身行为以适应环境变化 感应现象在细菌密度达到一定阈值 后发生，这一现象也被称为细胞密 度基因表达 (cell density dependent control of gene expression)
QS调控细菌的多种生活习性：如质粒的接合转移、生物 膜形成、孢子形成、细胞分化、运动性、胞外多糖形成
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：
第六章 微生物群体感应系统及其应用
课时：4 学时 授课方式：讲授＋讨论 开课时间：2014年秋季学期
主要内容
群体感应的概念 群体感应的研究历史 群体感应的分子机制 群体感应的生物效应
群体感应的应用
群体感应的定义
群体感应 (quorum sensing, QS)
微生物间通过分泌、释放一些特定的信号分子，感知浓度变 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)
双组份信号交换系统： Two-component signal transduction system, TCSTS)
群体感应的分子机制
革兰氏阳性菌QS系统—AIP-TCS三组分系统
AIP通过细胞膜的方式：ABC（ATP binding cassette） 转运系统
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
群体感应的分子机制
革兰氏阴性菌QS系统—LuxI-AHL型
AHL合成及LuxR结合作用示意图
群体感应的分子机制
革兰氏阴性菌QS系统—LuxI-AHL型
不同革兰阴性菌的LuxI-AHL型QS系统有所差别，其 AHL类自诱导剂都以高丝氨酸为主体，差别只是酰基侧 链的有无、侧链的有无及侧链的长短不同
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
受体（LuxR蛋白酶）：AHL与 IuxR蛋白结合为浓度依赖型； 无AHL时，LuxR无活性， 且很快被降解掉
研究表明，可通过有 效抑制破坏胞外聚合 物的eDNA，抑制生物 膜形成
Environmental Microbiology Reports (2013) 5(6), 778–786
群体感应的分子机制
QS 系统分类
群体感应 (quorum sensing, QS)
种内QS系统 种间QS系统
G-菌QS系统 G+菌QS系统
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 Nhomakorabea异的AIP