细菌群体感应系统与应用

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1、细菌群体感应系统及其应用1.群体感应的发现及研究意义目录4.小结及展望3.群体感应在控制病原菌中的应用2.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(Vibriofiscberi)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与生物发光呈正相关，引发了关于群体感应的猜想1994年Fuqua等提出了群体感应(quorumsensing，QS)这一概念群体感应的发现细菌之间存在信息交流，许多细菌都能合成并释放一种被称为自诱导物质(autoinducer，AI)的信号分子，胞外的AI浓度能随细菌密度的增加

2、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，我们将这一现象称为群体感应(quorumsensing，QS)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的关系，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应用群体感应系统的分类G-菌QS系统G+菌QS系统种间QS系统种内QS系统群体感应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

3、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；根据细菌合成的自诱导分子和感应机制不同，QS系统主要分为3种：寡肽类物质(AIP)N-酰基高丝氨酸内酯（AHL)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-端与AHL结合，C-端则参与寡聚化以及与启动子DNA的结合种内交流：G-的QS系统LuxI产生AHL，自由通过细胞膜，分泌到胞外AHL随菌体浓度上升在胞外积累到阈值AHL扩散入胞内与LuxR蛋白结合，形成AI／L

4、uxR复合体，并结合到DNA上，激活发光基因的启动子转录费氏弧菌的AHL-LuxI／LuxR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/LuxR双组分系统被视为革兰氏阴性菌群体感应的模式系统。不同的细菌产生不同的AHL，差异只在于酰基侧链的长度与结构，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不能自由穿透细胞壁，需要ABC（ATP-binding

5、-cassette）转运系统或其它膜通道蛋白作用到达胞外行使功能AIP前体肽经转录后的一系列修饰加工，在不同细菌内形成长短不同、稳定、特异的AIPAIP浓度在胞外达到某一阈值膜上激酶识别信号分子，并促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与DNA特定的靶位点结合，调控基因表达种内交流：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QS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LuxNAI-2的分子本质是呋喃酰硼酸二酯类化合物，感应分子为LuxP和LuxQLuxN和LuxQ均通过LuxU

6、来实现信号传递，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，启动基因的表达信号分子信号传递及识别种间交流信号分子AI-2：呋喃酰硼酸二酯类化合物细菌识别AI-2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AI-2信号分子作用广泛，能够被多种微生物识别，是不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

7、宿主、对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，最引人关注的是对毒力因子产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致病作用及增强抗生素的作用效果毒力因子的产生：肠球菌的主要毒力因子是溶细胞素，由2个亚单位CylLL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