1、 细菌群体感应系统及其应用 1.1.群体感应的发现及研究意义群体感应的发现及研究意义 目录 4.4.小结及展望小结及展望 3.3.群体感应在控制病原菌中的应用群体感应在控制病原菌中的应用 2.2.群体感应系统的分类及机制群体感应系统的分类及机制 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不生物发光呈正相兲，引发了兲于群体感应的猜想 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
2、菌都能合成并释放一种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被称为自诱导物质(autoinducer(autoinducer，AIAI)的信号分子，胞外的的信号分子，胞外的AIAI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、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，我们将生物膜形成、菌体发光、色素产
3、生、抗生素形成等，我们将这一现象称为这一现象称为群体感应群体感应(quorum sensing(quorum sensing，QSQS)群体感应的研究意义 了解单细胞微生物的信息交流不行为特性的兲 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的应 用 群体感应系统的分类 G-菌菌QS系统系统 G+菌菌QS系统系统 种间种间QS 系统系统 种内种内QS 系统系统 群体感应群体感应 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
4、种间信息交流；根据细菌合成的自诱导分子和感；根据细菌合成的自诱导分子和感应机制不同，应机制不同，QS系统主要分为系统主要分为3 种：种：寡肽类物质寡肽类物质(AIP)N-酰基高丝氨酸内酯酰基高丝氨酸内酯（AHL)呋喃酰硼酸二酯呋喃酰硼酸二酯 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-端不AHL结合，C-端则参不寡聚化以及不启动子DNA的结合 种内交流：G-的QS系统 LuxILuxI产生产生AHLAHL，自由通过，自由通过 细胞膜，分泌到胞外细胞膜，分泌到胞外
5、 AHLAHL随菌体浓度上升在胞随菌体浓度上升在胞 外积累到阈值外积累到阈值 AHLAHL扩散入胞内与扩散入胞内与LuxRLuxR蛋蛋 白结合，形成白结合，形成AIAILuxRLuxR复复 合体，并结合到合体，并结合到 DNADNA上，上，激活发光基因的启动子激活发光基因的启动子转转 录录 费氏弧菌的费氏弧菌的AHL-LuxILuxR 型系统：型系统：种内交流：G-的QS系统 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
6、群体感应的模式系统。丌同的细菌产生丌同的 AHL，差异只在于酰基侧链的长度不结构，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。种内交流：G+的QS系统 AIP不能自由穿透细胞不能自由穿透细胞壁，需要壁，需要ABC（ATP-binding-cassette）转运）转运系统系统或其它膜通道蛋或其它膜通道蛋白作用到达胞外行使白作用到达胞外行使功能功能 AIP前体肽前体肽经转录经转录后的一系列修饰加后的一系列修饰加工，在不同细菌内工，在不同细菌内形成长短不同、稳形成长短不同、稳定、定、特异的特异的AIP AIP浓度在胞外达到某一阈值 膜上激酶识别信号分子，并，并促
7、进激酶中组氨酸残基磷酸化 经过天冬氨酸残基的传递，把磷酸基团传递给受体蛋白 磷酸化的受体蛋白不 DNA 特定的靶位点结合，调控基因表达基因表达 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金黄色葡萄球菌的双组份QS系统：系统：种间交流 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二二 酯类化合物酯类化合物，感应分子为 LuxP 和 LuxQ LuxN 和 LuxQ 均通过LuxU 来实实 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
8、的表达 信号信号分子分子 信号传递信号传递及识别及识别 种间交流 信号分子信号分子AI-2：呋喃酰硼酸二酯类化合物：呋喃酰硼酸二酯类化合物 细菌识别细菌识别AI-2型信号分子的方式与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，即双组分激酶识别 AI-2分子后，把磷酸化基团分子后，把磷酸化基团传递给受体蛋白并启动相关基因的表达传递给受体蛋白并启动相关基因的表达 AI-2信号分子作用广泛，能够被多种微生物识别，是丌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微生物对宿主的致病
9、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。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对毒力因子产生和生物膜形成的控制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，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致病作用及增强抗生素的作用效果 毒力因子的产生：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Cyl
10、LL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素 群体感应群体感应 对生物膜形成的控制：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
11、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 群体感应的抑制 1.1.产生可以使产生可以使AHLAHL分子灭活的分子灭活的AHLAHL降解酶，使病原菌降解酶，使病原菌QSQS系统不系统不 能启动它所调控的基因能启动它所调控的基因 内酯酶内酯酶(AHL(AHL-1actonase)1actonase)和酰基转移酶和酰基转移酶(AHL(AHL-acylase)acylase)目前都已经目前都已经在一些细菌中被发现。内酯酶可以水解在一些细菌中被发现。内酯酶可以水解AHLAHL的内酯键，生成的的内酯键，生成的N N-酰基高酰基高丝氨酸内酯的生物活性大大降低丝氨酸
12、内酯的生物活性大大降低 DongDong等经过大量的实验和研究从芽孢杆菌等经过大量的实验和研究从芽孢杆菌(Bacillus240B1Bacillus240B1)中分离中分离出能够降解出能够降解AHLAHL的酶的酶AiiAAiiA。其后研究证明。其后研究证明AiiAAiiA编码一个编码一个AHLAHL内酯水解内酯水解酶。酶。AiiAAiiA蛋白能打开胡萝卜软腐欧文氏菌产生的蛋白能打开胡萝卜软腐欧文氏菌产生的AHLAHL的内酯键，使软腐的内酯键，使软腐菌的菌的QSQS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，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
13、致病力从而大大削弱了该菌的致病力 2.2.产生病原菌信号分子的类似物与信号分子受体蛋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，从而阻断病原菌的白竞争结合，从而阻断病原菌的QSQS系统系统 海洋红藻海洋红藻(Delisea pulchra)(Delisea pulchra)产生的卤化呋喃酮结构和产生的卤化呋喃酮结构和AHLAHL相似，用相似，用该卤化呋喃酮处理该卤化呋喃酮处理V.fiscberiV.fiscberi后，其后，其QSQS系统被竞争性的抑制。另外吡系统被竞争性的抑制。另外吡咯酮类化合物、某些取代的咯酮类化合物、某些取代的HSLHSL化合物、二酮哌嗪类化合物等也能够起化合
14、物、二酮哌嗪类化合物等也能够起到相类似的作用。在到相类似的作用。在G G+菌中，尽管菌中，尽管AIPAIP分子调控许多致病基因的表达，分子调控许多致病基因的表达，但目前还没有专门针对其但目前还没有专门针对其QSQS系统的防病策略。仅在金黄色葡萄球菌发现系统的防病策略。仅在金黄色葡萄球菌发现其产生不同种类的其产生不同种类的AIPAIP之间可以相互抑制。因此可以通过设计与病菌之间可以相互抑制。因此可以通过设计与病菌AIPAIP分子相似的物质来破坏其分子相似的物质来破坏其QSQS统，从而增强植物等的抗病性统，从而增强植物等的抗病性 群体感应的抑制 3.3.利用利用QSQS系统中的信号分子来诱发抗性，
15、植物中比较常见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QSQS，还能产生还能产生AHLAHL类似物激活类似物激活QSQS系统。系统。SchuheggerSchuhegger等研究发现番茄根际产等研究发现番茄根际产AHLAHL细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真菌交链孢属病菌(Alternaria alternate)(Alternaria alternate)的诱导系统抗性。这说明细菌的诱导系统抗性。这说明细菌QSQS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提供了新的思路 群体感应的抑制 小结不展望：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，使之更好地适应丌断变化的环境。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。谢谢