细菌群体感应系统及其应用学习教案

1、会计学1细菌群体感应系统细菌群体感应系统(xtng)及其应用及其应用第一页，共22页。20世纪70年代，海洋细菌费氏弧菌(Vibrio fiscberi)和哈氏弧菌(V . harveyi) 生物发光现象Nealson等在1970年首次报道(bodo)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(quorum sensing，QS)这一概念第2页/共22页第二页，共22页。第3页/共22页第三页，共22页。 细菌之间存在信息交流(jioli)，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

2、随细菌密度的增加而增加，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(quorum sensing，QS)第4页/共22页第四页，共22页。 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(wzh)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 用第5页/共22页第五页，共22页。G-菌菌QS系统系统(xtng)G+菌菌QS系统系统(xtng)种间种间QS系统系统

3、种内种内QS系统系统群体感应群体感应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；根据细菌合成的自诱导分子和感应机制不同，机制不同，QS系统主要分为系统主要分为3 种：种：寡肽类物质寡肽类物质(AIP)N-酰基高丝氨酸内酯酰基高丝氨酸内酯（AHL)呋喃酰硼酸二酯呋喃酰硼酸二酯第6页/共22页第六页，共22页。LuxI 蛋白是AI合成(hchng)酶，能够合成(hchng)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

4、(y zhn)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的结合第7页/共22页第七页，共22页。费氏弧菌费氏弧菌(h jn)的的AHL-LuxILuxR 型系统：型系统：第8页/共22页第八页，共22页。 革兰氏阴性菌中，有超过革兰氏阴性菌中，有超过70种的细菌利用种的细菌利用(lyng) AHL作为胞作为胞间交流的信号分子。有超过间交流的信号分子。有超过50种的革兰氏阴性菌都是利用种的革兰氏阴性菌都是利用(lyng)这种这种AHL-LuxI/LuxR 型系统进行细胞间的交流。费氏弧菌的型系统进行细胞间的交流。费氏弧菌的 LuxI/Lux R双组分系统

5、被视为革兰氏阴性菌群体感应的模式系统。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不同的细菌产生不同的 AHL，差异只在于酰基侧链的长度与，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(lyng)AHL信号分子时具有一定的特异性。信号分子时具有一定的特异性。第9页/共22页第九页，共22页。AIP不能自由穿透细胞壁，需要不能自由穿透细胞壁，需要ABC（ATP-binding-cassette）转运系统或其它膜通道蛋白作用）转运系统或其它膜通道蛋白作用(zuyng)到达胞外行使功能

6、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(wndng)、特异的、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，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，调控基因表达基因表达第10页/共22页第十页，共22页。第11页/共22页第十一页，共22页。金黄色葡萄球菌金黄色葡萄球菌(p to qi jn)的的双组份双组份QS系统：系统：第12页/共22页第十二页，共22页。信号信号(xnho)分子分

7、子信号传递及识别信号传递及识别第13页/共22页第十三页，共22页。信号分子信号分子AI-2：呋喃酰硼酸：呋喃酰硼酸(pn sun)二酯类化合物二酯类化合物细菌识别细菌识别AI-2型信号分子的方式与型信号分子的方式与G+中双组分激酶的识别中双组分激酶的识别系统是完全一致的，即双组分激酶识别系统是完全一致的，即双组分激酶识别 AI-2分子后，把磷分子后，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菌种之间的共同

8、语言，起着微生物种间交流的作用第14页/共22页第十四页，共22页。 微生物对宿主的致病过程复杂多样，包括以下几个微生物对宿主的致病过程复杂多样，包括以下几个(j )可能相互交叉的阶段：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宿主、对宿主免疫和药物的微生物对宿主的侵袭和定殖、毒力因子的产生和作用于宿主、对宿主免疫和药物的抵抗。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膜形成的控制，如果抑制了这两

9、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素的作用效果第15页/共22页第十五页，共22页。毒力因子的产生：毒力因子的产生：肠球菌的主要毒力因子是肠球菌的主要毒力因子是溶细胞素，由溶细胞素，由 2 个亚单个亚单位位CylLL和和CylLS组成，组成，在胞外以具有毒性的在胞外以具有毒性的CylLL 和和CylLS形式存形式存在。研究表明，在。研究表明，CylLS担任了担任了QS系统机制中信系统机制中信号分子的作用。号分子的作用。Coburn等发现，等发现，CylLL 优先与优先与靶细胞结合，导致游离靶细胞结合，导致游离 CylLS的积累并超过诱的积累并超过诱导阈值，然后激活导阈值，

10、然后激活(j hu)CylLS表达，产生高表达，产生高水平的溶细胞素水平的溶细胞素群体群体(qnt)感应感应对生物膜形成的控制：对生物膜形成的控制：铜绿假单胞菌铜绿假单胞菌QS系统有系统有lasI/lasR、rhlI/rhlR两个信两个信号系统，号系统，lasI、rhlI与与lasR、rhlR基因分别编码基因分别编码(bin m)不同的信号分子合成酶与信不同的信号分子合成酶与信号分子受体。信号分子随着号分子受体。信号分子随着细菌密度的增加而分泌增加，细菌密度的增加而分泌增加，当信号分子达到一定阈值时，当信号分子达到一定阈值时，信号分子与相应的信号分子信号分子与相应的信号分子受体结合并激活受体，

11、激活受体结合并激活受体，激活的受体再激活相关的转录调的受体再激活相关的转录调节子，合成胞外多糖、毒性节子，合成胞外多糖、毒性因子及藻酸盐等，使细菌聚因子及藻酸盐等，使细菌聚集形成生物被膜集形成生物被膜第16页/共22页第十六页，共22页。1.1.产生可以使产生可以使AHLAHL分子灭活的分子灭活的AHLAHL降解酶，使病原菌降解酶，使病原菌QSQS系统不系统不 能启动它所调控的基因能启动它所调控的基因 内酯酶内酯酶(AHL-1actonase) (AHL-1actonase) 和酰基转移酶和酰基转移酶(AHL-acylase) (AHL-acylase) 目前都目前都已经在一些细菌中被发现。内

12、酯酶可以水解已经在一些细菌中被发现。内酯酶可以水解AHLAHL的内酯键，生成的的内酯键，生成的N-N-酰基高丝氨酸内酯的生物活性大大降低酰基高丝氨酸内酯的生物活性大大降低 Dong Dong等经过大量的实验等经过大量的实验(shyn)(shyn)和研究从芽孢杆菌和研究从芽孢杆菌(Bacillus240B1)(Bacillus240B1)中分离出能够降解中分离出能够降解AHLAHL的酶的酶AiiAAiiA。其后研究证。其后研究证明明AiiAAiiA编码一个编码一个AHLAHL内酯水解酶。内酯水解酶。AiiAAiiA蛋白能打开胡萝卜软腐欧文蛋白能打开胡萝卜软腐欧文氏菌产生的氏菌产生的AHLAHL的

13、内酯键，使软腐菌的的内酯键，使软腐菌的QSQS系统失灵，由其调控的致系统失灵，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力第17页/共22页第十七页，共22页。2.2.产生病原菌信号分子的类似物与信号分子受体蛋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，从而阻断病原菌的白竞争结合，从而阻断病原菌的QSQS系统系统海洋红藻海洋红藻(Delisea pulchra)(Delisea pulchra)产生的卤化呋喃酮结构和产生的卤化呋喃酮结构和AHLAHL相相似，用该卤化呋喃酮处理似，用该卤化呋喃酮处

14、理V. fiscberiV. fiscberi后，其后，其QSQS系统被竞争性的抑系统被竞争性的抑制。另外吡咯酮类化合物、某些取代的制。另外吡咯酮类化合物、某些取代的HSLHSL化合物、二酮哌嗪类化化合物、二酮哌嗪类化合物等也能够起到相类似的作用。在合物等也能够起到相类似的作用。在G+G+菌中，尽管菌中，尽管AIPAIP分子调控许分子调控许多致病基因的表达，但目前还没有专门针对其多致病基因的表达，但目前还没有专门针对其QSQS系统的防病策略。系统的防病策略。仅在金黄色葡萄球菌发现其产生不同仅在金黄色葡萄球菌发现其产生不同(b tn)(b tn)种类的种类的AIPAIP之间可之间可以相互抑制。因

15、此可以通过设计与病菌以相互抑制。因此可以通过设计与病菌AIPAIP分子相似的物质来破坏分子相似的物质来破坏其其QSQS统，从而增强植物等的抗病性统，从而增强植物等的抗病性第18页/共22页第十八页，共22页。3.3.利用利用QSQS系统系统(xtng)(xtng)中的信号分子来诱发抗性，植物中比较常中的信号分子来诱发抗性，植物中比较常见见 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细菌QSQS，还能产生，还能产生AHLAHL类似物激活类似物激活QSQS系统系统(xtng)(xtng)。SchuheggerSchuhegger等研

16、究发现番茄根际产等研究发现番茄根际产AHLAHL细菌的存在可以诱导植物水杨酸和乙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烯依赖的防卫反应，使植物产生对病原真菌交链孢属病菌(Alternaria alternate)(Alternaria alternate)的诱导系统的诱导系统(xtng)(xtng)抗性。这说明细菌抗性。这说明细菌QSQS系统系统(xtng)(xtng)的信号分子确实能够诱发植物的一些反应，这就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为植物抗病性研究提供了新的思路第19页/共22页第十九页，共22页。 群体感应群体感应(gnyng)现象的发现被视为近现象的发现被视为近 20 年来微生年来微生物研究领域中最重大的进展之一。细菌利用物研究领域中最重大的进展之一。细菌利用 QS 调控系