[科普中国]-群体感应效应分子

微生物群体感应效应分子是群体感应过程的起始分子，它们在产生后被释放到环境中，影响微生物的生理状态。迄今为止，已发现多种群体感应效应分子，根据作用对象和分子组成可分为：革兰氏阴性细菌的酰基高丝氨酸内酯化合物(acyl-homoserine lactone，AHL)效应分子、革兰氏阳性细菌的自体诱导分子、自体诱导物Ⅱ类分子及其他因子。

群体感应系统上世纪70年代人们发现当环境中费氏弧菌(Vibriofisheri)菌群浓度达到一定的阈值时即产生生物发光现象。1994年Fuqua等提出了群体感应(quorum sensing，QS)这一概念，它是指微生物群体在其生长过程中，由于群体密度的增加，导致其生理和生化特性的变化，显示出少量菌体或单个菌体所不具备的特征。这个变化的原因在于：当环境中微生物种群密度达到阈值，信号分子的浓度也达到一定的水平，通过包括受体蛋白在内相关蛋白的信号传递，诱导或抑制信号最终传递到胞内，影响特定基因的表达，调控微生物群体的生理特征，如生物发光、抗生素合成、生物膜形成等。利用QS机制进行“细胞对细胞的交流”，微生物能够在复杂的环境中协调一致，以“团队作战能力”使整个种群更好地存活下来1。

群体感应效应分子微生物群体感应效应分子是群体感应过程的起始分子，它们在产生后被释放到环境中，影响微生物的生理状态。迄今为止，已发现多种群体感应效应分子，根据作用对象和分子组成可分为：

（1）革兰氏阴性细菌的酰基高丝氨酸内酯化合物(acyl-homoserinelactone，AHL)效应分子。AHL类分子具有一个共同的高丝氨酸内酯环头部，不同的AHL分子具有不同的酰基侧链尾巴，差异可能在于侧链长短和取代基不同，这也造成了微生物在利用AHL效应分子时具有一定的特异性。这类效应分子广泛存在于根际微生物、肠道微生物、海洋微生物等微生物类群中。

（2）革兰氏阳性细菌的自体诱导分子：自体诱导肽(autoinducingpeptides，AIP)。AIP是一类短肽分子，它们之间并没有发现相似的典型结构。AIP不能进入微生物胞内，而是通过与膜受体结合启动信号传递。目前已经发现多种革兰氏阳性细菌的AIP的效应分子，调控着诸如抗生素合成等生理过程，如乳酸乳球菌(Lactococcuslactis)所产生的乳酸链球菌素(nisin)能使nis启动子上接入的外源基因表达量产生1000倍的增长。

（3）自体诱导物Ⅱ类分子。1993年Bassler等在对哈氏弧菌(V.harveyi)的研究中发现，V.harveyi具有一种新的群体感应信号，它被命名为自体诱导物Ⅱ类分子(autoinducer-2，AI-2)。随后的研究发现，AI-2样活性广泛存在于各种微生物中，通过基因克隆和缺失突变等方法研究多种微生物后，最终确定这是一个相同的基因———luxS在起作用。AI-2的分子本质是呋喃酮酰硼酸，由LuxS等蛋白从S-腺苷甲硫氨酸经过三步反应合成。AI-2效应分子作用广泛，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。

（4）其他效应分子。群体感应效应分子种类繁多，研究还发现，除了以上几类效应分子，一些喹啉酮类化合物(quinolones)、某些酯类化合物和脂肪酸等都可被用作群体感应信号。

群体感应系统调控机制群体感应系统对目的基因的调控是通过信号在一系列蛋白之间的传递实现的。当环境中V.harveyi的密度较低时，它产生的效应分子(如3-OH-C4-HSL)未达到与相应受体蛋白(LuxN)稳定结合的浓度，LuxN脱磷酸到LuxU蛋白上，LuxU再把磷酸分子转移给应答调节子LuxO。磷酸化的LuxO能够与σ54结合，激活编码小调节RNA(smallregulatoryRNAs，sRNAs)基因的表达。产生的sRNAs与RNA伴侣蛋白Hfq一起作用，使得翻译LuxR的mRNA降解，而LuxR正是发光基因表达所必需的转录激活因子，因而在这种情况下，没有发光现象。在V.harveyi高密度时，磷酸基团逆向流动，sRNAs不表达而LuxR的mRNA得以稳定存在和翻译，最终LuxR与lux启动子结合激活整个lux操纵子，V.harveyi发光。微生物往往具有多种群体感应系统，它们之间在调控下游基因时的关系各不相同。Henke等对V.harveyi各信号通路的研究表明，LuxMN、LuxSPQ、C群体感应AS中，C群体感应AS虽然对生物发光的影响比前两者弱，但是和前两者一样依旧对生物发光起着关键的调控作用，缺少任何一种信号都将大大减弱发光现象。V.harveyi3个群体感应系统之间的关系是平行而协同的。同样，霍乱弧菌(V.cholerae)的两套群体感应系统(C群体感应AS和LuxSPQ)也是相互平行的。而另一些研究却发现，有的微生物内部群体感应系统之间的组织方式是层次性串连的，各系统对微生物基因的调控遵循特定时序。V.fisheri中LuxSPQ、AinSR和LuxIR三套系统就是采用这种方式。Lupp等在对AinSR和LuxIR进行比较研究时发现，AinSR系统激活发光所需的细胞密度比LuxIR系统所需的要低，ainS的失活会导致V.fisheri的定殖推迟，而LuxIR在定殖早期却未被完全激活，AinSR系统调控着V.fisheri的早期定殖基因和部分控制着LuxIR系统，而LuxIR系统则调控后期定殖基因的表达。铜绿假单胞菌(Pseudomonasaeruginosa)也是使用串连型的群体感应通路2。

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梁志宏 - 副教授 - 中国农业大学