微生物群体感应(quorum sensing) 王玥玺 生物技术

1:群体感应-语言 2:信号分子-语种 3:对信号分子的识别-语法 4:常用的干扰手段 CONTENTS

/01 群体感应-语言

微生物之间可以交流吗？ 是的。科学家们发现微生物其实拥有复杂而精细的“语言”供它们与 “邻居”进行交流。 是的。科学家们发现微生物其实拥有复杂而精细的“语言”供它们与 “邻居”进行交流。 细菌通过分泌可溶性信号分子（AI）来监测群体密度并协调细菌生物功能的信息交流机制 ——群体感应(quorum sensing，QS) 群体感应这种“语言”交流方式使得微生物群体表现出一定的原始的多细胞性和社会性，从而大大增强了微生物在环境中生存的几率。 www.islide.cc

“语言”的作用 以致病微生物在宿主体内定植为例，致病微生物总是在当其群体足够大、能够抵挡住宿主免疫系统的“剿灭”的时候，启动致病基因表达、毒素分泌等，从而使宿主表现出感染、中毒等症状。研究发现，微生物的很多重要的生理功能都是借助群体感应来实现的，如共生、细菌毒性、竞争、接合、抗生素的产生、运动性、孢子及生物膜的形成。 AMBULANCE www.islide.cc

/02 信号分子—语种

信号分子——自身诱导物质AI(auto-inducer) 细菌可以合成一种被称为自身诱导物质( auto-inducer, AI ) 的信号分子，细菌根据特定的信号分子的浓度可以监测周围环境中自身或其它细菌的数量变化，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。 www.islide.cc

根据信号分子和感应机制不同，QS系统基本可分为三个代表性的类型： 革兰氏阴性菌群体 寡肽(AIP) 自诱导物-2（即AI-2） 根据信号分子和感应机制不同，QS系统基本可分为三个代表性的类型： 酰基高丝氨酸内酯(AHL) 革兰氏阳性菌群体 同时介导革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌群体 www.islide.cc

/03 对信号分子的识别—语法

不同的语法 “语种”不同，则“语法”也存在差异。 (1):酰基高丝氨酸内酯能自由扩散到微生物细胞内，与胞内相应的受体结合，从而激活或抑制靶基因的表达； (2):寡肽和自诱导物-2均不能扩散到微生物细胞内，它们需要借助膜结合的双组分信号转导系统才能将信号传到胞内，最终激活或抑制靶基因的表达。 www.islide.cc

一: 革兰氏阴性病原菌的群体感应(LuxI/LuxR)系统 QS最初是在研究费氏弧菌的生物发光机制时发现的，该细菌能与一些海洋鱼类共生，为它们提供光亮，光线的强度与动物发光组织中该种微生物的群体密度密切相关，这一现象通过群体感应系统进行调节，该系统能使费氏弧菌在特定条件下选择性地发出亮光。 www.islide.cc

革兰氏阴性细菌：AHL（AI-1）—LuxI／LuxR系统 在革兰氏阴性细菌中此体系普遍存在，通常被描述为AHL—LuxI／LuxR系统。费氏弧菌中的荧光素酶由luxCDABE基因编码，LuxI及LuxR蛋白构成群体感应的调控蛋白。 （1）AHL自体诱导物是一类特殊的小分子水溶性化合物，叫酰基高丝氨酸内酯； （2）LuxI为自体诱导物合成酶，能合成这种酰基高丝氨酸内酯类。LuxR不仅是自体诱导物的感受子，并在结合后被激活，对luxCDABE基因表达起正调节作用。 www.islide.cc

实例-费氏弧菌发光机制 (1):在低细胞密度时，因为luxCDABE基因在luxI基因下游，此时只允许luxI基因低水平表达，即产生少量的AHL。 (2):在封闭的系统内，随着细胞生长，细菌密度增加，自体诱导物积累到阈值（AHL浓度为10μg/ml）时，自体诱导物就能和细胞质中的LuxR蛋白充分结合形成复合物。 (3):此时 LuxR蛋白的DNA结合区域暴露，可作为转录激活子结合到luxCDABE基因的启动子上并激活转录，也即荧光基因开始表达。 (4):同时提高了luxI基因的表达，AHL的浓度增大，更多的复合物被产生。因此，形成了一个自我调控的反馈机制。 www.islide.cc

二：革兰氏阳性病原菌的群体感应-双组分系统识别AIP 革兰氏阳性细菌QS体系的自体诱导物是一些小分子寡肽AIP（autoinducter peptide,自诱导肽），由双组分信号传导系统识别这些AIP并调控相关基因的表达。 什么是双组分(TCS)系统？ 核心是由2个蛋白组成。 1：组氨酸蛋白激酶，是一个跨膜蛋白，结构可分为三部分。 自N端到C端依次为：配体（信号）结合部位；组氨酸自身磷酸化 位点；ATP结合的激酶功能区； 2：反应调节蛋白，是一个胞质蛋白，结构分为两部分。 N端：天冬氨酸位点，可接受磷酸基团 C端：含有多个可与不同的DNA序列特异性结合的位点。 www.islide.cc

双组分系统作用机制 作用机制： (1):当外界信号作用于组氨酸蛋白激酶的膜外配体结合区时，激活其ATP结合部位结合，水解ATP为ADP，并将水解下的磷酸基团转移到激酶上的组氨酸位点，使其发生自身磷酸化。 (2):反应调节蛋白的调控区域能与磷酸化的组氨酸蛋白激酶相互作用，将激酶上的磷酸基团转移到自身的天冬氨酸位点上，构象改变，暴露不同的DNA结合位点，结合不同的DNA序列，产生一系列的调控反应。 组氨酸蛋白激酶 反应调节蛋白 www.islide.cc

寡肽(AIP)介导的信号感应系统 (1):革兰阳性菌在生长过程中会编码合成AlP的前体肽段，这些肽段经过加工修饰后方可形成稳定的、有活性的自诱导肽。不同细胞中的前体肽段不同。 (2):AIP并不能自由穿过细胞膜，它需要通过ABC转运系统(ATP—binding—cassette)或在其他膜通道蛋白帮助下穿透细胞膜出入细胞。 (3):AIP的浓度随细菌生长积累到一定阈值时，细胞膜上的 AIP信号识别系统进行识别AIP并与其结合后，能够磷酸化并激活细胞膜上的双组分磷酸激酶系统(TCS)，磷酸化后的受体蛋白能与DNA特定靶位点结合，进而调控Qs相关基因的表达。 www.islide.cc

实例：金黄色葡萄球菌- agr(the accessory gene regulator )基因组 (1):agr的前肽(pre—AIP)由agrD编码，通过膜蛋白 AgrB将前肽分解为成熟的AIP并分泌至胞外。 (2):AgrC（即双系统中的组氨酸蛋白激酶）是一个膜受体激酶可起到跨膜转运受体蛋白的作用，当AIP浓度达到阈值时与AIP结合后可以磷酸化（组氨酸自身的磷酸化位点）并激活AgrA（即双系统中的反应调节蛋白）。 (3):AgrA则可以通过结合启动子P2，P3并调控一系列下游基因的表达，启动子P2启动的RNA 11转录框包括 agrA，agrB，agrC，agrD 4种基因的agr操纵子，启动子P3启动的RNA IlI转录框是agr系统的效应分子，编 码α一溶血素、β一毒素等毒力因子。 www.islide.cc

三：自体诱导因子AI-2——细菌间的信息传递 (1):对另外一种海洋微生物哈氏弧菌的研究发现，哈氏弧菌产生革兰氏阴性细菌具有的AHL类AI-1，但对AHL的检测却是一个类似革兰氏阳性细菌的双组分磷酸传递系统。并且他还产生另一种AI，即AI-2。 (2):AI-1由LuxLM合成，是酰基高丝氨酸内酯类物质；而AI-2由LuxS合成，属于硼酸呋喃糖苷二酯类化合物。 (3):现在普遍认为，许多种G+ 和G- 都能产生这种AI-2，是目前所知的唯一能进行种内和种间交流的通用语言。而AHL和寡肽类AI具有种特性。 www.islide.cc

实例:夏威夷弧菌——AI-2语言 (1):在低细胞密度时，由于缺少AI-1和AI-2，LuxO处于磷酸化状态，磷酸化的 LuxO成为活性阻遏蛋白，抑制luxCDABE基因的表达，所以在低细胞密度时夏威夷弧菌不产生荧光。 (2):在高细胞密度时，随着自体诱导物的积累，使LuxO去磷酸化，去磷酸的LuxO成为无活性阻遏蛋白，不再催化luxCDABE操纵子抑制子的产生，同时LuxR激活luxCDABE基因的转录，结果夏威夷弧菌发出荧光。 www.islide.cc

/04 常用的干扰手段

常用的干扰手段 (1):抑制群体感应信号分子的合成。原则上只要是对信号分子 合成途径上任意酶的活性有抑制作用，或对其合成的任意阶 段有阻断作用即可抑制信号分子的合成； (2):降解已合成的群体感应信号分子。目前已经发现酰基高丝 氨酸内酯酶和酰基高丝氨酸酰基转移酶能够降解酰基高丝氨 酸内酯类信号分子； (3):抑制群体感应信号分子与相应受体结合。可以合成能与信 号分子受体蛋白竞争性结合，甚至优先与信号分子受体蛋 白结合的信号分子类似物，使信号分子与相应受体蛋白的结 合受阻，从而阻断病原菌群的交流。 www.islide.cc

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