群体感应

群体感应1.群体感应概念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(quorumsensing，QS)。细菌利用信号分子感知周围环境中自身或其他细菌的细胞群体密度的变化，并且信号分子随着群体密度的增加而增加，当群体密度达到一定阈值时，信号分子将启动菌体中特定基因的表达，改变和协调细胞之间的行为，呈现某种生理特性，从而实现单个细菌无法完成的某些生理功能和调节机制。20世纪70年代，QS系统首先是在海洋细菌费氏弧菌(Vibriofiscberi)中发现的，V.fiscberi可以与某些海生动物共生，宿主利用其发出的光捕获食物、躲避天敌以及寻觅配偶，而V.fiscberi也获得了一个营养丰富的生存环境。对细菌的QS研究始于20世纪90年代初.从已有的研究成果看:其一,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;其二,QS对细菌的许多生理功能都有调节作用,如生物发光、毒素的产生、质粒的转移、根瘤菌的结瘤、抗生素的合成,等等.群体感应参与调控细菌的多种生活习性以及各种生理过程,如生物发光、质粒的接合转移、生物膜与孢子形成、细胞分化、运动性、胞外多糖形成等[1,3],尤其致病菌的毒力因子的诱导、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相关。因此,细菌QS系统研究,深受医学、生物工程、农业和环境工程、食品科学等领域研究者广泛关注。当前,对致病菌的QS系统及以其为靶点的新型疗法和抗菌药物研究、根瘤菌QS系统及其在根瘤菌与植物互作中的作用研究、植物病原菌QS系统及寻找生物技术防治细菌病害的新靶点研究较为深入意义：一方面有助于人们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；另一方面则可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，以达成其在实际意义上的应用。2.群体感应分类2.1革兰氏阴性菌的群体感应系统图１革兰氏阴性菌的群体感应系统（LuxI-LuxR型QS系统）模式图在细菌生长初期，LuxI蛋白（最广泛的一类AHLs合成酶）以SAM(5-腺苷甲硫氨酸)和acyl-ACP为底物合成自身诱导物AHLs（N-酰基高丝氨酸内酯类化合物）。随着细菌群体密度的增加，AHLs浓度逐渐增大。AHLs自由穿越或通过特定的转运机制透过细胞膜，在细胞外积累到一定浓度(通常达到微摩)时，AHLs进入细胞与LuxR蛋白结合。LuxR-AHLs复合物结合到目标基因启动子上，激活其转录，从而引发相应的生物表型产生。图２费氏弧菌LuxI-LuxR群体感应通路AHLs扩散到细胞外后,随着细胞密度的增加而积累,当这种信号密度积累到临界密度时就与LuxR结合,结合后的复合物能激活荧光素酶基因(luxICDABE)表达2.2革兰氏阳性菌的群体感应系统图３革兰氏阳性菌群体感应系统模式图AIP（auto-inducingpeptides自诱导肽）由ABC转运系统(ATPbindingcassettle)运送到细胞外，当其浓度达到阈值时，AIP通过结合HPK（组氨酸激酶感应蛋白）的氨基端传感器区域，启动HPK。HPK感知外界环境变化，使羰基端所含的一个保守的组氨酸位点发生自我磷酸化。接着，将磷酸基团转移至RR(应答调节蛋白)信号输出区域的保守天冬氨酸残基位点，使其发生磷酸化。磷酸化的RR具有转录激活活性，激活目的基因的转录。图４金黄色葡萄球菌的双组分群体感应调控系统2.4种间的群体效应细菌种间的交流则是利用呋喃酰硼酸二酯类化合物(AI-2),此类信号分子在G+菌和G-菌中均可存在。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。3．群体感应的特点多样性：细菌QS系统的信号产生、信号释放、信号识别和信号响应等各个环节均呈现多样性。(1)分布的多样性在细菌种内、种间都存在QS系统，细菌与植物、动物间也存在此类系统，进行信息的交流;(2)信号分子的多样性不但G+菌与G-菌的信号分子不同，呈多样性。(2)信号分子产生机制的多样性G-菌和G+菌信号分子产生的机制不同，前者是由信号分子合成酶来完成，而后者则是先生成前体，经蛋白酶切割后获得成熟的信号分子;(4)信号分子运输的多样性G+菌和G-菌信号分子运输机制不同，前者需要专有的ABC转运系统，而后者则可直接透过细胞膜。(5)信号响应的多样性G+菌以双组分信号转导系统感应信号分子，将信号传递;G-菌则通过受体蛋白识别信号分子，传递信号。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，Paeruginosa中信号分子N-3-氧-高丝氨酸内酯参与金属离子的运输等；（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有的细菌含有不止一套QS系统，多种QS系统构成复杂的调控网络，调节多种生理反应，以适应环境变化。例如豌豆根瘤菌共有4个QS系统。有的QS系统之间具有等级调控效应。P。aeruginosa中含有两个QS系统，即LasI/LasR信号系统和RhlI/RhlR信号系统，前者调控致病因子的生物合成，并产生大量的AHLs，进而诱导RhlI/RhlR信号系统。3.群体感应研究进展（发现、应用）应用：在生物膜法水处理中的应用(1)启动挂膜.在生物膜挂膜启动阶段向系统中投加某些信号分子的拮抗物或结构类似物来干预细菌的群体感应系统，可以达到提高挂膜速度和效率的目的.(2)菌群优化.在生物膜法水处理工艺中，生物膜系统中各生物相之间的数量比例和相互作用决定了工艺对不同污染物的去除效率.通过增强或减弱群体感应信号分子浓度来强化或弱化某些种群，优化生物膜的群落组成及结构，进而可以提高该工艺对特定污染物的去除效果.AHLs可明显影响活性污泥的微生物组成(3)生物强化.利用化学信号物质干预细菌的信息系统，还能够影响细菌的其它生理行为。例如，某些特定污染物的降解基因，通过具有结合转移特性的质粒在种群内的扩散和进化，可以增加生物膜系统对环境变化的适应能力。由于信号分子控制细菌许多病基因的表达,因此任何能够阻止QS信号分子集聚或受体识别信号分子的过程都可以阻断依赖细菌QS的毒力基因表达3.1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。研究表明,不同生物体包括细菌和真核生物中都存在类别不同的能够降解AHL的群体感应淬灭酶(QuorumQuenchingEnzyme)。Dong等[14]经过大量的实验和研究从芽孢杆菌(Bacillus)240B1中分离出能够降解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QuenchingquorumsensingdependentbacterialinfectionbyanNacyl-homoserinelactonase在控制病原菌中的应用：第一，控制致病菌群体感应效应可以抑制致病毒素的分泌；第二，抑制致病菌的群体感应效应可以使致病菌难以形成对抗生素具有抗性作用的生物膜，解除致病菌的抗药性，从而大大加强了抗生素的杀菌作用.第三，抑制致病菌的群体感应效应可以调节和加强受感者自身免疫系统的抗病能力