微生物群体感应系统
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种点向周围进行的依赖鞭毛的迁移运动。 • QS通过调控鞭毛操纵子flhdc而调节细胞群集运动 • 细胞群集决定了FIHDC蛋白的活化，是全面调节
鞭毛和运动相关的趋化作用基因
生命科学学院 College of Life Science
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
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金黄色葡萄球菌的群体感应系统
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三、种间QS系统—AI-2介导的通信
• 信号分子 ：AI-2 (呋喃酰硼酸二酯类化合物) • 此类信号分子在G+菌和 G-菌中均可存在； • 费氏弧菌的AI-2受体是周质结合蛋白LuxP • AI-2的产生依赖于一种LuxS蛋白质 • 细菌识别AI- 2 分子的方式与革兰氏阳性菌中双组分识别 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。
指细菌在种内或种间，通过化学信号分子彼此感知、交流、相
群体感应系统
互协调的一种机制，其核心包括信号分子的产生、传递、识别 和调控应答几个环节。
自诱导分子 （autoinduc er, AI）
Autoinducers are chemical signaling molecules that are produced and used by same type of bacteria participating in quorum sensing.
二、对宿主的侵袭和定植
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，有利于病原菌的释放
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三、调控生物被膜形成
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1、黏附期：浮游细菌，可 逆 2、定植期：分泌胞外基质， 微菌落 3、生长期：微菌落融合， 向上生长 4、成熟期：蘑菇状，并含 有液体通道 5、播散期：生物被膜的脱 落、蔓延和释放浮游状细菌
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哈维氏弧菌
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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：
的10倍以上，其总重量超过1.5公斤,若将单个微生 物排列起来可绕地球两圈 • 如何互相利用、互相协调和互相斗争？ • 群体感应在其中的作用是什么？
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(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 (3)不同 QS系统之间关系的复杂性： 多种 QS系统构成复杂 的调控网络，如P.aeruginosa中含有三个 QS系统
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群体感应对铜绿假单胞菌生物被膜形成的调控
突变体所形成的生物膜比较薄，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
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四、细菌群集运动
• 群集运动是指细菌以群体方式在培养基表面由接
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第一节 群体感应的分子机制
G-菌QS系统 种内QS系统
群体感应
种间QS系统
G+菌QS系统
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一、G-菌QS系统—LuxI-AHL型QS系统
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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
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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
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铜绿假单胞菌的群体感应系统
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二、G+菌QS系统—AIP-TCS三组分系统
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• 信号分子 Leabharlann BaiduAIP（autoinducing peptides，自诱导肽 ） • AIP前体肽经转录后的一系列修 饰加工，在不同细菌中形成长短 不同、稳定、特异的AIP • AIP通过细胞膜的方式： ABC 转运系统
第二节 群体感应的生物效应
生物 发光 生物被膜 形成 致病因子 的产生
抗生素 合成 孢子 形成
毒力因子 的诱导 不同种属群 间的竞争
细菌与宿 主的斗争 细菌的 运动
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一、调控细菌毒力
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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
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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
第四章 微生物群体感应系统
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1
群体感应的分子机制
2
群体感应的生物效应
3
群体感应的应用
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群体感应的发现
①1970年，Nealson等首次发现费氏弧菌（Vibrio fischeri）的生物发光现象 ②1983年，Engebrecht等找到了费氏弧军群体感应的 相关基因和基本模型。 ③群体感应的研究从发光现象扩展到生物被膜形成 、分泌毒力因子等其他领域
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群体感应 (quorum sensing, QS)
细菌分泌一种或几种小分子量的化学信号分子来促进细胞间的 交流和合作，协调群体行为，行使单个细胞无法完成的功能或 社会行为，这种现象称为群体感应。
（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
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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
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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。 • 主要是对细菌生物被膜的防治 • 抑制细菌的群体感应系统可以减少生物被膜的形成
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亟待解决的问题：肠道微生物的群体感 应机制
• 肠道微生物数量超过1000万亿，是人体细胞总数
常见的AHL分子及其功能
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常见的AHL分子及其功能
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多套QS系统相互作用—铜绿假单胞菌
自身诱导调 控系统
las系统
rhl系统
毒力基 因表达 和生物 被膜形 成
PQS系统
外源诱导调 控系统
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
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级联放大的正反馈效应
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• 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 • AI合成蛋白：LuxI蛋白酶，可催化带有酰基的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，AHL与IuxR蛋白的结合是浓度依赖型的。没有 AHL的情况下，LuxR是无活性的，而且很快被降解掉。 • AHL-LuxR复合物作为转录因子，激活目标基因的表达；还可激活
鞭毛和运动相关的趋化作用基因
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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
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三、种间QS系统—AI-2介导的通信
• 信号分子 ：AI-2 (呋喃酰硼酸二酯类化合物) • 此类信号分子在G+菌和 G-菌中均可存在； • 费氏弧菌的AI-2受体是周质结合蛋白LuxP • AI-2的产生依赖于一种LuxS蛋白质 • 细菌识别AI- 2 分子的方式与革兰氏阳性菌中双组分识别 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。
指细菌在种内或种间，通过化学信号分子彼此感知、交流、相
群体感应系统
互协调的一种机制，其核心包括信号分子的产生、传递、识别 和调控应答几个环节。
自诱导分子 （autoinduc er, AI）
Autoinducers are chemical signaling molecules that are produced and used by same type of bacteria participating in quorum sensing.
二、对宿主的侵袭和定植
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，有利于病原菌的释放
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三、调控生物被膜形成
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1、黏附期：浮游细菌，可 逆 2、定植期：分泌胞外基质， 微菌落 3、生长期：微菌落融合， 向上生长 4、成熟期：蘑菇状，并含 有液体通道 5、播散期：生物被膜的脱 落、蔓延和释放浮游状细菌
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哈维氏弧菌
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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：
的10倍以上，其总重量超过1.5公斤,若将单个微生 物排列起来可绕地球两圈 • 如何互相利用、互相协调和互相斗争？ • 群体感应在其中的作用是什么？
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(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 (3)不同 QS系统之间关系的复杂性： 多种 QS系统构成复杂 的调控网络，如P.aeruginosa中含有三个 QS系统
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群体感应对铜绿假单胞菌生物被膜形成的调控
突变体所形成的生物膜比较薄，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
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四、细菌群集运动
• 群集运动是指细菌以群体方式在培养基表面由接
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第一节 群体感应的分子机制
G-菌QS系统 种内QS系统
群体感应
种间QS系统
G+菌QS系统
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一、G-菌QS系统—LuxI-AHL型QS系统
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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
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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
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二、G+菌QS系统—AIP-TCS三组分系统
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• 信号分子 Leabharlann BaiduAIP（autoinducing peptides，自诱导肽 ） • AIP前体肽经转录后的一系列修 饰加工，在不同细菌中形成长短 不同、稳定、特异的AIP • AIP通过细胞膜的方式： ABC 转运系统
第二节 群体感应的生物效应
生物 发光 生物被膜 形成 致病因子 的产生
抗生素 合成 孢子 形成
毒力因子 的诱导 不同种属群 间的竞争
细菌与宿 主的斗争 细菌的 运动
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一、调控细菌毒力
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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
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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
第四章 微生物群体感应系统
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1
群体感应的分子机制
2
群体感应的生物效应
3
群体感应的应用
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群体感应的发现
①1970年，Nealson等首次发现费氏弧菌（Vibrio fischeri）的生物发光现象 ②1983年，Engebrecht等找到了费氏弧军群体感应的 相关基因和基本模型。 ③群体感应的研究从发光现象扩展到生物被膜形成 、分泌毒力因子等其他领域
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群体感应 (quorum sensing, QS)
细菌分泌一种或几种小分子量的化学信号分子来促进细胞间的 交流和合作，协调群体行为，行使单个细胞无法完成的功能或 社会行为，这种现象称为群体感应。
（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
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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
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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。 • 主要是对细菌生物被膜的防治 • 抑制细菌的群体感应系统可以减少生物被膜的形成
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亟待解决的问题：肠道微生物的群体感 应机制
• 肠道微生物数量超过1000万亿，是人体细胞总数
常见的AHL分子及其功能
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常见的AHL分子及其功能
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多套QS系统相互作用—铜绿假单胞菌
自身诱导调 控系统
las系统
rhl系统
毒力基 因表达 和生物 被膜形 成
PQS系统
外源诱导调 控系统
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
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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 • AI合成蛋白：LuxI蛋白酶，可催化带有酰基的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，AHL与IuxR蛋白的结合是浓度依赖型的。没有 AHL的情况下，LuxR是无活性的，而且很快被降解掉。 • AHL-LuxR复合物作为转录因子，激活目标基因的表达；还可激活