（微生物学专业论文）类球红细菌群体感应系统与phb积累、产氢关系研究.pdf

两南大学硕+ 学位论文摘要 曼皇曼舅! 曼曼曼! 曼曼曼曼皇曼曼i i n i imm ! 皇曼曼皇苎曼曼曼鼍曼曼曼皇皇寰曼曼 类球红细菌群体感应系统与p h b 积累、 产氢关系研究 微生物学专业硕士研究生：刘涛 指导老师：叶姜瑜副教授 摘要 细菌的群体感应现象转变了人们长期以来认为细菌是自由生活的单细胞生物这种看法。 群体感应( q u o r u m s e n s i n g , 简称q s ) 即细菌通过产生一种自体诱导物( a u t o i n d u c e r , a i ) 的 信号分子感应细胞密度变化从而进行基因表达调控的一种生理行为。在英语中q u o r u m 原意 为“法定人数”，在这里被巧妙地用来指一定的细菌密度。 不同的群体感应系统响应不同的信号分子来调控基因的表达，显示出多细胞生物的行为。 革兰氏阴性细菌的信号分子大多是酰基高丝氨酸内酯衍生物a i 1 ：革兰氏阳性细菌的信号分 子通常是寡肽类；还有一类信号分子是一种新的呋喃酰硼酸二脂a i 2 ，被认为可能是“通用” 信号分子( u n i v e r s a ls i g n a l ) 。 革兰氏阴性菌的类球红细菌( r h o d o b a c t e r s p h a e r o i d e s ) 是光合细菌的主要成员之一，能 在光照厌氧条件下产氢，产生7 ，8 c i s - n ( t e t r a d e c e n o y l ) h o m o s e r i n ei a c t o n e 信号分子，被称为 c e r 群体感应系统。研究类球红细菌的q s 系统对细菌产氢行为的影响，不仅有利于解读细菌 的整体调控网络，也有利于理解类球红细菌能源的利用模式和调控，对未来生物质能的生产 也有重要的指导意义。 研究了不同的外部条件对类球红细菌生长的影响，初步确定了细菌产氢的最优化条件， 并通过染色，观察到了菌体的p h b ( 聚1 3 羟基丁酸酯) 。研究结果发现，该菌在p h 值7 0 - - - 8 0 、光照强度2 0 0 0i x 左右、温度3 0 3 5 的范围内均能较好的生长。厌氧光照是细菌生 长的最佳模式。在5 0 0 0 - - - 9 0 0 0i x 光照强度，3 0 c 3 5 c 范围内产氢较适宜。琥珀酸钠、丙 酮酸钠和葡萄糖都是类球红细菌生长和产氢的良好碳源和氢供体。 研究了一种既简洁又经济的检测p h b 含量以及p h b 合酶活性的方法。体外检测p h b 合 酶的活性的最佳反应体系是：温度在3 0 4 5 c 之间；盐浓度为2 5 ( w v ) n a c i ，o 2 ( w v ) k c i ， 0 5 ( w v ) m g s 0 4 7 h 2 0 1 最适p h 值应该是7 0 。可以通过提取类球红细菌各个生长阶段菌液 的p h b 颗粒，然后加入底物( h y d r o x y b u t a n o y l - c o a ) 、离子浓度以及d t n b ，在最适温度与 两南大学硕十学位论文 摘要 p h 值条件下反应后读取4 1 2n m 处吸光度值( a ) ，通过巯基( - s h ) 浓度标准曲线计算出p h b 合酶活性。 成功使用了比色法和检测菌株两种方法对类球红细菌的信号分子进行了检测。比色法发 现信号分子在5 2 0 n m 处的吸光值与信号分子的浓度具有很好的线性关系，但由于类球红细菌 所产生的信号分子没有标准物，此法只能检测信号分子的存在及相对浓度。 类球红细菌的信号分子可以促进对数期细菌的趋散生长，而对于稳定末期的细菌效果不 明显。同属细菌的上清液做为培养液进行添加时，细菌的生长受到抑制。用信号分子处理后 的细菌可以明显改变菌体的碳源代谢，推测是菌体优先利用信号分子做为能源物质的结果。 在产氢反应器中研究类球红细菌群体感应与产氢的关系。添加不同浓度的信号分子做为 诱导物，通过检测p h b 含量、p h b 合酶的活性以及产氢量综合分析群体感应与产氢的关系。 研究发现：信号分子在类球红细菌产氢过程中，可以通过抑制对数期p h b 合酶的活性从而抑 制p h b 的形成，使得更多的还原力用于产氢：群体感应可以通过调控脂烯酰基酰基载体蛋白 还原酶的活性而调控p h b 合酶的活性；在细菌生长末期中，信号分子可以调节自身的代谢， 通过利用p h b 分解产生的能量维持细菌存活。 关键词：类球红细菌；群体感应；p h b ；p h b 合酶；产氢 i i 两南大学硕十学位论文a b s t r a c t nn,|, nm l n 皇曼曼! 曼 s t u d yr e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h eq u o r u ms e n s i n gs y s t e m ，p h b a c c u m u l a t i o na n dt h ep h o t o p r u d u c t i o no fh y d r o g e ni n r h o d o b a c t e r s p h a e r o i d e s m a j o r ：m i c r o b i o l o g y d i r e c t i o n ：m i c r o b i a lm o l e c u l a re c o l o g y s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o ry ej i a n g y u m a s t e rc a n d i d a t e ：l i ut a o a b s t r a c t i th a sl o n gb e e na s s u m e dt h a tb a c t e r i aa r ef r e e l i v i n g , u n i c e l l u l a ro r g a n i s m su n t i lt h e p h e n o m e n o no fb a c t e r i a lq u o r u m - s e n s i n g q u o r u ms e n s i n g ( q s ) i sap h y s i o l o g i c a lb e h a v i o r , t h a t t h eb a c t e r i ap r o d u c eas e l f - i n d u c i n gm a t e r i a l ( a u t o i n d u c e r , a i ) a ss i g n a lm o l e c u l e sf o rs e n s i n gc e l l d e n s i t yt or e g u l a t eg e n ee x p r e s s i o n q u o r u mi n t e n d e da s ”q u o r u m ”i ne n g l i s ha n dh e r e i ti s s k i l f u l l yu s e dt oa sac e r t a i nd e g r e eo fb a c t e r i a ld e n s i t y d i f f e r e n tq u o r u m - s e n s i n gs y s t e mr e s p o n dt o d i f f e r e n ts i g n a lm o l e c u l e st or e g u l a t e g e n e e x p r e s s i o n , i n d i c a t i n gt h a tt h eb e h a v i o ro fm u l t i c e l l u l a ro r g a n i s m s m o s ts i g n a lm o l e c u l e sa r e n - a c y l h o m o s e r i n el a c t o n ed e r i v a t i v e sa i 1 i ng r a m - - n e g a t i v eb a c t e r i a ；t h es i g n a lm o l e c u l e sa r e u s u a l l yo l i g o p e p t i d ei ng r a m - p o s i t i v eb a c t e r i a ；t h e r ei sac l a s so fs i g n a lm o l e c u l e sw h i c h i san e w a c y la c i d2 - f u r a n r e s i na i - 2w h i c hh a v eb e e nr e g a r d e da sa ”u n i v e r s a l ”s i g n a lm o l e c u l e r h o d o b a c t e rs p h a e r o i d e si sag r a m - n e g a t i v eb a c t e r i a , o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm e m b e ro f p h o t o s y n t h e t i cb a c t e r i a , a n da l s oi tw i l lp r o d u c eh y d r o g e ni nt h el i g h to fh e t e r o t r o p h i ca n a e r o b i c c o n d i t i o n s i tc a ng e n e r a t e7 , 8 - e i s n - ( t e t r a d e c e n o y l ) h o m o s e r i n el a c t o n e ，w h i c hw a sn a m e dc e r q u o r u ms e n s i n gs y s t e m r e s e a r c ht h eq ss y s t e mo fr h o d o b a c t e rs p h a e r o i d e si n f l u e n c e0 1 1t h e h y d r o g e np r o d u c t i o nb e h a v i o rn o to n l yc o n d u c i v et ot h e o v e r a l li n t e r p r e t a t i o no fb a c t e r i a l r e g u l a t o r yn e t w o r k s ，b u ta l s oc o n d u c i v et ot h eu n d e r s t a n d i n gr h o d o b a c t e rs p h a e r o i d e se n e r g y u s i n gp a t t e r n sa n dr e g u l a t i o n i ti sa l s oa ni m p o r t a n tg u i d i n gs i g n i f i c a n c et of u t u r ep r o d u c t i o no f b i o m a s s i i l 西南大学硕十学何论文 a b s t r a c t 皇曼曼! _ !i ! i , i i i 曼曼曼皇曼皇量皇曼篡寰曼皇曼鼍曼量曼曼鼍曼皇量量曼量! 曼! 量曼曼曼曼! 曼曼蔓 s t u d yt h e e f f e c to fd i f f e r e n tt y p e so fe x t e r n a lc o n d i t i o n so nt h eg r o w t ho fr h o d o b a c t e r s p h a e r o i d e s ，p r e l i m i n a r yi d e n t i f i c a t i o no f t h eb a c t e r i a lo p t i m i z ec o n d i t i o n sf o rh y d r o g e np r o d u c t i o n , a n dt h r o u g hp h bs t a i n i n gt oo b s e r v eb a c t e r i a lp h b i tw a so b s e r v e dt h a tt h eb e s tg r o w t hr e s u l t so f r h o d o b a c t e rs p h a e r o i d e sw a su n d e rt h em o d eo fp h7 0 - - 8 0 ，t h el i g h ti n t e n s i t yf o rt h e2 0 0 0i x , t e m p e r a t u r ef o r3 0 3 5 a n da n a e r o b i c - i l l u m i n a t i o ni st h eb e s tg r o w t hm o d e 5 0 0 0 - 9 0 0 0i x l i g h ti n t e n s i t y , 3 0 c 3 5 a r em o r ea p p r o p r i a t ef o rh y d r o g e np r o d u c t i o n s o d i u ms u c c i n a t e ， s o d i u mp y r u v a t ea n dg l u c o s ea r eg o o dc a r b o ns o u r c e sa n dh y d r o g e nd o n o ri nr h o d o b a c t e r s p h a e r o i d e sg r o w t ha n dt h eh y d r o g e np r o d u c t i o n m a s t e r i n gas i m p l ea n de c o n o m i c a lm e t h o dt od e t e c tp h bc o n t e n ta n dp h bs y n t h a s ea c t i v i t y t h eb e s tr e a c t i o ns y s t e mf o rd e t e c t i o no fp h bs y n t h a s ea c t i v i t yi nv i t r oa r e ：t e m p e r a t u r eb e t w e e n 3 0 - 4 5 ：s a l tc o n c e n t r a t i o no f2 5 ( w v ) n a c l ，0 2 ( w v ) k c ! ，o 5 ( w v ) m g s 0 4 7 h 2 0 ； o p t i m a lp hv a l u es h o u l d b e7 0 e x t r a c t i o no fp h bg r a n u l e si n v a r i o u sg r o w t hs t a g e so f r h o d o b a c t e rs p h a e r o i d e s ，a n dt h e na d d i n gs u b s t r a t e ( h y d r o x y b u t a n o y l - c o a ) ，i o nc o n c e n t r a t i o n a n dd t n b u n d e ro p t i m u mc o n d i t i o n so ft e m p e r a t u r ea n dp h ，r e a dt h er e a c t i o na b s o r b a n c ev a l u e ( a ) a t412n m ，t h r o u g ht h et h i o l ( - s h ) s t a n d a r dc u r v et oc a l c u l a t et h ec o n c e n t r a t i o no fp h b s y n t h a s ea c t i v i t y t h es i g n a lm o l e c u l e sw e r ed e t e c t e ds u c c e s s f u l l yu s e dc o l o r i m e t r ya n db i o s e n s o r i tf o u n d e d t h a tt h ec o n c e n t r a t i o no fs i g n a lm o l e c u l e sh a sag o o dl i n e a rr e l a t i o n s h i pw i t ht h ea b s o r b a n c ea t 5 2 0 n mu s e dt h ec o l o r i m e t e ym e t h o d b u tb e c a u s et h e r ei sn os t a n d a r ds i g n a lm o l e c u l e so f r h o d o b a c t e rs p h a e r o i d e s ，t i f f sm e t h o dc a no n l yd e t e c tt h ee x i s t e n c ea n dr e l a t i v ec o n c e n t r a t i o no f s i g n a lm o l e c u l e s t h es i g n a lm o l e c u l e so fr h o d o b a c 耙rs p h a e r o i d e sc a l lp r o m o t et h eb a c t e r i as c a t t e r e dg r o w t hi n l o g a r i t h m i cp h a s e t h e r ei sl i t t l ee f f e c tt ot h ee n do fs t a b l eb a c t e r i a t h eb a c t e r i a lg r o w t hw a s i n h i b i t e db ya d d i n gt h es u p e r n a t a n to fc a t e g o r y t r e a t e dt h eb a c t e r i aw i t hs i g n a lm o l e c u l e sc a n s i g n i f i c a n t l yc h a n g et h ec a r b o nm e t a b o l i s ma n dp r e s u m a b l yt h er e s u l ti sb a c t e r i ap r i o r i t yt ou s e s i g n a lm o l e c u l e s a se n e r g ys o u r c e s t u d yt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nq u o r u ms e n s i n ga n dh y d r o g e np r o d u c t i o n i nr h o d o b a c t e r s p h a e r o i d e si nh y d r o g e n - p r o d u c i n gr e a c t o r a d d i n gd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o n so fs i g n a lm o l e c u l e sa s i n d u c e r s ，b yd e t e c t i o no fp h bc o n t e n t s ，p h bs y n t h a s ea c t i v i t ya n dh y d r o g e np r o d u c t i o nv o l u m e ， c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eq u o r u ms e n s i n ga n dh y d r o g e np r o d u c t i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h a ts i g n a lm o l e c u l e si nh y d r o g e np r o d u c t i o nc a ni n h i b i tt h ea c t i v i t yo fp h b s y n t h a s ed u r i n gl o g a r i t h m i cp h a s ea n dt h u si n h i b i tt h ef o r m a t i o no fp h b ，m a k i n gi th a sm o r e r e d u c i n gp o w e rf o rt h ep r o d u c t i o no fh y d r o g e n q u o r u ms e n s i n gc a nr e g u l a t et h ea c t i v i t yo f e n o y l ( a c y ic a r r i e rp r o t e i n ) r e d u c t a s ea n dt h e nr e g u l a t et h ep h bs y n t h a s ea c t i v i t y ；d u r i n ge n ds t a g e i v 西南大学硕十学位论文a b s t r a c t i nb a c t e r i a , s i g n a lm o l e c u l e sc r i i r e g u l a t et h e i ro w nm e t a b o l i s m ，t h r o u g hu s i n g t h ee n e r g y g e n e r a t e df r o mp h bd e c o m p o s i t i o nt om a i n t a i nt h es u r v i v a lo fb a c t e r i a k e y w o r d s ：r h o d o b a c t e rs p h a e r o i d e s ；q u o r u m - s e n s i n g ；p h b ；p h bs y n t h a s e ； h y d r o g e np r o d u c t i o n v 独创性声明 学位论文题目：娄韭红绳萱登体盛廑丕统皇旦塑墨! 庄氢差丕 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已加 了特别标注。对本研究及学位论文撰写曾做出贡献的老师、朋友、同 仁在文中作了明确说明并表示衷心感谢。 、b 靴黻储：氖1 兹料嗍知q 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院( 筹) 可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：口不保密，口 黧= 习7 哆篇： 签字日期：矿b 年z 月7 日。 签字日期： 日 西南大学硕十学位论文第1 章文献综述 第1 章文献综述 1 1 细菌群体感应及其研究进展 自微生物学建立以来，细菌都被认为是自由生活的单细胞生物。除了蓝细菌 和黏细菌等少数几种，很少有细胞的分化。绝大部分细菌被认为是被动、独立的 响应外界环境的变化，比如趋化性、趋磁性、趋光性等等；而在细菌之间、细菌 与其它动植物之间、细菌与环境之间被认为没有直接的联系。 进入2 0 世纪9 0 年代以后，在许多种属的细菌中，不管是革兰氏阳性细菌还 是革兰氏阴性细菌，都被证实了存在着细菌与细菌之间的信息交流1 1 1 ( c e l l c e l l s i g n a l i n g0 1 i n t e r c e l l u l a rc o m m u n i c a t i o n ) ，也就是说，细菌之间是能够互相交谈的， 它们交谈的语言是一种小分子的信息分子1 2 1 。在细菌数量较少时，分泌的信息分 子浓度较低，细菌之间保持着一种沉默寡言或处在不具备攻击能力的状态。但是， 当细菌的数量积聚增加的时候，此时的细菌会通过信息分子发信号，改变和协调 它们之间的行为，共同展示出它们的某些生理特性，从而表现出单个细菌无法从 事的生理功能和调节机制p j 。 近年来的研究发现，细菌能够通过信息分子的浓度来感知其数量，从而诱发 一个从量变到质变的过程。这其中受到群体感应( q u o r u m s e n s i n g ，简称q s ) 调 节机制的调控。 群体感应这个术语，是由f u q u a 等于1 9 9 4 年首先提出的【2 1 。其定义是当细菌 的数量达到一定的密度( q u o r u m ) 时才能发生的感应现象( s e n s i n g ) ，即细菌通 过产生一种自体诱导物( a u t o i n d u c e r , a i ) 的信号分子感应细胞密度变化从而进行 基因表达调控的一种生理行为 4 - 6 1 。在群体感应系统中，随着细菌密度的增长，胞 外自诱导剂的浓度也增长。当自诱导剂浓度达到一定的阈值时，整个细菌群落就 会在群体水平上作出基因表达的调整。因此群体感应系统所控制的细菌行为是许 多细胞共同作出的，显示出多细胞生物的行为特征，例如，群体感应控制的细菌 毒素的分泌，生物膜的形成，孢子的形成，生物发光现象，共生关系，质粒的转 移，群体移动性【6 1 0 l 等等。群体感应系统使细菌群体步调一致，对细菌的生命活 动具有重要意义【l 。 不同菌体群体感应系统响应不同的信号分子来调控基因的表达。革兰氏阴性 ( g 3 细菌的信号分子大多是酰基高丝氨酸内酯( n a c y l h o m o s e r i n el a c t o n a s e ， n a h l s ) 衍生物，能够自由通过细胞膜，并且在细胞外环境中积累。这些小分子 被称为第一类自身诱导物，灿1 。革兰氏阳性( g + ) 细菌的信号分子通常是寡肽类， 不能自由通过细胞膜，而是分泌到环境中来感知种内自身种群数量，协调多种基 因的表达【1 2 ，1 3 1 。还有一类信号分子是一种新的呋喃酰硼酸二酯，即自体诱导子2 西南大学硕士学位论立第1 章文献综述 ( a u t o i n d a c e r - 2 ，简称a i 2 ) j h “】在许多革兰氏阴性菌和阳性菌中均存在，用来 感知种间细菌数量来调控细菌自身行为，被认为可能是“通用”信号分子( 州v e r s a l s i g n a l ) ，能够调控不同细菌之间的生理功能旧1 6 1 。 l11 细菌群体感应系统的调节机制 l 1 11 革兰氏阴性菌中经典的i ( f i s c h e r i 的l u x l l u x r 调节系统 群体效应的研究最早始于e f i s c h e r i ，该菌的l u x l l u x r 双元件生物发光调控 系统一直被视为q s 调控的经典口l 。在v f i s c h e r i 中，l u x 操纵子由调节基因l u x r 、 信息素合成酶基因l u x l 和结构基因l u xc d a b e 构成，脚和l u x l 之间为 “启 动子。l u x l 基因能够自动维持低水平地表达信息素合成酶，产生少量信息素 o h h l 。调节蛋白k 只包括两个功能区：n 末端的信息素结合区和c 末端的r n a 多聚酶和l u x 启动子结合区。当环境中细胞密度较低时，l u x l 、l u x r 仅有基本水平 的表达，产生的少量信息素不足以引发l u x r 依赖的 d 操纵子的大量转录；且缺 乏o h h l 和分子伴侣g r oe s l 时，l u x r 易降解。环境中细胞密度足够大时，环 境中积累的信息素达到闽值浓度，l u x r - o h h l 复合物结合到l u x 启动子上激活 “操纵子大量表达。由于存在的这一正反馈作用，环境中信息素水平继续升高， 引发整个细胞群体的发光酶的大量产生，表达现出明显的生物发光现象( 图1 - 1 ) 。 l o w d a c m i t 7 h i 曲e d l d 椰柚h 圈1 - 1 费氏弧菌的q s 系统作用模式 f 幢1 - 1 m o d e l f o r q s i nv f l s c h e r l ( 转引自h t t p ：n o t t l n g h a m u k q u o r u m f i s c h e r i 3h t m ) 目前已证实2 5 种以上的革兰氏阴性菌存在群体效应，除了哈氏弧菌( 矿 h a r v e y o 和黄色粘球菌其余细菌中的群体效应都与费氏弧苗中的典型系统一由 2 西南大学硕十学位论文第1 章文献综述 l u x i l u x r 蛋白调控的群体效应系统相似，故称之为l u x i l u ) 【r 型的群体效应【1 7 】 ( 图1 2a ) 。革兰氏阴性菌中存在的l u x i l 1 1 ) 【r 型调节系统，已被详细研究并描 述的主要有以下几种( 表1 1 ) 。 表1 - 1 几种革兰氏阴性菌的群体效应系统 t a b l e1 - 1s e v e r a lk i n d sq u o r u m s e n s i n gs y s t e mi ngn e g a t i v eb a e t r i a 】1 1 2 革兰氏阳性菌中的群体效应 与革兰氏阴性菌相似，革兰氏阳性菌也有响应细胞密度的机制。但是不同的 是，革兰氏阳性细菌不会产生酰基高丝氨酸内酯信号分子，而是寡肽类信号分子。 然后通过组氨酸激酶响应调节蛋白系统感受并调节相关基因的表达。几种由寡肽 介导的群体效应如表1 2 所示。 表1 - 2 几种由寡肽介导的群体效应系统 t a b l e1 - 2s e v e r a lk i n d so fq u o r u m - s e n s i n gs y s t e mm e d i a t e db yo l i g o p e p t i d e 西南大学硕士学付论文第1 章文献综述 c 图1 - 2 群体感应系统的三种类型( a 革兰氏阴性菌中的q s 系统；b 革兰氏阳性菌中的q s 系统；c 杂合型的q s 系统) f i g 1 - 2t h r e et y p eo fq u o r u ms e n s i n g ( aq u o r u ms e n s i n gi ngn e g e t i v eb a c t e r i a ；bq u o r u m s e n s i n gi ngp o s i t i v eb a c t e r i a ；cm i xq u o r u ms e n s i n gi nb a c t e r i a ) 革兰氏阳性菌中的群体效应基因表达的调控机制如图1 - 2b 所示，其自诱导 剂为修饰过的寡肽。寡肽前体在细胞内剪切，成为成熟的信号分子，然后通过特 异的a b c 转移酶( a t p b i n d i n gc a s s e t t et r a n s p o t e r ) 分泌到细胞外。当胞外的寡肽 信号分子浓度达到阈值后，与细胞膜上的组氨酸激酶感受器结合，使其保守的组 氨酸残基( h ) 自磷酸化；随后磷酸化相应的响应调节蛋白天冬氨酸残基( d ) ， 最终，磷酸化的响应调节蛋白结合d n a ，并激活相关基因的转录。 1 1 1 3 细菌感知种间数量的杂合型群体效应 另外一种特殊的群体效应系统则兼具了上述两种群体效应系统的部分特征， 是一种杂合型的群体效应回路。这是在哈氏弧菌( k h a r v e y i ) 调节生物发光的过 程中被发现的【1 8 1 。哈氏弧菌的信号系统产生两种小分子的自诱导剂，自诱导剂l ( a i 1 ，a u t o i n d u c e r - 1 ) 是一种高丝氨酸内酯的结构类似物，而自诱导剂2 ( a i 2 ， 4 西南大学硕十学位论文 第1 章文献综述 曼量曼曼曼曼曼曼皇曼曼皇曼曼曼皇曼曼_ nm - - _! t 皇曼曼曼曼曼曼曼舅皇曼曼曼寰皇皇曼蔓 a u t o i n d u c e r - 2 ) 是一种新近鉴定的呋喃硼酸二聚酯，与以前鉴定的自诱导剂没有 任何类似之处【l 引。 如图1 2c 所示，v h a r v e y i 的发光酶结构基因l u x ic d a b e 由两种q s 系统共 同控制，每一系统分别由感受蛋白和相应的信号分子( a i ) 组成。a i - l 是h b h l ( n ( 3 h y d r o x y b u t a n o y l ) h o m o s e r i n el a c t o n e ) ，由与v f i s c h e r i 的l u x i 不同源的l u x l m 蛋白合成；a i 2 由l u x s 蛋白合成。a i 1 、a i 2 分别由杂合双组分调节蛋白l u x n 和l u x q 感受，都具有感受激酶区和相应调节蛋白区构成。l u x n 和l u x q 共同 作用于一个磷酸转移酶l u x u ，l u x u 将磷酸化信号转移到l u x o 响应调节蛋白。 细胞密度低时，缺乏足够的信号分子，l u x n 、l u x q 感受蛋白自身磷酸化， 相应的磷酸化级联过程导致l u x o 被磷酸化，抑制发光酶基因i 锻c d a b e 的表达。 在高细胞密度下，分别结合了a i 1 、a i 一2 信号分子的感受蛋白l u x n 和l u x q 通 过一系列的作用使l u x o 蛋白去磷酸化，不会激活l u x 基因的抑制蛋白，使发光 酶基因i 锻c d a b e 表达，产生发光。一个与v f i s c h e r i 的l u x r 调节蛋白不同的转 录激活蛋白l u x r 也是l u x 基因表达所必需的。 1 1 2 细菌群体感应系统的信号分子 在革兰氏阴性细菌的群体感应系统中，主要的信号分子为酰基高丝氨酸环内 酯类物质，如图1 3 所示，信号分子典型特征是含有一个高丝氨酸内酯环和一个 酰胺链，高丝氨酸内酯环是这类化合物共有的特性，不同的酰胺链决定了a h l 类信号分子对细菌的调控功能。在a h l 类化合物中，酰胺链主要有以下区别： 酰胺链中碳原子数一般从4 个到1 4 个，并且大多数为偶数；第三位碳原子 上常有羟基或羰基取代基；在所有a h l 类分子中，仅有两种酰基高丝氨酸环 内酯类分子的酰胺侧链上含有双键：一种是r h i z o b i u ml e g u m i n o s a r u m 产生的7 ， 8 顺式氮( 3 羟基十四稀酰胺) 高丝氨酸环内酯【2 0 】，另一种是类球红细菌产生 的7 ，8 c i s - n ( t e t r a d e c e n o y l ) h o m o s e r i n el a c t o n e 信号分子【2 l 】。迄今已发现有三类蛋 白酶负责催化a h l s 分子的合成，分别为l u x i 类蛋 2 2 , 2 3 】、l u x m a i n s 类蛋i 兰t 2 4 】 和h t d s 类蛋白【z 纠。 革兰氏阳性细菌利用小肽作为信号分子来感知种内自身种群数量，协调多种 基因的表达。在革兰氏阳性细菌培养过程中，菌体内首先合成a 1 分子的前导肽， 然后在酶的参与下经过一系列加工成为成熟的寡肽信号分子。前导肽一般是在输 出和输入过程中被加工修饰的，在细菌细胞膜上有与输出相关的通道蛋白a b c 载体蛋白( a t p b i n d i n g c a s s e t t e ) 。在不同菌体中，形成信号分子的前导肽长短及 组成差异较大，最后经过加工，剪切形成的寡肽信号分子的长短与组成也不同 2 6 - 2 8 1 。 5 调控【2 9 1 。 命。几入铺日从oo h 命肖l 一 ? 一o x o c 6 一观o c s ：h s l 一 孑喵分c 8 一观 命。u 一命。腻命* 缔鸽o c io - e s i , 命。m 赕舰 忝肖一o c 1 2 - i ：i s 7 嗡0盛一o o3 - o x o - c 1 2 - h 观_ , 舔斜儿忒缔。川o o3-oxo-c14-hsl 访斜儿v 八m 谛 | 八少v 、m 秭盛o 7d ( ? 4h s t _ 研。o o h 3 - h y & l x y - 7 - c i s - c 1 4 - h s l 秭 | 卉 ； 介导细菌群体移动【l o 3 0 1 ( s w a r m i n gm o t i l i t y ) ，诱导细胞进入稳定期以及控制稳定 期细胞的生存【3 1 , 3 2 ( 表1 - 3 ，4 ) 。 目前对于a i 2 的功能还有争议。李华林等人3 3 1 认为，虽然l u x s 产生的a i 2 代谢产物，在细菌生长早期产生，而到后期又可摄取并加以利用【3 4 。6 】。a i 2 是否 6 两南大学硕十学位论文第l 章文献综述 曼量曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼皇曼曼曼皇曼鼍曼曼曼曼曼皇曼曼量曼量曼曼曼皇曼鼍舅曼皇曼皇皇曼曼曼曼i 一一i i i i 量 能够作为不同细菌，尤其是革兰氏阳性和阴性细菌间通用的信号分子尚没有定论。 表1 - 3 具有费氏弧菌戤玩赋r 同族基因的微生物及其对应的信号分子 t a b l e1 - 3o r g a n i s m sw i t hh o m o l o g u e so f t h el u x ia n dl u x rg e n e sf r o mi 巧b r i o f i s c h e r ia n dt h e c o r r e s p o n d i n gm o l e c u l es i g n a l s ( 转引自瑞士生物信息学会，h t t p ：n o t t i n g h a m a c u k q u o r u m t a b l e h t m ) 7 西南大学硕士学位论文 第1 章文献综述 _imi _iiii t a b a c i r a l s t o n i as o l a n a c e a r u m r i i l 拓d 6 i u me t l i r h i z o b i u m l e g u m i n o s a r u m v i b r i oa n g u i l l a r u m h b r i o f i 学c h e r i x e n o r h a b d 淞 n e m a t o p h i l u s p s y r , p s y l s o l r , s o l i r a i r , r a i l r j l i r ? c 8 h s l ? 9 限制结瘤数 3 h y d x y - 7 结瘤，细菌素，稳定期生存 e i s - c 1 4 h s l c e r r , c e r i 7 _ c i s - c 】4 - h s l 疏散细菌聚集 s w r r , s w r l v a n r , v a n i l u x r , l u x l ? y e n r , y e n i y p c r , y p e i 抬坶加细 v p s r , y p s i p s e u d o t u b e r c u l o s i s y t b r , y t b i y e r s i n i ar u c k e r i y u k r , y u k i c 4 - h s l 3 - o x o - c lo - h s l 3 - h y d r o x y - c 4 h s l o ra l l a g o n i s t c 每h s l 口 c 8 h s l 口 群集，蛋白酶 ? 生物发光 毒素，脂肪酶 ? ? 运动性，聚集 9 ? 表1 - 4a i - 2 调控的细菌基因及功能【3 7 】 t a b l e1 - 4g e n e sa n df u n c t i o n sc o n t r o l l e db ya i - 2i nb a c t e r i a 8 两南大学硕十学位论文第1 章文献综述 p h o t o r h a b d u sl u m i n e s c e n s c p m 氨基甲酰生物合成 p o r p h y