quorum sensing群体感应细菌的信息交流R

细菌的群体感应系统

感染性疾病是临床最为常见也是最难解决的疾

病，抗生素是治疗感染的主要手段。抗生素的广泛

使用，使得耐药率持续增加，感染成为人们面临的一

种越来越难治疗的疾病。当细菌以群体形式存在

时，如细菌生物被膜的产生，可使得细菌的生长模

式、代谢状态和耐药性发生显著的变化，是造成难治

性医院感染的主要原因。过去认为单个细胞对外界

环境刺激的反应仅来源于周围环境中的化学信号，

现在认为这种细菌学的观点过于简单化，因为细菌

之间可以通过细菌本身释放的激素样有机化合

物—— 自诱导物(autoinducter，AI)来交流，从而改

变胞内遗传物质的转录和翻译，调节细菌的生长代

谢，并导致细菌毒力、耐药性的变化，此被称为群体

感应(quorum sensing，Qs)信号系统，简称Qs系

统。QS现象是于1977年在一种海洋发光细菌

Vibrio fischeri中首次发现的l1]，是细菌通过分泌可

溶性信号分子来监测群体密度并协调细菌生物功能

的信息交流机制，经过近十年的研究表明，Qs系统

在细菌的许多生理功能方面都有重要的作用，此系

统包括AI的产生、释放和检测l2]，通过检测周围细

菌的密度，当细菌密度达到一定的阈值时，细菌可以

通过调整相应的基因表达而改变自身生长方式及行

为，从而维持这种多种群社区的稳定，甚至在种内或

种问产生冲突时，也发挥一定作用 ]。其功能涉及

如生物发光，生物被膜的形成、游走，毒力因子的表

达，抗生素的产生，DNA的摄取，细菌的生存和致病

能力，这些已逐渐成为医学界研究的热点。

1 革兰阴性菌QS系统

费氏孤菌是最早发现并进行Qs系统研究的革

兰阴性菌，虽然每种革兰阴性菌所产生的群体感应

机制不同，但其调控蛋白具有高度同源性，目前研究

的大多数革兰阴性菌都存在与之相同的Qs系统，

被称之LuxI—AHL型Qs系统 ]。脂肪酰基高丝氨

酸内酯(acyl homoserine lactones，AHL)，是一类特

殊的小分子水溶性化合物，可作为Qs系统中的自

诱导剂，LuxI是一类可催化合成AI的胞内蛋白酶。

LuxI类蛋白酶可催化带有酰基的载体蛋白的酰基

侧链与s一腺苷蛋氨酸上的高丝氨酸结合生成

AHL。不同革兰阴性菌的LuxI—AHL型Qs系统

有所差别，其AHL类自诱导剂都是以高丝氨酸为

主体，差别只是酰基侧链的有无及侧链的长短不同

J

。作为革兰阴性菌特有的自诱导剂AHL可自由

出入于细胞内外 ]，随着细菌密度的增加，当细胞外

周环境中的细菌分泌的AHL积聚到一定浓度阈值

时，可与细胞质中的作为受体的I uxR蛋白的氨基

残端结合，激活所调控的基因表达。

在以AHL为自诱导剂的革兰阴性菌QS系统

中，信号传导途径具有多样性，目前以铜绿假单胞菌

研究最为成熟，它主要包含四套Qs体系：第一套

lasR／lasI体系，由转录激活因子LasR和乙酰高丝

氨酸内酯合成酶LasI蛋白组成，lasI能指导AI N一

3一氧代十二烷酰一高丝氨酸内酯(3-OXO—C 一HSL)的

合成，并以主动转运的方式分泌到胞外，达到一定的

阈浓度时可结合LasR，并激活转录，增强包括碱性

蛋白酶、外毒素A、弹性蛋白酶在内的毒力因子的基

因转录，可以使铜绿假单胞菌毒力基因的表达增高。

第二套Qs体系rhlR／rhlI系统，rhlR是转录调节

子，rhlI可编码AHI 合成酶，该系统产生的一种结

构为C HSL的高丝氨酸内酯类自体诱导物，可自

由通过细胞膜，调控大量基因的表达，如指导鼠李糖

脂溶血素、几丁质酶、氰化物、绿脓菌素等物质的产

生。2一庚基一3一羟基一4一喹诺酮(pseusomonas

qinolone signal，PQs)是近期发现的铜绿假单胞菌

第三套Qs系统—— 喹喏酮信号系统的信号分子，

具有抗菌活性Ⅲ ，不溶于水，关于它如何行使菌问信

号转导的机制尚不明确，可能是通过一种“胞吐”样

转运机制在细菌间传导PQS信号l8]。PQS可以连

接Las和Rhl两个系统，一方面Las和Rhl控制着 PQS生成，另一方面PQs又影响着Las和Rh1的

基因表达，两者之间存在着微妙的平衡关系。此外

PQS还在调整细菌密度及释放毒力因子方面起着

一定的作用。除上述三种QS系统，最近还发现了

另一种铜绿假单胞菌Qs辅助系统GacS／GacA系

统，且已证明在提高细菌游走能力、释放可可碱醋酸

钠、促进生物被膜形成中发挥重要作用 ]。

2 革兰阳性菌QS系统

革兰阳性菌QS系统主要是用小分子多肽(oli—

gopeptide)作为自诱导物(autoinducter peptide，

AIP)，不同的细菌其AIP分子大小也不同，不能自

由穿透细胞壁，需通过ABC转运系统(ATP—bind—

ing—cassette)或其它膜通道蛋白作用，到达胞外行

使功能。位于膜上的AIP信号识别系统与AIP结

合后，激活膜上的组胺酸蛋白激酶，促进激酶中组氨

酸残基磷酸化，磷酸化后的受体蛋白能与DNA 特

定靶位点结合，从而激活一种或多种靶基因而行使

功能 j。AIP不仅能检测细菌密度，影响生物被膜

的形成，而且还能调控不同菌种之间的关系。以表

皮葡萄球菌的自体诱导物与4株金黄色葡萄球菌的

QS相互作用，结果有3株受到干扰；但相反，这4株

菌的AIP对表皮葡萄球菌的Qs却均无影响u川。

3 菌种间的信号传导

自然界中细菌所处的小生态环境是相当复杂

的，通常在一个很小的空间内有多种细菌共存，细菌

间既有共生关系又有竞争关系，若细菌只能在同种

之间进行信息交流，就很难建立一个在菌种数量上

有一定比例、功能上有一定分工的多细菌群落，很难

形成一个稳定的小生态环境。菌种间的信号传导是

通过I uxS信号系统完成的，以LuxS蛋白作为关键

酶，合成前体分子DPD(4，5 dihydroxy一2，3-pen—

tanedione)。DPD经催化生成信号分子自体诱导物

AI一2。AI一2是一种呋喃硼酸二酯分子，介导不同细

菌间相互交流。因为大多数革兰阴性菌和革兰阳性

菌都能产生AI一2，有人把它称为细菌之间的世界

语 12,13]，如果细菌的LuxS蛋白失活则不能产生AI一

2～ j

。LuxS基因在大多数细菌的基因中是一段相

对保守的序列，不同细菌的DPD由于经过自发重排

会产生差异，形成具有一定特异性的AI一2分子。细

菌可识别自身生成的AI一2分子，也能识别由其他细

菌生成的AI一2[15]。在一项混合多种细菌共同培养

研究中发现，当大肠杆菌产生过多AI一2时，周围的

其它细菌启动Qs系统，相应的控制增加细菌的行

为来保持微环境的稳态 。

4 结束语

目前认为密度感知信号系统与生物被膜的形成，

细菌毒力因子的释放及致病力有密切的关系，似乎有

望为感染的治疗提供新的途径。如何干扰细菌Qs

信号系统，防止生物被膜的产生及减弱致病力，缓解

耐药成为目前研究的热点。一种方法是研发可降解

信号分子或受体蛋白的药物，使其不能相互结合，从

而破坏细菌的Qs体系。另一种方法是通过合成一

些AI的结构类似物的拮抗剂，与相应的受体蛋白竞

争性结合。此外利用其它非致病菌来干扰致病菌Qs

系统也是一种值得研究的方法口 。现阶段对细菌

Qs系统的研究大多还局限在体外，其机制还不是很

明确，涉及的菌种还很少，仅对铜绿假单胞、大肠埃希

氏菌、金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌有了一定了解，

它对细菌生物被膜及致病力的影响也得到了证实。

因此，为能应用到临床是今后的努力目标。

细菌的群体感应及其信号分子细菌利用信号分子，或称为自身诱导物(auto—

inducers，AIs)作为相互交流的“语言”。它们在繁

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(quorum—sensing)[卜d1。群体感应使单细胞

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。

群体感应过程的发现源于费氏弧菌(Vibrio

fischeri)的生物发光现象：费氏弧菌(I／．． cheri)可

与某些海生动物共生，宿主利用其发出的光捕获

食物、躲避天敌以及寻觅配偶，而I／． cheri也获

得一个营养丰富的生存环境 。很多细菌的行为都

属于群体感应，例如根癌土壤杆菌(Agrobacterium

tumefaciens)Ti质粒的转化【5—1、胡萝卜欧文氏菌

(Erwiaia carotovora)[gJ、铜绿假单胞菌(Pseudomonas

aeruginosa)[ Ol等病原菌的毒性基因表达、致黄假单

胞菌(P aureofaciens)[111、胡萝卜欧文氏菌( ．

carotovora)中抗生素的产生调控【9 21、液化沙雷菌

(Serratia liquefaciens)的游动【】31以及粘质沙雷菌

(．s．marce$cen$)色素的产生【】41等。细菌的群体感应

现象非常普遍，但是，不同类群的细菌之间却存在

着差异。随着人们对细菌信号分子研究的不断深

入，发现大多数的细菌可能都是靠分泌一种化学

分子来进行交流和协调群体行为。根据细菌群体

交流的化学信号分子(即自诱导剂)的种类，大体可

以分为三大类。通常，革兰氏阴性菌以酰化高丝氨

酸内酯(AHL)作为自诱导剂，而革兰氏阳性菌则

使用修饰的寡肽作为沟通用语，第三类是兼具了

上述两种群体感应系统的部分特征，是一种杂合

型“多语言”的群体感应。

1 细菌群体感应的类型

1．1 G一细菌的群体的AHL—Luxl／LuxR信号感应

1983年，Engebrecht和Silverman发现 ．

cheri群体感应的调控机制需要两种组分的参

与：LuxI蛋白与LuxR蛋白【】5】。其中，LuxI蛋白负责

信号分子N一酰基高丝氨酸内酯(N—

acylhomoserine lactones，AHLs)的合成，而LuxR蛋

白则结合AHLs并激活荧光素酶基因的转录旧。他

们发现当V．fischeri菌体浓度上升的同时，会伴随

着AIILs分子浓度的增加，而当AHLs浓度达到微

摩尔级范围的时候，就会与LuxR蛋白结合，结合

复合物再去激活荧光素酶基因的启动子转录【】51。

多年以来，V．fischeri的LuxI／LuxR双元件系统一

直被视为群体感应的经典【】q。

至今，已发现超过25种G一细菌之间交流方式

与 ． cheri相同，很多的生理过程都是采用这种

LuxI／LuxR系统模式 (图1)。LuxI家族蛋白酶通

过将酰基一酰基载体蛋白(acyl—ACP)上的酰基侧链

结合到S一腺苷甲硫氨酸(SAM)的高半胱氨酸基团

上，产生特异的酰化HSL分子【15-阍，这种酰化的

HSL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，因此它们可以

在胞外随着菌体浓度增加而累积【2'31。不同的细菌

产生不同的AHIJs，但差异只在于其酰基侧链的长 度与结构，高丝氨酸内酯部分都是相同的。AHLs似

乎是“专一”的信号分子，没有其他确切的功能【l9J。

LuxR家族蛋白的功能与LuxI截然不同，其N一端

区与AHEs分子结合，而C一端区域则参与寡聚化

以及启动子DNA的结合 。在一些更为复杂的特

殊例子中，我们还可以看到象人类条件致病菌铜

绿假单胞菌(P ／"~g／ZOSa)利用两套群体感应系

统来调节毒性因子和生物膜的形成(LasI／LasR和

RhlI／RhlR双系统) ，在此不作介绍。

图1 fischer／细菌在宿主器官中进行的群体感应ldj

小圆点为AHLs分子，椭圆形为LuxR蛋白

1．2 G 细菌的寡肽“语言”

G 细菌利用一套不同于G一细菌的群体感应来

调控一系列生理过程。它们所用的信号分子是经

修饰过的寡肽【“】。目前还没有发现G 细菌产生

AHLs的例子，跟AHLs一样，寡肽同样能分泌到

细胞外并累积。

图2 G 细菌的群体感应过程。粗短线为寡肽信号分子圜

H和D表示双组分检测元件

如图2所示，前导肽合成并被加工修饰成成

熟的寡肽信号分子。这种成熟肽通过A11P一结合盒

(ATP—Binding Cassette，ABC)转运复合物分泌到

细胞外【2】】。当寡肽在胞外达到某一特定浓度时，双

组分的感应识别元件(图中H和D)就会探测到这

种信号分子。寡肽信号分子的检测系统是传感激

酶，它识别信号分子并在自身一个保守的组氨酸残

基(H)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(response regulator)的一个

保守天冬氨酸残基(D)上。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

代表作用是诱导受密度调控的目的基因表达㈣。

1．3 细菌的“多语言”信号交流

除了种内的特异性交流，细菌还拥有另一种

用于种间交流的非特异语言。这表明细菌不但可

以估计自身群体密度的变化，甚至还可以感知周

围其他种细菌的浓度。而且，细菌在种间和种内产

生信号分子的反应不同，这使细菌能根据它们在

环境中的浓度(强势群体还是弱势群体)来恰当地

调节自身的行为。

细菌的种间交流起源于哈氏弧菌(V．harveyi)

的研究[20,22,：Z31。V．~rveyi与l／．． cheri非常相似，

但是它们并不与高级的生物共生。相反，V。harveyi

自由地生活在海水、浅滩沉积物中，或者在各种海

洋动物肠道的里面和表面 。尽管生活方式不同，

但是V．harveyi与V． c ri一样，也能利用群体

感应来调控生物发光，只是跟V． cheri和其他的

G一细菌相比，V．harveyi并非使用常规的LuxI／LuxR

型信号机制，而是集合了G+细菌和G一细菌的特点。

V．harveyi使用与G一细菌信号分子类似的AHLs，

但是信号检测和传递双元件蛋白则与G 细菌系统

的相似。而且，V．harveyi分泌一种新的自身诱导

物信号分子用于种间的细胞间交流【17】。

V．harveyi产生两种自身诱导物，分别为AI一1

和AI-2。AI-1是一种AHIJs，但是它的合成并不依

赖于LuxI蛋白，而是luxLM。luxLM 与LuxI家族

的AHLs合成酶没有任何的同源性吲。尽管如此。

V．harveyi利用SAM 和特异acyl—ACP合成AI一1

的过程很可能是一样的。而另一个信号分子AI一

2，是一种呋喃，它的合成需要LuxS蛋白 。

如图3所示，LuxN和LuxPQ传感器分别识别复合物再与LuxQ反应并将AI一2信号传递给它。

LuxN和LuxQ都是双组分的杂合传感激酶，反应

调节器蛋白。它们的使命是将磷酸基团信号传递

给LuxU，LuxU再将信号传给终端反应调节蛋白

LuxO。LuxO是一种依赖0-54的转录活化子，它的

功能可能是诱导荧光素酶结构操纵子(1uxCDABE)

抑制物的表达。这种抑制物在图中暂且命名为x。

LuxCDABE的表达同样需要转录活化子L似R的

协助。但是，V．harvey／的LuxR 并不同于V．

fischeri和其他G一细菌。在菌体密度较低并且不存

在AI-1和AI一2时，LuxN和LuxQ都是自主磷酸

化激酶，将磷酸传给LuxU。LuxU再交给LuxO。

LuxO经磷酸化被激活后与0"54结合，并激活x的

转录，然后X再抑制luxCDABE的表达，因此，在

低浓度下，V．harveyi并不发光。在细菌密度较高

时， AI一1和AI一2累积并分别与LuxN和LuxPQ

的反应，诱导LuxN和LuxQ从激酶模式转为磷酸

酶模式。在磷酸酶模式下，LuxN 和LuxQ通过

LuxU从LuxO处得到一个磷酸导致脱磷酸的

LuxO失活，这样，抑制物x不能转录，LuxR蛋白

激活luxCDABE的转录。因此，在高密度细菌条件

下，V．harveyi会发光【2l·zs]。

2 信号分子的作用

细菌利用信号分子作为竞争武器，不管细菌

使用的是何种信号分子，种内的群体感应都会协

调地进行。这个过程使细菌获得一些与多细胞生

物相似的特征。同样，不管是否使用AI一2或者其

他一般的信号分子，种问的细菌交流都会使群体

中的每个种同步行动，从而提高整个群体的生存

能力。

然而，一种细菌并非总是与宿主或者其他细

菌和平共处。我们现在知道，除了共生关系的建

立，细菌的群体感应对于侵染真核宿主的致病过

程同样重要。另一方面，生活在自然环境中的细菌

会跟其他种的细菌争夺有限的资源，展开激烈的

竞争。因此，分泌抗菌物质来干扰其他菌种信号分

子的产生或者检测，对于一些细菌来说无疑会给

它们带来更多的好处。有很多这样的例子，例如，

某些植物细菌产生的信号分子会诱导

aureofaciens的抗生素产生，这也许是因为

aureofaciens察觉到竞争者的存在并试图杀死对方

[~；Bacillus．subtilis产生一种能使E carotovora的

AHLs失活的酶，名为AiiA[ ；而且编码AiiA的基

因广泛存在于芽孢杆菌属中[261。另外，土壤细菌

Variovorax paradoxus利用AHLs分子作为唯一的

碳源和氮源[z0。还有另外一个真核生物特异性地

干扰细菌群体感应过程的例子：海藻(Delisea

pulchra)能产生卤化的Furanones和Enones用于

阻断群体感应病原菌液化沙雷菌(．s．妇uefac／ens)

的游动以及侵染。Furanones在结构上与高丝氨酸

内酯相近，它结合LuxR类蛋白并阻止信号分子的

结合[281o

3 展望

细菌利用信号分子感知群体密度的变化从而

调节自身的行为，细菌之间的信号交流不仅发生

在种内，也发生在种问，这些交流行为使细菌能协

调不同的生理活动，看起来与多细胞生物很相似。

在一些细菌和真核宿主的共生过程中，拥有一套

增加有益细菌的群体感应能力的机制。同样地，有

些细菌和宿主拥有另一套能阻断竞争细菌群体感

应或者分泌抗菌物质杀死竞争者的机制。这种自

然的破坏群体感应现象现在被用于生物防治[1,ll】。

例如，晏立英等 从大白菜根际中分离到了6株

产生AHLs的细菌对油菜菌核病菌、立枯丝核菌

等病原菌有不同程度的拮抗作用。不管如何，群体

感应的确是一个很奇妙的现象，也吸引了不少科

学家的注意。虽然现在对于它的研究只处于初级阶段，但是相信在不久的将来就能应用到人们的