第27卷第6期 2010年12月 生物学杂志 JOURNAL OF B10L0GY V01.27 No.6 Dec.2010 细菌群体感应及其干扰策略的研究进展 罗利龙 ,娄瑞娟 ,邱健 ,宋水山 (1.河北工业大学化工学院,天津300100;2.河北省生物研究所,石家庄050051) 摘要:群体感应(Qs)广泛存在于细菌中,是细菌根据细胞密度变化调控基因表达的一种机制。许多植物病原菌 依赖Qs调控致病基因和毒性因子的表达,导致植物发病,因此通过抑制Qs效应就为控制细茵病害提供了一种有 效的方法。目前发现许多途径可以干扰细菌的Qs,如:产生可使信号分子降解的酶,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来阻断病原菌的群体感应,利用Qs中信号分子来诱发寄主抗性。系统阐述了细菌 Qs及其干扰策略。 关键词:细菌;群体感应;干扰策略 中图分类号:.Q938.1 5 文献标识码:A 文章编号:1008—9632(2010)06—0079—04 Research progress in bacterial quorum—sensing and it S strategy for interference LUO Li—long 一,LOU Rui-juan 一,QIU Jian ,SONG Shui—shan (1.College of Chemistry and Chemical Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300100; 2.Hebei Institute of Biology,Shijiazhuang 050051,China) Abstract:Quorum—sensing(Qs),which regulates gene expression depending on population density,is universal in bacteria.Qs is in— volved in the regulation of virulent factor and pathogenic gene expression,and plays a key role in causing plant disease by plant bacteri— al pathogens.Hence,targeting the bacterial QS seems to be a promising approach for control the disease caused by Qs—mediated bacte— ital pathogens.Currently many ways to interfere with bacterial QS such as producing signal molecule—degrading enzyme,producing ana— logues of the pathogen signal molecules to compete with the signal molecule receptor protein to block the pathogen QS and using the sig— nMing molecules to induce host defense response were ound.Thifs review mainly focused on the bacterial QS and the strategy ofr inter- feting bacterial QS. Keywords:bacteria;quorum・sensing;interference strategy 细菌之间信息交流使用的特殊语言是一种小的、 自我产生的信号分子,称为自我诱导物(auto inducers 简称A Is)。在菌群的生长过程中,这些自我诱导物不 断产生并被分泌到周围的环境中,细菌通过感知这些 信号分子的浓度来检测周围细菌的数量。当信号分子 的浓度达到一定阈值时,就会启动菌体中相关基因的 表达以适应环境的变化,这一调控系统被称为细菌的 群体感应(Quorom Sensing)信号系统,简称Qs系 统 。 。Qs使单细胞的细菌能模仿多细胞生物体,进 cberi)中发现的, ftscberi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 fiscberi也获得了一个营养丰富的生存环境。 Qs系统参与调控细菌的多种生活习性以及各种生理 过程,如根癌农杆菌(Agrobacterrium tumefaciens)Ti质 粒的转化,胡萝卜欧文氏菌(Erwinia carotovora)、铜绿 假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)等病原菌的毒性基 因表达,致黄假单胞菌(P.aureofaciens)、E.carotovora 中抗生素的产生等多种功能都受到细菌Qs系统的调 节。我们可以针对细菌Qs系统对细菌的某些功能进 行干扰或促进,从而达到有益于人类的目的。 行一些它们作为单细胞个体所做不到的行为。 QS系统首先是在海洋细菌费氏弧菌(Hbrio 一 收稿日期:2009—10—23;修回日期:2009—12一O1 基金项目:国家自然科学基金资助(项目编号:30970030);河北省自然科学基金资助(项目编号:C2006000707) 作者简介:罗利龙,(1982一),男,硕士研究生,专业方向:微生物技术研究; 通讯作者:宋水山,研究员,博士生导师,主要从事微生物技术研究,E—mail:shuishans@hotmail.con。 79 第27卷第6期 2010年12月 生物学杂志 JOURNAL OF BIOLOGY Vo1.27 No.6 Dee,2010 1 革兰氏阴性细菌的调控系统 酰基高丝氨酸内酯类物质(Acyl—homoserine lac— tone,简称AHL)是革兰氏阴性细菌(G一菌)Qs系统中 常用的信号分子。AHL由一个高丝氨酸内酯环(HSL) 和一个酰基侧链组成。不同的AHL分子其酰基侧链 长度在4—18个碳之间,其中第三个碳上的氢原子常 被羟基或氧原子取代,另一个变化是在酰基侧链上存 在双键,这种可变的酰基侧链的尾部决定了AHL的特 表1 常见的acyl—HSL分子及其功能 Table 1 Familiar acyl-HSL molecule and their biology function 细菌 Vibriofischeri d。 调节因子 信号分子 生物学功能 生物发光 LuxI/LuxR 3-Oxo-C6-HSL 。HsL 。emginosn LasI/LasR 毒性因子生物膜 的形成 毒性因子质粒的 异性。在G一菌的Qs调控系统中,对 fiscberi的 LuxL/LuxR系统研究的最为详细 。AHL由LuxI合成 并且能够通过扩散穿过细胞膜,当AHL浓度达到一定 阈值时就会与LuxR编码的AHL受体蛋白氨基残端相 结合,形成特定的构象,使羧基残端与靶DNA序列结 合,激活发光基因的转录表达。 在细菌的Qs中除了AHL信号分子外,G一菌中还 存在其它的信号分子,其中包括P.aeruginosa产生的 一种2-heptyl一3一hydroxy-4一quinolone(PQS)的信号分子, 另一种P.aeruginosa能够产生一种有别于酰化高丝氨 酸内酯的叫做丁内酯的信号分子。另外,在P.aerugi nosa、荧光假单胞菌(P.fluorescens)、产碱假单胞菌(P. alcaligenes)、成团肠杆菌(Enterobacter agglomerans)和 弗罗因德枸橼酸杆菌(Citrobacterfreundii)中发现了二 酮哌嗪类化合物(DKP)。DKP也可以从与海洋无脊椎 动物相关的一些细菌中分离得到。从P.aeruginosa中 已经分离得到4种不同的DKP和两种有抗菌活性的 吩嗪类生物碱。而最新研究发现在光合作用细菌 (Rhodopseudomonas palustris)中存在一种对香豆酸酰高 丝氨酸(p-coumaroy1.HSL)信号分子,该细菌有一个信 号受体,它通过对p-coumaroyl—HSL做出反应来全面调 控基因表达 。 迄今已在Qs系统中发现3类蛋白酶负责催化 AHL分子的合成,分别为LuxI类蛋白、LuxM/AinS/ VanM类蛋白和HtdS类蛋白。大多数G一菌都具有 LuxI类蛋白。LuxI类蛋白最早是从 fiscberi中发现 的。LuxI类蛋白酶通过将酰基一酰基载体蛋白(acyl— ACP)上的酰基侧链结合到s 腺苷甲硫氨酸(SAM)的 高半胱氨酸基团上,产生特异的酰化HSL分子,酰化 的HSL分子再进一步内酯化变成acyl—HSL(AHL)。常 见的acyl—HSL分子及其功能如表1所示 。哈氏弧菌 ( harveyi)的luxM基因、 fischeri的AinS基因和 anguillarum的YanM基因分别直接对应3-Oxo—C4一 HSL、C8一HSL和3-Oxo—C6一HSL的合成 。但它们与 三 并无同源性,而且AinS合成的C8一HSL中的酰基 部分还可以以辛酰基一CoA为底物 。在P.fluores— cens中发现了一种HtdS蛋白,它能够直接合成acyl一 80 Agrobacterium tumeiftciens TraI/TraR 3-Oxo—C8一HSL 复制结合与转移 c 抑r『I carI/Ca R 3Carbapenem抗生 ,Ex。R0x0_C6 HsL 素胞外酶 Pantoea stewarti EsaR/EsM 3 Oxo.C6一HSL 表面多糖 Rhodobaeter sphaeroides CerR/Cerl CI4-HSL 丛集 Vibio anguillarum VanR/Vanl 3-0xo—C10-HSL 未知 2革兰氏阳性细菌中(G 菌)寡肽介导的信息系统 革兰氏阳性细菌主要使用一些小分子多肽(oli. gopeptide)作为自诱导物(autoinducter peptide,AlP), AIP不能自由穿越细胞膜,需通过ABC转运系统(ATP binding cassette)或其它膜通道蛋白作用,才能到达胞 外行使功能。胞外的AIP随菌体浓度的增加而增加, 当累积达到一定浓度阈值时,位于膜上的信号识别系 统就会与之相互作用,该识别系统为双组分磷酸激酶, 与AIP结合后,引起激酶的组氨酸残基磷酸化,经过一 个复杂的传递过程,最终使胞内受体蛋白的天冬氨酸 残基也磷酸化,磷酸化后的受体蛋白能与特定靶位结 合,从而调控靶基因的转录表达。 所有的AIP分子都是在细胞质中由前导肽切割、 加工而成为成熟的信号分子。AIP分子的氨基酸残基 在5~17之间,一般为8~9,C端第5位是一个保守的 半胱氨酸,它与c末端的氨基酸残基以硫酯键相连,形 成类酯。G 菌的Qs系统也负责对多种细菌行为进行 调控如:枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)的产芽孢,肺 炎链球菌(Streptococcus pneumoniae)中致病基因的表 达、金黄色葡萄球菌(StaphylOCOCCU8 aureus)的外毒素表 达以及变形链球菌(Streptococcus mutans)生物膜的形 成等。 3细菌种问的QS系统 细菌除了利用AHL和AIP进行种内特异性交流 以外,还拥有另外一种自体诱导物(AI.2)用于种问的 非特异性交流。细菌不但可以估计自身群体密度的变 化,甚至还可以感知周围其它细菌的浓度来对自身的 行为进行调整,从而在竞争中占据优势。目前发现并 证实的AI一2信号分子有肠出血性大肠杆菌(Entero— hemorrhagic E.coli,EHEC)中存在的呋喃酰硼酸二酯 (furanosyl borate diester),P.aeruginosa中存在的环喹 诺酮,DKP、菜豆普通疫病(Xanthom onascampestris)中 第27卷第6期 2010年12月 生物学杂志 J0URNAL OF B10L0GY Vo1.27 No.6 Dec.2010 的某种低分子量物质以及植物病原细菌(Ralstonia SO— lanacearum)中的一种脂肪酰甲酯等。 QS系统广泛存在于细菌中,呈现出两个明显的特 点即多样性和复杂性。很多微生物中QS系统并不是 唯一的,有的甚至有两套或多套Qs系统。而Qs系统 调控机制也是非常复杂的。Lenz D H等 发现 harveyi和霍乱弧菌属( cholerae)中存在一些小的 RNA分子(sRNAs)也参与到了Qs系统当中,并且在 因株系的发病率明显降低说明aiiA基因在拟南芥中的 表达提高了拟南芥对软腐病的抗性 。 Bauer等在A.tumefaciens中发现类似的内酯 酶——AttM,该酶与AiiA蛋白具有相似性 ,能够将 AHL的内酯键打开,从而有效的减弱了该菌的致病性。 2003年Lin等 在青枯草菌(Ralstoniasp X112B)中发 现一种酰胺酶MiD蛋白,能把AHL分子水解为内酯环 和酰胺链。随后的研究发现争论贪噬菌(Variovorax QS系统中扮演了重要角色,Svenningqsen S L等” 对 sRNAs在 cholerae中的调控机制做了详细描述,具 体的调控机制如图1所示。 Low Cell Density High Cell Density A 0 OM A 0 0 e/、 ? P 豳 由 v、 一一 幽 同 Q缸撼 ( 。= ・一一+圃 圃 目L曼皂一 R M . 圈一 ̄--.1匿雪 匦 图1 霍乱弧菌属( cholerae)中的Qs系统调控模式_1 Fig 1 Model of the cholerae quorumsensing circuit[1 3l 4 干扰策略 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。目 前已发现通过许多途径可以干扰细菌的Qs系统。大 致有以下3种: 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(Quorum.Quenching Enzyme)。Dong等 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。在此基础上该课题组将aiiA基因转入烟草、 土豆中,获得了抗软腐病能力较强的菌株¨ 。本实验 室将克隆的AHL内酯酶基因aiiA置于CaMV35S启动 子下构建双元载体,利用A.tumefaciens介导转化拟南 芥(Arabidopsis thaliana),通过抗性筛选和分离获得纯 合转基因拟南芥株系。初步抗软腐病实验表明,转基 paradoxus)含有另一种酰胺酶,能分解利用AHL分子 作为其生长繁殖的唯一碳源和氮源 。 除了原核生物,真核生物中也相继发现群体感应 淬灭酶,一种是猪肾脏中的酰基转移酶。研究发现,该 酶能使C 一HSL和C 一HSL脱酰基化,产生L-高丝氨酸。 而且猪’肾脏酰基转移酶广泛存在于田鼠、斑马鱼等真 核生物中;一种是Greenberg等在动物细胞中检测到的 某种能降解AHL而使之失活的酶。研究表明,这种酶 能使C 一HSL和30C 一HSL失活,但对C 一HSL不起作 用;另外一种是海洋藻类指状岩藻(Laminaria digita— ta)产生的卤素过氧化物酶,该酶能催化产生卤素氧 化物,破坏AHL信号分子,从而干扰Qs调控系统。另 外本实验室首次筛选到一株能够降解AHL的酵母菌 红冬孢酵母菌 ,这一发现丰富了群体感应淬灭酶的 来源,目前正在对其进行进一步的研究。 3.2 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。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 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AlP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。 3.3利用Qs系统中的信号分子来诱发抗性,这在植 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(Alter- naria 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。本实验室利用不同浓 度的AHL处理拟南芥,观察其根的生长发育情况发现 拟南芥的根系有了显著增长,植物体内防御标志酶的 81 第27卷第6期 2010年12月 生物学杂志 JOURNAL OF BIOLOGY V0I.27 No.6 Dec.2010 活性提高,防卫基因表达增强,但目前对AHL诱导植 物抗病免疫反应中,植物如何感应AHL,目前还在进行 进一步的研究。 对于细菌种间的QS系统,目前仅有极少数抑制剂 可以对其进行干扰。Brackman等 列发现一种C一3 带 有p一甲氧基苯丙酰胺的腺苷衍生物能够有效干扰Qs 系统。随后的研究证实大多数的核苷类似物(命名为 LMC一21)不仅可以抑制鳗弧菌( anguillarum),嗜盐 弧菌( vulniifcll¥)以及 cholerae生物膜的形成而且 还可以抑制 anguillarum中色素以及蛋白酶的产生。 而对于其的作用机理还有待进一步的研究。 5展望 Qs系统是一种群体行为调控机制。目前关于Qs 系统调控机制的研究许多文献当中都有报道,虽说取 得了一些进展,但对于Qs系统还需要更加深人的研 究。许多植物病原菌依赖Qs系统调控致病基因和毒 性因子的表达,导致植物发病,因此通过抑制微生物的 Qs效应可用于微生物的病害防治。无论是通过降解 AHL,使病原菌Qs系统不能启动它所调控的基因、还 是寻找病原菌信号分子的类似物与信号分子受体蛋白 竞争性结合来阻断Qs系统在生物防治方面都取得了 显著的成就。但我们也应看到,基于Qs系统的多样性 与复杂性,为了使其能够更好的服务于生产实践,我们 还需要付出更多的努力。 参考文献: [1]Fuqua W C,Winans S C,Greenberg E P.Quorum sensing in hacteria: the LuxR.-Luxl family of cell density--responsive transcriptional regulators [J].J Bacteriol,1994,176(2):269—275. 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