概念
細(xì)茵能自發(fā)產(chǎn)生、釋放一些特定的信號(hào)分子，并能感知其濃度變化，調(diào)節(jié)微生物的群體行為，
這一調(diào)控系統(tǒng)稱為群體感應(yīng)。細(xì)茵群體感應(yīng)參與包括人類、動(dòng)植物病原茵致病力在內(nèi)的多種生
物學(xué)功能的調(diào)節(jié)。
自身誘導(dǎo)物質(zhì)AI
細(xì)菌可以合成一種被稱為自身誘導(dǎo)物質(zhì)( autoi nducer ．AI ) 的信號(hào)分子，細(xì)菌根據(jù)特定的信號(hào)分子的濃度可以監(jiān)測周圍環(huán)境中自身或其它細(xì)菌的數(shù)量變化，當(dāng)信號(hào)達(dá)到一定的濃度閾值時(shí)，能啟動(dòng)菌體中相關(guān)基因的表達(dá)來適應(yīng)環(huán)境的變化，如芽胞桿菌中感受態(tài)與芽胞形成、病原細(xì)菌胞外酶與毒素產(chǎn)生、生物膜形成、菌體發(fā)光、色素產(chǎn)生、抗生素形成等等。
根據(jù)細(xì)菌合成的信號(hào)分子和感應(yīng)機(jī)制不同，QS系統(tǒng)基本可分為三個(gè)代表性的類型：革蘭氏陰性細(xì)菌一般利用酰
基高絲氨酸內(nèi)酯( AHL) 類分子作為AI ，革蘭氏陽性細(xì)菌—般利用寡肽類分子(Al P) 作為信號(hào)因子，另外許多革蘭氏陰性和陽性細(xì)菌都可以產(chǎn)生一種AI - 2的信號(hào)因子，一般認(rèn)為AI - 2是種問細(xì)胞交流的通用信號(hào)分子，另外最近研究發(fā)現(xiàn)，有些細(xì)菌利用兩種甚至三種不同信號(hào)分子調(diào)節(jié)自身群體行為吲，這說明群體感應(yīng)機(jī)制是極為復(fù)雜的。
細(xì)菌信息素的特點(diǎn)
1,分子量小：細(xì)菌信息素都是一些小分子物質(zhì)，如離絲氬酸內(nèi)酯(AHL)衍生物、寡肽、伽馬一丁內(nèi)酯等，能自由進(jìn)出細(xì)胞或通過寡肽通透酶分泌到環(huán)境中，在環(huán)境中積累。
2，具種屬特異性：革蘭氏陰性菌的高絲氨酸內(nèi)酯沒有特異性，一種細(xì)菌的調(diào)節(jié)蛋白能響應(yīng)多種不同的信息素。據(jù)此已建立了多種革蘭氏陰性菌信息素檢測系統(tǒng)；革蘭氏陽性菌的寡肽類信息素則一般沒有這種交叉反應(yīng)。
3，對(duì)生長期和細(xì)胞密度具依賴性：一般在生長的對(duì)數(shù)期或穩(wěn)定期，在環(huán)境中積累達(dá)到較高濃度，其所調(diào)節(jié)的基因表達(dá)量最大，而且穩(wěn)定期培養(yǎng)物的無細(xì)胞提取物能夠誘導(dǎo)培養(yǎng)期(細(xì)菌密度較低)的培養(yǎng)物生理狀況的改變。
4，在細(xì)菌感染過程中具調(diào)控作用：許多信息素產(chǎn)生菌是動(dòng)植物致病菌或共生菌，它在細(xì)菌和宿主之間的相互作用中起著重要的調(diào)控作用。如金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aerus)在調(diào)控哺乳動(dòng)物細(xì)胞凋亡過程中，依賴于高絲氨酸內(nèi)酯信息素和環(huán)境因子控制的毒素蛋白(Agr)和調(diào)節(jié)蛋白(Sar)因子，這兩個(gè)基因發(fā)生突變的菌株可以進(jìn)入細(xì)胞，但不能誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。
5，其他信息素的抗生素活性，如乳酸球菌(Lactococcus lastis)產(chǎn)生的乳鏈球菌素nisin，不但作為信息調(diào)節(jié)細(xì)胞生物合成和免疫基因的表達(dá)，也作為抗生素拮抗其他微生物。植物乳球菌(L.plantarum)產(chǎn)生的植物乳桿菌素A也有信息素和抗生素的雙重活性。
革蘭氏陰性菌菌的信號(hào)分子---AHL
細(xì)菌可以向周圍環(huán)境釋放一類可以自由進(jìn)出細(xì)菌菌體的小分子信號(hào)因子——高絲氨酸內(nèi)酯(Homoserine Lactone，AHL) ，AHL在QS系統(tǒng)中起著關(guān)鍵的作用。
費(fèi)氏孤菌是最早發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行Qs系統(tǒng)研究的革蘭陰性菌，雖然每種革蘭陰性菌所產(chǎn)生的群體感應(yīng)機(jī)制不同，但其調(diào)控蛋白具有高度同源性，目前研究的大多數(shù)革蘭陰性菌都存在與之相同的Qs系統(tǒng)，被稱之LuxI—AHL型Qs系統(tǒng)。脂肪?；呓z氨酸內(nèi)酯(acyl homoserine lactones，AHL)，是一類特殊的小分子水溶性化合物，可作為Qs系統(tǒng)中的自誘導(dǎo)劑，LuxI是一類可催化合成AI的胞內(nèi)蛋白酶。LuxI類蛋白酶可催化帶有?；妮d體蛋白的?；鶄?cè)鏈與s一腺苷蛋氨酸上的高絲氨酸結(jié)合生成AHL。不同革蘭陰性菌的LuxI—AHL型Qs系統(tǒng)有所差別，其AHL類自誘導(dǎo)劑都是以高絲氨酸為主體，差別只是?；鶄?cè)鏈的有無及側(cè)鏈的長短不同。作為革蘭陰性菌特有的自誘導(dǎo)劑AHL可自由出入于細(xì)胞內(nèi)外，隨著細(xì)菌密度的增加，當(dāng)細(xì)胞外周環(huán)境中的細(xì)菌分泌的AHL積聚到一定濃度閾值時(shí)，可與細(xì)胞質(zhì)中的作為受體的LuxR蛋白的氨基殘端結(jié)合，激活所調(diào)控的基因表達(dá)。
舉例在以AHL為自誘導(dǎo)劑的革蘭陰性菌QS系統(tǒng)中，信號(hào)傳導(dǎo)途徑具有多樣性，目前以銅綠假單胞菌研究最為成熟，它主要包含四套Qs體系：第一套lasR／lasI體系，由轉(zhuǎn)錄激活因子LasR和乙酰高絲氨酸內(nèi)酯合成酶LasI蛋白組成，lasI能指導(dǎo)AI N一3一氧代十二烷酰一高絲氨酸內(nèi)酯(3-OXO—C 一HSL)的合成，并以主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)的方式分泌到胞外，達(dá)到一定的閾濃度時(shí)可結(jié)合LasR，并激活轉(zhuǎn)錄，增強(qiáng)包括堿性蛋白酶、外毒素A、彈性蛋白酶在內(nèi)的毒力因子的基因轉(zhuǎn)錄，可以使銅綠假單胞菌毒力基因的表達(dá)增高。第二套Qs體系rhlR／rhlI系統(tǒng)，rhlR是轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)子，rhlI可編碼AHI 合成酶，該系統(tǒng)產(chǎn)生的一種結(jié)構(gòu)為C4HSL的高絲氨酸內(nèi)酯類自體誘導(dǎo)物，可自由通過細(xì)胞膜，調(diào)控大量基因的表達(dá)，如指導(dǎo)鼠李糖脂溶血素、幾丁質(zhì)酶、氰化物、綠膿菌素等物質(zhì)的產(chǎn)生。2一庚基一3一羥基一4一喹諾酮(pseusomonas qinolone signal，PQs)是近期發(fā)現(xiàn)的銅綠假單胞菌第三套Qs系統(tǒng)—— 喹喏酮信號(hào)系統(tǒng)的信號(hào)分子具有抗菌活性Ⅲ ，不溶于水，關(guān)于它如何行使菌間信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的機(jī)制尚不明確，可能是通過一種“胞吐”樣轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制在細(xì)菌間傳導(dǎo)PQS信號(hào)。PQS可以連接Las和Rhl兩個(gè)系統(tǒng)，一方面Las和Rhl控制著PQS生成，另一方面PQs又影響著Las和Rh1的基因表達(dá)，兩者之間存在著微妙的平衡關(guān)系。此外PQS還在調(diào)整細(xì)菌密度及釋放毒力因子方面起著一定的作用。除上述三種QS系統(tǒng)，最近還發(fā)現(xiàn)了另一種銅綠假單胞菌Qs輔助系統(tǒng)GacS／GacA系統(tǒng)，且已證明在提高細(xì)菌游走能力、釋放可可堿醋酸鈉、促進(jìn)生物被膜形成中發(fā)揮重要作用。
研究方向目前研究較多的是呋喃酮類，已有的研究表明，該類物質(zhì)可以和AHL競爭結(jié)合，抑制QS系統(tǒng)的啟動(dòng)從而干擾細(xì)菌生物被膜形成以及致病因子的表達(dá)。
革蘭氏陽性菌的信號(hào)分子--AIP
革蘭氏陽性細(xì)菌主要使用一些小分子多肽(AlP) 作為AI信號(hào)分子，這種寡肽信號(hào)也隨菌體濃度的增加而增加，當(dāng)累積達(dá)到一定濃度閾值時(shí)，位于膜上的AIP信號(hào)識(shí)別系統(tǒng)與之相互作用。經(jīng)過一個(gè)復(fù)雜的過程，從而起到調(diào)控的作用。
革蘭陽性菌QS系統(tǒng)主要是用小分子多肽(oli— gopeptide)作為自誘導(dǎo)物(autoinducter peptide，AIP)，不同的細(xì)菌其AIP分子大小也不同，不能自由穿透細(xì)胞壁，需通過ABC轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)(ATP—bind— ing—cassette)或其它膜通道蛋白作用，到達(dá)胞外行使功能。位于膜上的AIP信號(hào)識(shí)別系統(tǒng)與AIP結(jié)合后，激活膜上的組胺酸蛋白激酶，促進(jìn)激酶中組氨酸殘基磷酸化，磷酸化后的受體蛋白能與DNA 特 定靶位點(diǎn)結(jié)合，從而激活一種或多種靶基因而行使
功能。AIP不僅能檢測細(xì)菌密度，影響生物被膜的形成，而且還能調(diào)控不同菌種之間的關(guān)系。以表皮葡萄球菌的自體誘導(dǎo)物與4株金黃色葡萄球菌的QS相互作用，結(jié)果有3株受到干擾；但相反，這4株菌的AIP對(duì)表皮葡萄球菌的Qs卻均無影響。
金黃色葡萄球菌(Staphylococcus auPetts)的自體誘導(dǎo)物是一種環(huán)八肽，其受體是一種可以跨膜的組氨酸蛋白激酶。大部分葡萄球菌的毒力因子都是由agr基因組進(jìn)行調(diào)控的，目前的推論是AgrB將agrD的基因產(chǎn)物分解成環(huán)八肽，AgrC則起到跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)受體蛋白的作用。AI和受體蛋白結(jié)合后，對(duì)agrA的產(chǎn)物進(jìn)行磷酸化，從而啟動(dòng)許多與葡萄球菌毒力相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄。葡萄球菌不僅用Al來監(jiān)控細(xì)胞濃度，還通過其來調(diào)控不同菌株之間的關(guān)系。金黃色葡萄球菌包含4個(gè)亞種，它們彼此產(chǎn)生的AI各不相同且相互影響。不僅細(xì)菌濃度是侵染的主要因素，同一種間不同菌株之間的相對(duì)濃度也對(duì)侵染過程起到重要影響。Vuong等的實(shí)驗(yàn)中，agr缺失導(dǎo)致Qs被破壞的表皮葡萄球菌的生物膜有所增加，說明低細(xì)菌濃度可以促進(jìn)生物膜的產(chǎn)生，但反過來高細(xì)菌濃度會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌解離，從而發(fā)生侵染。
變形鏈球菌作為人類齲病主要致病菌和致齲生物膜形成的必需細(xì)菌，具備了多種在牙表面定植的特性成為致齲生物膜中數(shù)量顯著的細(xì)菌。QS信號(hào)分子可調(diào)節(jié)口腔生物膜中細(xì)菌種屬間的信息交流，可調(diào)節(jié)生物膜的形成．糖代謝、耐酸能力以及多種毒力因子的分泌。因此進(jìn)一步明確群體感應(yīng)系統(tǒng)在變形鏈球菌中的介導(dǎo)機(jī)制，對(duì)降低口腔生物膜的致病性和對(duì)治療措施的抵抗性有著重要意義。
病原真菌中的群體感應(yīng)系統(tǒng)
近年來，有研究指出，真菌中也存在著類似于細(xì)菌的QS信號(hào)分子的信息素，并且介導(dǎo)著真菌某些生理行為的調(diào)節(jié)。深部真菌的感染一直是臨床所棘手的問題，白色念珠菌是一種重要的人類致病真菌。也是較早被報(bào)道具有群體感應(yīng)系統(tǒng)的真菌之一，白色念珠菌可產(chǎn)生不同水平的金合歡醇，其可作為信號(hào)因子降低菌絲體形成有關(guān)的基因表達(dá)，使白色念珠菌很容易在導(dǎo)人材料表面定殖形成生物膜而致病。
病原菌種間的群體感應(yīng)系統(tǒng)
QS系統(tǒng)中的AHL或AlP信號(hào)分子具有細(xì)菌特異性，還有一類AI-2型信號(hào)分子，細(xì)菌可以利用這類信號(hào)分子感知其它細(xì)菌數(shù)量來調(diào)控自身的行為，也就是說它們能利用AI-2進(jìn)行種間的交流。細(xì)菌可通過AI-2感知周邊多種細(xì)菌的存在情況，感知競爭壓力，對(duì)自身行為做出調(diào)整，如腸出血性大腸桿菌0157：H7、霍亂弧菌、腦膜炎奈瑟菌
中的毒性基因表達(dá)，發(fā)光桿菌屬中的抗生素合成等。
對(duì)一種海洋微生物哈氏弧菌(Vibrio har．veyi)的研究發(fā)現(xiàn)，該種微生物能合成兩種不同類型的自體誘導(dǎo)物。AI一1由LuxLM合成，是?；呓z氨酸內(nèi)酯類物質(zhì)；而AI-2由LuxS合成，屬于硼酸呋喃糖苷二酯類化合物。對(duì)哈氏弧菌Qs機(jī)理分析證明其系統(tǒng)同時(shí)具有革蘭氏陰性和陽性細(xì)菌的特征，它能利用革蘭氏陰性細(xì)菌的AHL類物質(zhì)(AI一1)作為自體誘導(dǎo)物，但識(shí)別系統(tǒng)卻是與革蘭氏陽性細(xì)菌相似的雙組分信號(hào)傳導(dǎo)系統(tǒng). 同是弧菌屬的人類病原菌霍亂弧菌(Vibriocholerae)也被證實(shí)具有與哈氏弧菌相似的Qs體系，但也有其自身特點(diǎn)。通常Qs都是幫助病原菌達(dá)到較高細(xì)菌濃度后才產(chǎn)生毒素，但霍亂弧菌則恰恰相反，在高濃度時(shí)抑制毒素的產(chǎn)生而在低濃度時(shí)進(jìn)行表達(dá)?；魜y弧菌最重要的毒素因子是霍亂弧菌腸毒素(CT)和毒素協(xié)同菌毛(TCP)，它們都受同一調(diào)控基因ToxR的控制?；魜y弧菌的3套Qs調(diào)控體系都共同以LuxO作為調(diào)控蛋白，luxO突變株會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的腸內(nèi)定殖缺陷。第一套體系是高絲氨酸內(nèi)酯類自體誘導(dǎo)物，稱為CAI—l，合成酶為CqsA；第二套體系是LuxS／AI一2體系。這3種體系都包含一個(gè)LuxR的同源物HapR，它能夠抑制CT、TCP的表達(dá)和生物膜的形成，以及激活Hap蛋白酶的表達(dá)。經(jīng)磷酸化后被激活的LuxO會(huì)接著激活由Hfq介導(dǎo)的對(duì)hapR mRNA的降解，阻斷hapR轉(zhuǎn)錄后表達(dá)。但在高細(xì)菌濃度時(shí)，因?yàn)闊o法被磷酸化，LuxO的不表達(dá)導(dǎo)致HapR被表達(dá)，從而通過抑制aphA而間接抑制了cT和TCP的表達(dá)，并直接抑制了生物膜的形成，激活了Hap蛋白酶的表達(dá)。
干擾QS系統(tǒng)
因?yàn)镼s體系依賴于AI信號(hào)分子及其受體蛋白的共同作用，能夠影響AI與其受體蛋白的積累或識(shí)別的過程都會(huì)破壞Qs系統(tǒng)。
一種調(diào)控方法是降解信號(hào)分子，使其不能與受體蛋白結(jié)合，從而破壞細(xì)菌的Qs體系。大部分革蘭氏陰性細(xì)菌的自體誘導(dǎo)物都是AHLs類化合物，由長度為4～18個(gè)碳的乙?；溛膊颗c一個(gè)保守的高絲氨酸內(nèi)酯頭部相連。內(nèi)酯酶(AHL-1actonase) 和?；D(zhuǎn)移酶(AHL-acylase) 目前都已經(jīng)在一些細(xì)菌中被發(fā)現(xiàn)。內(nèi)酯酶可以水解AHL的內(nèi)酯鍵，生成的?；呓z氨酸的生物活性大大降低，如枯草芽孢桿菌所產(chǎn)生的AiiA酶就屬其中的一種。酰基轉(zhuǎn)移
酶則作用于連在?；呓z氨酸內(nèi)酯上的氨基，生成脂肪酸和不具有任何生物活性的高絲氨酸內(nèi)酯。
另一種干擾信號(hào)分子的方法是抑制AI的生成。例如，三氯生(TRICLOSAN)是一種有效的烯酰基ACP還原酶(enoyl-ACP reductase)抑制劑，烯酰基ACP還原酶參與?；鵄CP(acyl-ACP)的生成，而后者是生成AHL的重要物質(zhì)之一，三氯生的加入導(dǎo)致AHL的產(chǎn)量減少。
通過合成一些AI的結(jié)構(gòu)類似物，與相應(yīng)的受體蛋白競爭性結(jié)合，也是一種干擾細(xì)菌Qs體系的機(jī)制。海洋紅藻(Delisea pulchra)能夠產(chǎn)生一種和AHL結(jié)構(gòu)類似的鹵化呋喃酮(halogenated fura— nones)，將此物質(zhì)與費(fèi)氏弧菌一起培養(yǎng)會(huì)促進(jìn)LuxR的降解，并因此破壞其Qs行為。天然的呋喃酮化合物對(duì)銅綠假單胞菌的QS系統(tǒng)雖然沒有明顯作用，但Hentzer等發(fā)現(xiàn)呋喃酮的衍生物呋喃酮-56能特異性地抑制lasB和一些受Qs調(diào)節(jié)的毒力因子的表達(dá)，并減弱浮游狀態(tài)和生物膜狀態(tài)細(xì)菌的QS調(diào)控基因的表達(dá)。他們還利用一種新的呋喃酮衍生物呋喃酮C-3O作為銅綠假單胞菌的Qs信號(hào)拮抗劑，發(fā)現(xiàn)被呋喃酮C-3O所抑制的基因中有8O％是受QS系統(tǒng)調(diào)節(jié)的，包括編碼多藥外排泵和毒力因子的基因。同時(shí)用這兩種合成的呋喃酮處理肺部感染的小鼠，能取得良好的療效。
群體感應(yīng)淬滅酶
群體感應(yīng)在協(xié)調(diào)細(xì)菌群體基因同步表達(dá)和細(xì)菌生物學(xué)功能上起著非常重要的作用。但在自然界中，原核生物之
間和原核生物與真核生物之間的相互作用普遍存在，如果某種細(xì)菌通過QS介導(dǎo)的群體活動(dòng)提高其在自然環(huán)境中的競爭力，那么其競爭對(duì)手很有可能利用某個(gè)特殊的機(jī)制來破壞這些細(xì)菌的群體感應(yīng)，從而在競爭中占得先機(jī)。人們已經(jīng)從一些原核生物和真核生物中鑒定出一些群體感應(yīng)淬滅酶和抑制劑，這些群體感應(yīng)淬滅酶可能降解細(xì)菌Qs系統(tǒng)的信號(hào)分子AHL，干擾細(xì)菌Qs系統(tǒng)，破壞其參與調(diào)控的生物學(xué)功能。細(xì)菌群體感應(yīng)淬滅酶的發(fā)現(xiàn)和研究為生物防治依賴Qs細(xì)菌侵染提供了可能的途徑，也對(duì)研究它們?cè)谒拗髦械淖饔煤蛯?duì)生態(tài)系統(tǒng)的潛在影響提出挑戰(zhàn)。
