1、第八章、细菌群体感应调控细菌群体感应调控v定义：细菌在繁殖过程中不断分泌信号分子到胞外，并定义：细菌在繁殖过程中不断分泌信号分子到胞外，并检测其浓度从而感知群体密度的变化，当其密度达到某检测其浓度从而感知群体密度的变化，当其密度达到某个阈值时，就会启动某些基因的表达，这个过程称为群个阈值时，就会启动某些基因的表达，这个过程称为群体感应体感应QS(quorum sense)QS(quorum sense)。这是一种利用信号分子相互。这是一种利用信号分子相互交流，协调种群内细胞个体行动的调控方式。交流，协调种群内细胞个体行动的调控方式。v功能功能v使单细胞的细菌能模仿多细胞生物体进行一些它们作为单
2、使单细胞的细菌能模仿多细胞生物体进行一些它们作为单细胞个体所做不到的行为细胞个体所做不到的行为v调控细菌许多重要的生理功能，包括调控细菌许多重要的生理功能，包括v根癌土壤杆菌根癌土壤杆菌TiTi质粒的转化质粒的转化v胡萝卜欧文氏菌、铜绿假单胞菌等病原菌的毒性基因表达胡萝卜欧文氏菌、铜绿假单胞菌等病原菌的毒性基因表达v致黄假单胞菌、胡萝卜欧文氏菌中抗生素的产生调控致黄假单胞菌、胡萝卜欧文氏菌中抗生素的产生调控v液化沙雷菌的游动液化沙雷菌的游动v粘质沙雷菌色素的产生等粘质沙雷菌色素的产生等QS系统的类型(下页图)G-G+G+/G-信号分子信号分子AI酰基高丝氨酸内酯酰基高丝氨酸内酯AHLs（AI1
3、）自身诱导肽自身诱导肽AIP(AI1)呋喃酰基硼酸二酯呋喃酰基硼酸二酯(AI2)信号分子信号分子合成分泌合成分泌LuxI类类AI合成酶合成酶寡肽信号分子以前体肽的寡肽信号分子以前体肽的形式合成，经加工修饰后形式合成，经加工修饰后由由ABC(ATPbinding cassette)系统输出系统输出蛋白蛋白LuxS信号分子信号分子感应机制感应机制LuxR类类AI结合转录激结合转录激活蛋白活蛋白双组分磷酸传递途径双组分磷酸传递途径(twocomponent phosphorelay circuits)来感应寡肽来感应寡肽信号分子的存在信号分子的存在代表菌代表菌Vfischeri费希尔氏弧费希尔氏弧菌
4、菌S.aureus金黄色葡萄球菌金黄色葡萄球菌 Vharveyi哈氏弧菌哈氏弧菌物种特异物种特异性性有有有有AI2是种间细胞交流是种间细胞交流的通用信号分子，没的通用信号分子，没有物种特异性有物种特异性本节内容v革兰氏阴性细菌中的革兰氏阴性细菌中的QS系统系统v革兰氏阳性细菌中的革兰氏阳性细菌中的QS系统系统vG-/G+中均存在的中均存在的QS系统系统革兰氏阴性细菌中的QS系统vG G-中的中的QSQS系统的发现系统的发现:费希尔氏弧菌费希尔氏弧菌v费希尔氏弧菌中群体感应机制费希尔氏弧菌中群体感应机制v胡萝卜软腐欧文氏菌抗生素合成胡萝卜软腐欧文氏菌抗生素合成v铜绿假单胞菌中的群体感应铜绿假单胞
5、菌中的群体感应一、一、G G-中的中的QSQS系统的发现系统的发现:费希尔氏弧菌费希尔氏弧菌v两种生存状态：自然状态下两种生存状态：自然状态下海洋微生物费希尔氏弧菌有海洋微生物费希尔氏弧菌有两种生存状态，既可以自行两种生存状态，既可以自行浮游生长，也可以和某种发浮游生长，也可以和某种发光鱼形成共生体。光鱼形成共生体。v共生状态：共生状态下细菌共生状态：共生状态下细菌寄居在鱼的特异性发光器官寄居在鱼的特异性发光器官中，使它们能够生物发光，中，使它们能够生物发光，从而有利于捕食或蔽害。从而有利于捕食或蔽害。v荧光：细菌只有在和发光鱼荧光：细菌只有在和发光鱼共生时才会发出光，浮游生共生时才会发出光，
6、浮游生长时则不会。显然细菌中有长时则不会。显然细菌中有某种调控机制使得它们只有某种调控机制使得它们只有在共生状态下才发出光。在共生状态下才发出光。二、二、费希尔氏弧菌中群体感应分子机制费希尔氏弧菌中群体感应分子机制v信号分子信号分子结构结构产生与分泌产生与分泌v感应机制感应机制v基因调控功能基因调控功能v生物荧光的最终解释生物荧光的最终解释v补充补充部分有代表性的部分有代表性的AHLsAHLs细菌细菌QSQS系统除系统除AHLAHL外其它类外其它类QSQS信号分子信号分子N-酰基酰基-L-高丝氨酸内酯高丝氨酸内酯(AHLs)内酯环不同长度酰基链，多偶数碳原子不饱和键多为C7顺式信号分子产生途径
7、信号分子产生途径vLuxI家族蛋白酶通过将脂酰基家族蛋白酶通过将脂酰基-酰基载体蛋白（酰基载体蛋白（acyl-ACP）上的脂酰基侧链结合到）上的脂酰基侧链结合到 S-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸(SAM)的的高半胱氨酸基团上高半胱氨酸基团上,产生特异的酰化产生特异的酰化 HSL 分子分子,这种酰这种酰化的化的HSL分子再进一步内酯化变成分子再进一步内酯化变成acyl-HSL(AHLs),AHLs分子可以任意地穿越细胞膜分子可以任意地穿越细胞膜,因此它们可以在胞外因此它们可以在胞外随着菌体浓度增加而累积。随着菌体浓度增加而累积。v菌体浓度较低时，信号分子合成的水平也较低。菌体浓度较低时，信号分子合成
8、的水平也较低。v合成的酰基高丝氨酸内酯合成的酰基高丝氨酸内酯AHLAHL分子扩散到细胞外环境中。分子扩散到细胞外环境中。v随着菌体浓度增高，信号分子逐渐累积。随着菌体浓度增高，信号分子逐渐累积。v当信号分子浓度达到一定的阈值时，就会启动和当信号分子浓度达到一定的阈值时，就会启动和LuxRLuxR蛋蛋白的相互作用，形成白的相互作用，形成LuxR/AHLLuxR/AHL复合物复合物信号分子浓度与感应信号分子浓度与感应基因表达调控vLuxR/AHLLuxR/AHL复合物结合到复合物结合到DNADNA的的Lux-Lux-boxbox开启发光基因的表达。开启发光基因的表达。进一步促使进一步促使AHLAH
9、L分子分子(通过通过LuxI)LuxI)高水平表达：自诱高水平表达：自诱导导生物发光的解释v费希尔氏弧菌浮游生长时信号分子浓度很低，但是和发光鱼共生时信号分子浓度则很高，因而群体感应机制能够解释其为什么只有在共生状态时才会发光胡萝卜软腐欧文氏菌抗生素合成胡萝卜软腐欧文氏菌抗生素合成v胡萝卜软腐欧文氏菌致病变种能引起植物软腐胡萝卜软腐欧文氏菌致病变种能引起植物软腐病，细菌可以分泌一些酶溶解植物细胞壁而进病，细菌可以分泌一些酶溶解植物细胞壁而进入植株。入植株。细菌中果胶酶、纤维素酶、多种蛋白细菌中果胶酶、纤维素酶、多种蛋白水解酶及碳青霉烯抗生素的产生受到水解酶及碳青霉烯抗生素的产生受到QSQS系统
10、的系统的调控。调控。v一种信号分子：一种信号分子：AHLCAHLC1010H H1515O O4 4N Nv两套两套QS系统：系统：expR/expIexpR/expI系统：促进致病胞外酶的表达，包括果胶系统：促进致病胞外酶的表达，包括果胶盐酸裂解酶、多聚半乳糖醛酸酶、纤维素酶和蛋白盐酸裂解酶、多聚半乳糖醛酸酶、纤维素酶和蛋白酶的分泌，这些酶使得植物组织软化。酶的分泌，这些酶使得植物组织软化。carR/carIcarR/carI系统：促进碳青霉烯抗生素的产生系统：促进碳青霉烯抗生素的产生铜绿假单胞菌群体感应系统铜绿假单胞菌群体感应系统v铜绿假单胞菌是一种典型的条件致病菌，引起心铜绿假单胞菌是一
11、种典型的条件致病菌，引起心内膜炎、胃肠炎脓胸甚至败血症。内膜炎、胃肠炎脓胸甚至败血症。v铜绿假单胞菌有两套铜绿假单胞菌有两套QSQS系统：系统：vlasR/lasIlasR/lasI体系：体系：功能：调控碱性蛋白酶、外毒素功能：调控碱性蛋白酶、外毒素A A、弹性蛋白酶（重、弹性蛋白酶（重要的致病因子）的合成要的致病因子）的合成信号分子：信号分子：3-O-C12-HSL 3-O-C12-HSL vrhlR/rhlIrhlR/rhlI体系：体系：功能：调控鼠李糖酯溶血素、几丁质酶、氰化物、功能：调控鼠李糖酯溶血素、几丁质酶、氰化物、绿脓菌素等物质产生绿脓菌素等物质产生信号分子：信号分子：C4-HS
12、LC4-HSLv当细菌浓度相对较低时，其群体感应系统保持一种当细菌浓度相对较低时，其群体感应系统保持一种沉默状态，信号分子的浓度也处在一个较低的水平沉默状态，信号分子的浓度也处在一个较低的水平.这时候，由群体感应系统调控产生的胞外酶和毒性这时候，由群体感应系统调控产生的胞外酶和毒性因子还没有启动，此时的绿脓杆菌并不致病因子还没有启动，此时的绿脓杆菌并不致病v当细菌的数量急剧上升的时候，信号分子的水平超当细菌的数量急剧上升的时候，信号分子的水平超过一个特定的阈值，首先引发过一个特定的阈值，首先引发las系统的启动。系统的启动。las系系统随后调节产生大量的各种胞外酶和毒性因子，同统随后调节产生大
13、量的各种胞外酶和毒性因子，同时兴奋时兴奋rhl系统，使之也参与到产生毒性因子的行列系统，使之也参与到产生毒性因子的行列来。来。v此外，此外，las和和rhl系统还参与了调节该细菌产生大量系统还参与了调节该细菌产生大量胞外粘多糖，形成能自我保护的生物膜，使细菌生胞外粘多糖，形成能自我保护的生物膜，使细菌生长在微菌落中，以保护细菌免遭抗生素的作用和宿长在微菌落中，以保护细菌免遭抗生素的作用和宿主免疫功能的清除。主免疫功能的清除。根癌脓杆菌根癌脓杆菌群体感应系统群体感应系统v根癌脓杆菌是一种植物病原体，能把特定区段根癌脓杆菌是一种植物病原体，能把特定区段的的DNADNA转移进宿主植物体中，并整合到基
14、因组转移进宿主植物体中，并整合到基因组中去，从而产生冠瘿瘤。这一复杂过程由两套中去，从而产生冠瘿瘤。这一复杂过程由两套群体感应机制控制：群体感应机制控制：vvirR/IvirR/I系统：调控细菌对植物的侵染系统：调控细菌对植物的侵染vtraR/ItraR/I系统：以细菌为基础。使根癌脓杆菌内系统：以细菌为基础。使根癌脓杆菌内的的TiTi质粒自由移动，调控细菌质粒质粒自由移动，调控细菌质粒DNADNA区段与区段与植物基因组的整合。植物基因组的整合。信号分子：信号分子：N-3-N-3-氧辛酰氧辛酰-L-L-高丝氨酸内酯高丝氨酸内酯革兰氏阳性细菌革兰氏阳性细菌中的中的QSQS系统系统vG G+菌篇菌
15、篇G G+菌菌QSQS过程过程v金黄色葡萄球菌群体感应金黄色葡萄球菌群体感应G G+菌菌QSQS过程过程v信号分子概述信号分子概述v信息肽信息肽v合成与加工合成与加工v转运转运v功能结构功能结构v信号分子感应信号分子感应信息肽v合成与加工：革兰氏阳性菌使用的信号分子，多数是一种由一个较大前体经过翻译后加工得到的多肽v转运：信息肽通过ATP-结合盒转运体ATP-binding cassette(ABC)运出细胞外。v多种功能：金黄色葡萄球菌毒力合成枯草杆菌和肺炎链球菌DNA吸收枯草杆菌孢子形成 粪肠球菌质粒接合转导乳酸菌细菌素合成双组分磷酸传递途径v当寡肽在胞外达到某一特定浓度时，双组分的感应识
16、别元件(图中H和D)就会探测到这种信号分子。其中H是一种能检测信号分子浓度的传感激酶，D是一种调节蛋白。v传感激酶H识别信号分子并在自身一个保守的His上进行磷酸化，然后再将磷酸基团信号传给下游的反应调节蛋白的一个保守Asp上。v被磷酸化的反应调节蛋白结合特异的目的启动子,从而调控某些基因的表达。这种反应调节蛋白是一种DNA结合蛋白，其主要作用是诱导受密度调控的目的基因表达二、金黄色葡萄球菌v葡萄球菌的介绍v葡萄球菌的毒性和群体感应的关系vAgr编码的群体感应系统vRNAIII和毒力的全局调控v信息肽v葡萄球菌在人类和其他动物中能够引起多种疾病，包括较小的皮肤感染、食物中毒、到足以致命的中毒性
17、休克综合症和败血症。现实是这些细菌开始对越来越多的抗生素产生了抗性，因此有必要寻找新的靶点以治疗葡萄球菌感染，首先就要理解其致病过程葡萄球菌的介绍葡萄球菌的介绍葡萄球菌的毒性和群体感应的关系葡萄球菌的毒性和群体感应的关系v许多葡萄球菌细胞壁蛋白的表达在指数期达到最大，而细胞外毒素只有在稳定期才会合成。v这种基因表达的协调调控由一个称为附加基因调节子(agr)的基因座进行调控。Agr编码的是一个群体感应系统vagr 基因座包含两个不同的操纵子，分别由P2和P3(下页图)两个启动子控制.vP3启动其自身的转录产生 RNAIII，是agr应答反应的效应物vP2操纵子由 agrBDCA四个基因组成，与
18、P2和P3启动的转录活化有关。vagr 基因座功能的发挥需要全局调控子SarA的共同作用agr编码的群体感应系统编码的群体感应系统金黄色葡萄球菌金黄色葡萄球菌agr 系统系统v图图.P2 操纵子编码AgrD，AgrA，AgrB，和AgrC四种蛋白，其中 AgrD 是agr自诱导信号肽的前体。v产生的AgrD前体，被跨膜蛋白AgrB加工成熟后释放到细胞外。v加工后成熟后的信号肽重新结合到AgrC的细胞外结构域。AgrC是一个组氨酸蛋白激酶，其胞外结构域结合信号肽会引起其胞内结构域的组氨酸上的自磷酸化。vAgrA和AgrC组成一个双组分调控系统，AgrA是能被AgrC磷酸化的同源反应调节子。Agr
19、C上的磷酸基团转移给AgrA后，磷酸化的AgrA与全局调控子 SarA共同作用，活化P2、P3的启动。v活化的P2、P3一方面形成了一个自身诱导回路，另一方面RNAIII不仅能够对细胞表面蛋白进行下行调节，还能对一些分泌蛋白进行上行调节。RNAIII vRNAIII 编码-溶血素，作为调控RNA，其自身在agr基因组的反馈中起重要作用。v外源添加外激肽能够诱导低浓度细菌合成RNAIII产物，但其调控功能在指数生长期末期才显现出来。The peptide pheromoneThe peptide pheromone外激肽外激肽 v分类：v三组外激肽：根据不同外激肽对agr 的表达的交叉活化或抑制
20、v抑制激活关系：同一组的外激肽活化组内其他外激肽对agr 表达的激活，不同组的外激肽能抑制其他组外激肽对agr 表达的激活。v基因序列同源性：v组内/间：不同金黄色葡萄球菌AgrBCD 序列大致相同，但 AgrD,和部分 AgrB，AgrC 组间差异较大。v肽结构（下页图）：v共有结构：不同金黄色葡萄球菌外激肽的一级序列不同，但靠近C-末端5个氨基酸残基处都有一个中心半胱氨酸分泌的外激肽含有一个由保守半胱氨酸和C-末端羧基形成的分子内巯基脂链外激肽外激肽枯草芽胞杆菌群体感应v枯草芽胞杆菌利用QS系统对细胞的发育进行调控，当营养丰富、菌体稀少时向感受态方向发展，营养贫乏菌体密度高时向芽胞方向发展
21、。v CSF(5个氨基酸残基)与ComX(10个氨基酸残基)寡肽信号分子能够激活感受态转录因子ComK的大量表达,使细菌向感受态的方向发展v当菌体达到一定浓度后,五肽信号分子PhrA和PhrE大量形成,分别抑制RapA和RapE磷酸化酶，从而使细菌向芽胞方向发展。粪肠球菌群体感应v粪肠球菌是人类肠道正常栖息菌，是医源性感染的主要原因，可致手术部位感染、血型感染和尿路感染。v两个群体感应系统：vCyl系统：调控溶细胞素的合成。溶细胞素的功能：不仅对某些宿主靶细胞是致死毒素，也是一种能杀死统一环境中其他细菌的细菌素，而且还担任粪肠球菌基因表达的信号分子溶细胞素的结构：由两个亚单位组成CylLL和C
22、ylLS,细胞外活性形式是CylLL和CylLS。CylLS在胞外积累到一定浓度后，担当自身诱导肽激活Cyl转录表达溶细胞素。vFsr系统：激活明胶酶和丝氨酸蛋白酶相关的基因此系统类似金黄色葡萄球菌Agr系统细菌种间QS系统v异同异同v功能功能v系统系统v信号分子信号分子v感应机制感应机制v哈氏弧菌群体感应哈氏弧菌群体感应1.5.3 1.5.3 种间种间QSQS系统：系统：哈氏弧菌的群体感应哈氏弧菌的群体感应v两个不同群体感应系统：系统1：以3-OH-C4-HSL为信号分子，但不同于费希尔氏弧菌的群体感应系统，其群体感应系统基因和费希尔氏弧菌luxR/luxI 是不同的 系统2：采用信号分子A
23、I-2.v二者同样的信号感应机制：AHL 和 AI-2系统均采用双组分磷酸传递系统对荧光产生进行调控 系统1系统2信号分子3-OH-C4-HSLAI-2信号分子编码/感应蛋白LuxM/LuxNLuxS/（LuxP和 LuxQ）LuxN和 LuxQ均含有双组分系统的传感激酶结构域和响应调控结构域LuxO（下页图）两个信号接收系统汇聚于LuxO蛋白，LuxO蛋白与双组分系统的响应调控结构域有同源性菌体浓度较低时，LuxO被LuxQ和LuxN磷酸化(经由磷酸传递蛋白LuxU)。磷酸化的LuxO激活转录抑制蛋白，阻碍luxCDABE 基因转录。菌体浓度升高后，LuxO被LuxQ和LuxN去磷酸化(经由
24、磷酸传递蛋白LuxU)。去磷酸化的LuxO不能激活转录抑制蛋白，从而允许转录激活子LuxR（不同于费希尔氏弧菌）活化luxCDABE 基因转录哈氏弧菌的群体感应哈氏弧菌的群体感应AI-2v哈氏弧菌产生两类信号分子：AI1，典型的革兰氏阴性细菌具有的AHL类。但其感应系统类似革兰氏阳性细菌的双组分磷酸传递系统。AI-2。多种的革兰氏阴性和阳性细菌都可以产生这种AI2,其产生依赖于一个被称为LuxS的蛋白。vAI2的功能：AI2是种间细胞交流的通用信号分子，没有物种特异性vAI-2的结构：AI-2是一种新的呋喃硼酸二酯分子。QS的抑制vAiiA等vRNAIII抑制肽可抑制大鼠耐药性葡萄球菌感染Ai
25、iA等v一种芽胞杆菌一种芽胞杆菌(Bacillus)240B1能产生能产生AiiA蛋白蛋白,它是一种降解它是一种降解AHL信号分子的胞内解酯酶，能使胡萝卜软腐欧文氏菌产生信号分子的胞内解酯酶，能使胡萝卜软腐欧文氏菌产生的的AHL分子内酯键被打开分子内酯键被打开,因此因此,软腐病菌中受软腐病菌中受QS系统调控的系统调控的致病基因不能表达致病基因不能表达,从而极大减弱了该病菌的致病性。从而极大减弱了该病菌的致病性。v在青枯菌在青枯菌(Ralstoniasp.)XJ12B中发现一种新的酰胺酶中发现一种新的酰胺酶AiiD蛋白蛋白,也能把也能把AHL信号分子水解为内酯环与酰胺链。信号分子水解为内酯环与酰
26、胺链。v争论贪噬菌争论贪噬菌(Variovoraxparadoxus)能利用能利用AHL分子做为唯一分子做为唯一碳源和氮源供其生长需要碳源和氮源供其生长需要,它编码酰胺酶使信号分子的侧链与它编码酰胺酶使信号分子的侧链与内酯环断开内酯环断开,根据该菌特性根据该菌特性,它在自然环境中能抑制产它在自然环境中能抑制产AHL细菌细菌的生长与繁殖。的生长与繁殖。v在根癌农杆菌中发现在根癌农杆菌中发现AHL信号分子浓度在细菌进入稳定期时信号分子浓度在细菌进入稳定期时急剧下降急剧下降,研究表明该信号分子能被农杆菌中研究表明该信号分子能被农杆菌中attM编码的解酯编码的解酯酶所降解酶所降解,起到平衡调节的作用起
27、到平衡调节的作用,该酶与该酶与AiiA蛋白的作用具有相蛋白的作用具有相似性。似性。v海洋指状岩褐藻海洋指状岩褐藻(Laminariadigitata)通过产生卤素过氧化物酶通过产生卤素过氧化物酶催化卤素产生卤素氧化物催化卤素产生卤素氧化物(次氯酸次氯酸HOCl),它能穿透细菌的生物它能穿透细菌的生物膜膜,并与并与AHL信号分子起反应从而破坏它的信号功能信号分子起反应从而破坏它的信号功能,使细菌不使细菌不能在藻类叶片上定殖能在藻类叶片上定殖,同时具有杀菌活性。同时具有杀菌活性。v现在对于降解现在对于降解AHL类信号分子的研究方兴未艾类信号分子的研究方兴未艾,目前利用最好目前利用最好的是的是AiiA蛋白蛋白,已把该基因转入植物中并表现了较好的抗病性已把该基因转入植物中并表现了较好的抗病性,关于其它降解关于其它降解AHL酶的潜在利用价值还在进一步探索之中。酶的潜在利用价值还在进一步探索之中。RNAIII抑制肽可抑制大鼠耐药性葡萄球菌感染v一种抑制RNAIII的肽类（RIP）抑制了血管移植大鼠模型的耐药性葡萄球菌感染。vRIP通过扰乱细菌细胞与细胞之间的交流（即群体感应）来抑制葡萄球菌的致病性，而不是直接杀死它们。
