群体感应系统在乳酸菌产细菌素中的作用

preservatives Intercellular communication has emerged as the key regulatory mechanism that controls the synthesis of
bacteriocins via a regulatory strategy denominated quorum sensing, which allows population-wide synchronised produc-
扩散到胞外，当这种信号分子达到一定的阈值时，细 菌感受到自身的细胞密度，启动某些基因的表达，这 一过程称为群体感应。感应现象也被称为细胞密度依赖 的基因表达[2]，即细菌通过检测胞外信号分子的浓度来 “数”种内、种间其他细菌的数量，从而改变特定基 因的表达[3]。
乳酸菌是一种广泛应用于食品工业的革兰氏阳性细
2. Heilongjiang Agricultural Economy Vocational College, Mudanjiang 157041, China)
Abstract：Several lactic acid bacteria (LAB) produce peptides with antimicrobial activity usually referred to as bacteriocins.
中图分类号：TS252.1
文献标识码：A
文章编号：1002-6630(2011)13-0360-05
群体感应(quorum sensing，QS)现象[1]首先是在一种 海洋发光细菌 Vibrio fischeri 中被发现并描述。群体感 应 又 称 为 “ 自 动 诱 导 ” 或 “ 细 胞 与 细 胞 的 交 流 ”。 细 菌在繁殖过程中向周围环境分泌特定的信号分子，这种 信号分子被称为自诱导物(autoinducer，AI)。群体感应 是细菌监控自身群体密度的环境信号感受系统，细菌在 繁殖过程中分泌一些特定的信号分子，信号分子从胞内
Bacteriocins are diverse in terms of structure, mode of action, antimicrobial spectrum, and potency. Both LAB and their
bacteriocins are generally regarded as safe. Bacteriocins produced by LABs have demonstrated great potential as natural
※专题论述
食品科学
2011, Vol. 32, No. 13 361
菌，乳酸菌所产细菌素是一种天然的食品防腐剂，在 体内可被蛋白酶消化，具有高效、无毒、耐酸、耐 高温、无残留、无抗药性特点[4]。最初研究发现，在 屎肠球菌、乳酸乳球菌、植物乳杆菌和沙克乳杆菌等 中存在着调节细菌素合成的 QS 系统[5]。大部分乳酸菌有 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[6]。乳酸菌 QS 系统的深入研究，对于 阐明细菌素合成调控机制，高效发挥其作为天然食品防 腐剂在食品中的应用，具有重大意义。
收稿日期：2010-09-23 基金项目：教育部“创新团队发展计划”项目(IRT0959)；哈尔滨市科技创新人才专项资金资助项目(2011RFLXN017) 作者简介：满丽莉(1981 —)，女，博士研究生，研究方向为乳品科学与工程。E-mail：manlili6@ * 通信作者：孟祥晨(1970 —)，女，教授，博士，研究方向为食品微生物与生物技术。E-mail：xchmeng@
2 乳酸菌信号转导机制
ABC 转运系统
自诱导肽 ATP ADP
前体肽修饰加工
H 组氨酸激酶 P
D 反应调节子
P
前体肽合成位点
D
下游靶基因
H . 组氨酸激酶的保守组氨酸残基；D . 反应 调节蛋白的保守天冬氨酸残基；P . 磷酸基团。
图 1 乳酸菌的群体感应机制 Fig.1 Quorum sensing mechanism of lactic acid bacteria
Regulation of Bacteriocin Synthesis by Quorum Sensing in Lactic Acid Bacteria: A Review
MAN Li-li1,2，MENG Xiang-chen1,*，WANG Hui1，ZHAO Ri-hong1 (1. Key Laboratory of Dairy Science, Ministry of Education, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China ；
1 乳酸菌群体感应信号分子种类
1.1 种内信号分子 乳酸菌利用一套不同于革兰氏阴性细菌的群体感应
系统来调控一系列生理过程，其所用的信号分子是经修 饰过的小分子肽类。所有的寡肽类物质都是在细胞质中 由前导肽切割、加工成为成熟的信号分子，通过 ATP结合盒转运复合物分泌到细胞外[7]。不同菌体中前导肽 的长短及组成差异较大，形成的寡肽分子也不同，其 氨基酸残基大多在 5～17 之间，C 端第 5 位是一个保守 的半胱氨酸，它与 C 末端的氨基酸残基以硫酯键相连后 形成类酯，氨基酸序列以及空间结构决定了 AIP 分子的 特异性[8]。 1.2 种群间信号分子
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食品科学
※专题论述
群体感应系统在乳酸菌产细菌素中的作用
满丽莉 1,2，孟祥晨 1,*，王 辉 1，赵日红 1
(1.东北农业大学 乳品科学教育部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150030； 2.黑龙江农业经济职业学院，黑龙江 牡丹江 157041)
摘 要：许多乳酸菌能够产生抗菌活性肽——细菌素，细菌素具有不同的结构、作用方式、抑菌谱和效价，通 常认为乳酸菌和其所产的细菌素都是安全的，乳酸菌所产细菌素作为天然食品防腐剂已显示了巨大的潜能。基于群 体感应的细胞间交流已成为细菌素合成的关键调控机制，群体感应作为细胞密度函数，可使细菌素产生保持同步 性。群体感应需通过信号分子介导感知菌体密度，信号分子随着菌体密度增加而增加，并激活信号转导级联使菌 体产生细菌素。本文通过对乳酸菌群体感应信号分子种类、信号转导机制及群体感应系统对两类细菌素合成的调控 进行综述，以初步了解群体感应系统在乳酸菌产细菌素过程中的作用机制。 关键词：群体感应；细菌素；信号分子；乳酸菌
如图 1 所示，在乳酸菌的核糖体中前导肽合成并被 加工修饰成成熟的寡肽信号分子，成熟肽通过 ATP- 结 合盒转运复合物分泌到细胞外[13]。当寡肽在胞外达到某 一特定浓度时，双组分的感应识别元件(图中 H 和 D)就 会探测到这种信号分子。寡肽信号分子的检测系统是传 感激酶，可识别信号分子并在自身一个保守的组氨酸残 基(H)上进行磷酸化，然后再将磷酸基团信号传给下游的 反应调节蛋白的一个保守天冬氨酸残基(D)上[14]。磷酸化 后的响应调节子结合到特定的目标启动子，从而调节受 群体效应控制的目标基因表达，如细菌素合成基因[15]。 乳酸菌识别 AI-2 信号分子与识别寡肽信号分子的双组分 识别系统一致，都是组氨酸激酶识别 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[16]。
tion of antimicrobial peptides as a function of cell density. The intercellular communication phenomenon required for
sensing of the cell density is mediated by secreted signaling molecules that accumulate in the environment as the cell
3 群体感应对第一类细菌素(Class Ⅰ AMPs)合成的 调节
第一类细菌素又称羊毛硫细菌素，是一类小分子的 热稳定短肽，其最显著特点是发生了转录后修饰加工， 在分子内引入稀有氨基酸，这些氨基酸以共价桥形式在 细菌素内部形成环状结构。乳酸乳球菌分泌的细菌素 Nisin 是研究最为深入的第一类细菌素。Nisin 的生物合 成由基因簇 nisABTCIPRKFEG 完成，其中包括编码 Nisin 前体的结构基因(nisA)、Nisin 前体的转录后修饰基因 (nisB、nisC)、跨膜转运基因(nisT)[17]、切割前导肽的 蛋白酶基因( n i s P ) 、编码免疫蛋白基因( n i s I 、n i s F 、 nisE、nisG)和 Nisin 生物合成调节基因(nisK、nisR) 。 [18] Nisin 的合成由 nisK 和 nisR 组成的双组分信号转导系统 来调控，当组氨酸蛋白激酶 NisK 或应答调节蛋白 NisR 被破坏时，Nisin 无法合成。Cheigh 等[19]研究发现通过 在 Lactococcus lactis subsp. Lactis A164 中引入多拷贝基 因使 Nisin 的双组分调节系统 nisRK 在菌株中进行过量表 达，可使 Nisin 的抑菌活性由原来的 16000AU/mL 提高到
density increase and activate signal transduction cascades, resulting in the production of bacteriocins. This review aims at
describing the types of signal molecules, signal transduction mechanism and the regulation of quorum sensing ynthesis of LAB and understanding the regulation mechanism of quorum sensing involved in the production of two