细菌群体感应调节系统

细菌的群体感应调节系统Quorum sensing

苏晓娜

（10动物丁颖班201030710318）

摘要：传统观念认为细菌是一种个体的、非社会性的生物体。近来的研究表明细菌可以产生化学信号并通过它们实现细菌间信息传递。细菌的群体感应调节系统(Quorum sensing, QS)调节着个体细胞之间的相互合作,使其表现出类似多细胞的群体行为。本综述参考了近几年的文献报道，对QS的发现、分类、特点、功能、应用及前景等作简要介绍。

关键词：细菌群体感应调节系统信号传递进化应用合作

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)。[1]传统观念认为细菌是一种个体的、非社会性的生活方式。而实际上, 细菌往往生活在一个相互作用的群体(Population)中, 通过各种各样分泌到细胞外的化合物行使着不同类型的相互作用。[2]。QS现象是于1977年在一种海洋发光细菌Vibrio fischeri中首次发现的，是细菌通过分泌可溶性信号分子来监测群体密度并协调细菌生物功能的信息交流机制。[3]本文介绍细菌群体感应调节系统的发现及研究的过程，并从中探讨研究细菌群体感应调节系统的意义。

1细菌群体感应调节系统的概念

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。[4]很多细菌会低水平地合成并分泌被称为自诱导物

( autoinducer) 的小分子信号分子, 细菌通过这些信号分子进行信息的交流。当信号分子浓度较低时, 它不足以诱导目的基因的表达。但是信号分子的浓度会随着细菌浓度的增大而增大, 当其浓度达到阈值时, 就会诱导一些结构基因表达, 同时也诱导其自身合成基因的表达, 产生更多的信号分子来诱导结构基因和自身基因大量表达, 如此形成一种正反馈机制。[5]。例如根癌农杆(Agrobacteriumtumefaciens) 、胡萝卜软腐欧文氏菌( Erwinia carotovora) 等植物病原菌,至少要在营养缺乏的土壤和防御严密营养丰富的寄主两种复杂生境中交替生活。当病原菌侵染寄主时,必需达到一定的基数才能侵染成功,因为此时的信号分子浓度才能启动侵染寄主起关键作用基因的表达,否则其侵染不能成功;另外枯草芽胞杆菌( Bacillussubtilis) 也利用QS 系统对自身发育进行调控,当菌体密度高时,信号分子浓度相应增高启动了芽胞形成基因的表达。[4]

2细菌群体感应调节系统的发现

长期以来，人们一直认为仅在多细胞生物中存在着细胞与细胞之间的信息交流，细菌则是单纯地以单个细胞的生存方式存在于环境中。[6]早期，在研究海洋微生物费氏弧菌(Photoaterium fuscheri 曾用名 Vibro fuseher i)时，发现这种细菌可以在自然状态下使乌贼发光，进一步研究发现只有当细菌浓度达到一定阈值时才会发光，且细菌孵育的上清液也可以诱导这一发光现象。于是科学家提出假设：细菌可以分泌及感应某些可扩散的小分子物质，这种小分子物质可传播有关菌群密度的信息。[7]以后的研究陆续发现，陆生植物病原体胡萝卜软腐欧文氏菌的产物B一内酰胺类抗生素、碳青霉烯类也可以被AHL调节旧J。不少革兰阴性菌(G一菌)属的细菌都具有AHL信号系统，其功能各不相同。当然，信号系统也不仅仅局限于G一菌，有些革兰阳性菌(G+菌)也拥有细胞外信号分子。信号分子调控P．fischeri 的密度依赖型发光过程仅在鱼类的特定发光器官中发光，而在海洋中游离的P．fischeri中却不发光。究其原因主要有两点，一是宿主发光器官丰富的营养促进了P．fischer 高密度生长，二是细菌分泌的信号分子在狭小的宿主发光器官中达到了一定的浓度，足以达到细菌检测能力水平。随后研究证实在细菌中，无论革兰氏阳性菌(G+)还是阴性菌(G-)，都存在着细胞与细胞之间的信息交流。[6]

3细菌群体感应调节系统的特点

3.1分子量小

细菌信息素都是一些小分子物质，如离丝氩酸内酯(AHL)衍生物、寡肽、一丁内酯等，能自由进出绑胞或通过寡肽通透酶分泌到环境中，在环境中积累。

3.2具种属特异性

革兰氏阴性菌的高丝氨酸内酯没有特异性，一种细菌的调节蛋白能响应多种不同的信息素据此已建立了多种革兰氏阴性菌信息素检测系统；革兰氏阳性菌的寡肽类信息素则一般没有这种交叉反应。

3.3对生长期和细胞密度具依赖性

一般在生长的对数期或稳定期，在环境中积累达到较高浓度，其所调节的基因表达量最大，而且稳定期培养物的无细胞提取物能够诱导培养期(细菌密度较低)的培养物生理状况的改变。

3.4在细菌感染过程中具调控作用

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。如金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aerus )在调控哺乳动物细胞凋亡过程中，依赖于高丝氨酸内酯信息素和环境因子控制的毒素蛋白(Agr)和调节蛋白(Sar)因子，这两个基因发生突变的菌株可以进入细胞，但不能诱导细胞凋亡。

3.5其他

信息素的抗生素活性，如乳酸球菌(Lactococcus lastis)产生的乳链球菌素nisin，不但作为信息调节细胞生物合成和免疫基因的表达，也作为抗生索拈抗其他微生物。植物乳球菌(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。[8]

4 细菌群体感应调节系统的分类

大部分细菌有两套QS系统，一套用于种内信息交流，一套用于种问信息交流。革兰阴性菌常利用高丝氨酸内酯类物质(acyl-homoserine lactones，AHI )作为种内交流的AI信号分子，革兰阳性菌则多利用小分子多肽(antoinducing peptides，AIP)作为种内交流的AI信号分子。还有一种自诱导物质被称之为AI-2，其结构是呋喃酮酰硼酸二酯(furanosyl borate diester)，在革兰阴性菌与革兰阳性菌均存在，被用于种问信息交流。[9]另外，最近研究发现，有些细菌利用两种甚至三种不同的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，要想全面了解并利用细菌群体感应系统，还有许多工作要做。[10]根据自诱导分子的不同，细菌QS系统分为3种类型，一类是革兰氏阴性菌以酰基高丝氨酸内酯

(acyl-homoserinelactone，AHL) 类物质为自诱导分子的QS系统，一类是革兰氏阳性菌以寡肽类物质为自诱导分子的QS系统；另外一类是存在于革兰阴性菌和革兰阳性菌中以呋喃酰硼酸二酯为自诱导分子的QS系统。[11]下面我们将对细菌种内、种间的信息交流分别做一介绍。

4.1 革兰阴性菌感知种内信息的QS系统

此类群感效应的发现主要基于对海洋费氏弧菌( fischeri)的发光研究，其调控机制需要两种组分的参与：LuxI蛋白和LuxR蛋白。其中Luxl蛋白负责信号分子AHL的合成，而LuxR蛋白则结合AHL并激活荧光素酶基因的转录。在菌体浓度上升的同时，会伴随着AHL分子浓度的增加，达到微摩尔浓度阈值时，就会与LuxR蛋白结合，结合复合物再去激活荧光素酶基因的启动子转录。[8]以AHI 为信号分子的Qs系统在革兰阴性菌中，控制着多种细菌功能，如：弗氏弧菌和夏威夷弧菌的生物发光；植物肿胀病菌的rri质粒转移；液化沙雷菌的云涌现象；铜绿假单胞菌中的生物膜形成和毒力因子的产生；欧文菌和假单胞菌的抗生素合成；假结核耶尔森菌的细胞聚集及运动等。革兰阴性菌中负责种内信号传递的A1分子，除了AHL外，还