细菌群体感应系统与应用

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
• 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
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
Dong等经过大量的实验和研究从芽孢杆菌(Bacillus240B1)中分离
应机制不同，QS系统主要分为3 种：
种内QS 系统
G-菌QS系统
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
呋喃酰硼酸二酯
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）
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
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 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。
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。
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
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 传递给受体蛋白并启动相关基因的表达
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
种内交流：G+ 的QS系统
种内交流：G+ 的QS系统
金黄色葡萄球菌的双组份QS系统：
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
1994年Fuqua等提出了群体感应 (quorum sensing，QS)这一概念
群体感应的发现
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 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)
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
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
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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 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，使细菌聚集 形成生物被膜
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
群体感应的抑制
3.利用QS系统中的信号分子来诱发抗性，植物中比较常见
豌豆、马铃薯、苜蓿属等植物宿主不仅能产生抑制因子干扰细菌QS， 还能产生AHL类似物激活QS系统。Schuhegger等研究发现番茄根际产AHL细 菌的存在可以诱导植物水杨酸和乙烯依赖的防卫反应，使植物产生对病原 真菌交链孢属病菌(Alternaria alternate)的诱导系统抗性。这说明细菌 QS系统的信号分子确实能够诱发植物的一些反应，这就为植物抗病性研究 提供了新的思路
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
AIP浓度在胞外达到某 一阈值
膜上激酶识别信号分 子，并促进激酶中组 氨酸残基磷酸化
细菌群体感应系统及其应用
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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.群体感应在控制病原菌中的应用 4.小结及展望
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， 引发了关于群体感应的猜想
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
小结与展望：
群体感应现象的发现被视为近 20 年来微生物研究领 域中最重大的进展之一。细菌利用 QS 调控系统以群体协 作的方式对种群的社会行为产生影响，赋予细菌类似多细 胞群体行为的能力，使之更好地适应不断变化的环境。QS 在农业、生物技术和医学等诸多领域展示了广阔的应用前 景。
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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