群体感应系统专题培训课件

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
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、 稳定特异的AIP
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
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Байду номын сангаас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
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：
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)
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
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
革兰氏阳性菌QS系统—ATP-TCS三组分系统
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
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)
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
1983年，Engebrecht等找到了费式弧菌群体感应的相关 基因和群体模型
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