細(xì)菌群體感應(yīng)系統(tǒng)信號分子的分類及檢測

張彩鳳

（河北省衡水學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院 河北衡水 053000）

細(xì)菌群體感應(yīng)系統(tǒng)的研究，已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。革蘭氏陽性細(xì)菌及陰性細(xì)菌都通過群體感應(yīng)與周圍環(huán)境進(jìn)行信息交流，現(xiàn)已知QS系統(tǒng)參與許多細(xì)菌重要的生物學(xué)功能調(diào)節(jié)，如生物的發(fā)光、抗生素的合成、質(zhì)粒的結(jié)合轉(zhuǎn)移、病原細(xì)菌胞外酶與毒素的產(chǎn)生、生物群游現(xiàn)象以及生物膜形成、根瘤菌與植物共生等等[1]。近年來，作為重要調(diào)控的細(xì)菌QS系統(tǒng)，是否還具有其他生物學(xué)功能成為生物學(xué)界的熱門研究課題之一。

1 目前根據(jù)細(xì)菌合成的信號分子及其感應(yīng)機(jī)制的不同，QS系統(tǒng)基本可分以下三種類型：

1.1

以脂肪類衍生物作為信號分子的QS系統(tǒng)，主要存在于革蘭氏陰性菌。對革蘭氏陰性菌而言，這類化合物大部分是屬于N-酰化高絲氨酸內(nèi)酯( N-acylated homoserine lactones， AHLs)類的信號分子：主要由LuxR蛋白和LuxI蛋白組成，LuxR蛋白是細(xì)胞內(nèi)自體誘導(dǎo)物的受體蛋白，當(dāng)外界AHL濃度達(dá)到一定閾值時，LuxR蛋白就會與AHL結(jié)合，形成的LuxR-復(fù)合物能夠激活某些生物學(xué)特性的基因表達(dá)[2]。每分子的LuxR類蛋白結(jié)合一分子自體誘導(dǎo)物后,能與特異的靶基因啟動子結(jié)合,從而激活目的基因的轉(zhuǎn)錄；LuxI蛋白是自體誘導(dǎo)物合成酶，合成AHL信號分子。由于其結(jié)構(gòu)的不同，AHLs呈多樣化，其區(qū)別在于它們是由相同的內(nèi)酯環(huán)連接不同長度的?；母呓z氨酸側(cè)鏈，并且AHL的產(chǎn)生和檢測分別依賴于LuxI類的合成酶及LuxR類的結(jié)合轉(zhuǎn)錄激活蛋白[3]。

細(xì)菌AHL-群體感應(yīng)系統(tǒng)參與病原菌的發(fā)病，并發(fā)揮著關(guān)鍵作用，因此可以成為利用生物技術(shù)防治細(xì)菌病害的新靶標(biāo)。

1.2

以氨基酸或短肽類為信號分子的QS系統(tǒng)，主要存在于革蘭氏陽性細(xì)菌。這類化合物一般利用寡肽類分子(oligopep tides)作為信號分子。寡肽信號分子是以前體肽的形式合成，并且在細(xì)胞質(zhì)中由前導(dǎo)肽切割、加工而成，加工修飾后再由ABC (ATP-binding cassette)系統(tǒng)或者其他跨膜蛋白輸出。該群體感應(yīng)系統(tǒng)中細(xì)菌利用雙組分感應(yīng)蛋白對外界環(huán)境刺激進(jìn)行感應(yīng),并將信息傳遞給細(xì)胞,調(diào)控相關(guān)基因的表達(dá)。該信號的傳遞系統(tǒng)是通過對雙組分蛋白質(zhì)的磷酸化及去磷酸化機(jī)制進(jìn)行基因表達(dá)調(diào)控的。

1.3

兼具革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌的雙群體感應(yīng)系統(tǒng)，如哈氏弧菌( V.harveyi)的QS系統(tǒng)。該系統(tǒng)產(chǎn)生AHL類信號分子，但對它的檢測卻是一種類似革蘭氏陽性細(xì)菌的雙組分磷酸傳遞系統(tǒng)。目前還發(fā)現(xiàn)哈氏弧菌產(chǎn)生另一種信號分子，但現(xiàn)在普遍認(rèn)為，許多革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌都可以產(chǎn)生這種信號分子，這種信號分子產(chǎn)生依賴于一個被稱為LuxS的蛋白，它與具有特異性的AHLs和寡肽類信號分子不同，一般認(rèn)為這種信號分子是種間細(xì)胞交流的通用信號分子[4]。

2 群體感應(yīng)系統(tǒng)信號分子的檢測方法

信號分子作為細(xì)菌QS系統(tǒng)中的關(guān)鍵因子，是細(xì)菌之間的交談?wù)Z言。因此如何快速、準(zhǔn)確地測定細(xì)菌是否產(chǎn)生信號分子，以及產(chǎn)生的信號分子的種類、環(huán)境信號分子的消長變化成為研究細(xì)菌QS系統(tǒng)的重要手段。目前用于檢測細(xì)菌信號分子的方法主要包括物理學(xué)的檢測手段和微生物傳感菌檢測。

2.1 物理學(xué)的檢測手段

由于細(xì)菌產(chǎn)信號分子的濃度較低，一般使用高效液相色譜-技術(shù)來檢測、純化來自液體培養(yǎng)基的樣品，該方法不僅能夠定量還能鑒定信號分子的性質(zhì)。同時還可以通過連接質(zhì)譜、核磁共振來或紅外光譜來鑒定信號分子的結(jié)構(gòu)以及信號分子的性質(zhì)，不過其操作復(fù)雜，費(fèi)用昂貴等原因難以成為檢測信號分子的常規(guī)方法。

2.2 采用微生物傳感菌檢測法

微生物傳感菌的工作原理是人為地刪除某些細(xì)菌產(chǎn)生信號分子的功能性基因或使其不能產(chǎn)生信號分子，并且這些細(xì)菌本身含有LuxR類似的功能基因和其相應(yīng)的啟動子序列以及與其融合在一起的報告基因(如luxAB，lacZ，gfp等)，這時構(gòu)建的突變株便成為信號分子的生物感應(yīng)器。當(dāng)遇到外源信號分子時，報告基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)被啟動, 通過檢報告基因的活性便可以檢測信號分子的存在。比如McClean等[5]采用轉(zhuǎn)座子插入突變法破壞紫色桿菌(Chromobacterium violaceum)AHLs合成酶基因cviI和紫色桿菌素合成抑制基因而構(gòu)建的紫色桿菌突變株CV026，在含有外源的AHLs 培養(yǎng)基中培養(yǎng)CV026時, 紫色桿菌素可迅速產(chǎn)生。該傳感菌對C6-AHL最敏感, 還可以檢測其他中鏈信號[6]。

3 展望

微生物群體感應(yīng)系統(tǒng)的研究已成為微生物學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。QS系統(tǒng)是一種群體行為調(diào)控機(jī)制，使單細(xì)胞細(xì)菌能模仿多細(xì)胞生物,進(jìn)行一些作為單細(xì)胞個體所做不到的行為。隨著研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)QS系統(tǒng)參與調(diào)控細(xì)菌的多種生活習(xí)性以及各種生理過程,QS系統(tǒng)在病原菌與病原菌、病原菌與宿主之間有密切的關(guān)系，使其成為生物疾病防治和治療動植物病害的新突破口。我們可以針對細(xì)菌QS系統(tǒng)對細(xì)菌的某些功能進(jìn)行干擾或促進(jìn),從而達(dá)到有益于人類的目的，群體感應(yīng)調(diào)節(jié)研究具有巨大的潛在應(yīng)用價值。

[1]Whistler C A，Pierson L S.Repression of phenazine antibiotic production in Pseudomonas aureofaciens strain 3084 by RpeA[J].Bacteriology，2003(185)：3718-3725.

[2]Fuqua W C，Winans S C，Greenberg E P.Quorum sensing in bacteria：the LuxR-LuxI family of cell density-responsive transcriptional regulators[J].Bacteriol，1994，176(2)：269-275.

[3]Senadheera D，Cvitkovitch D G.Quorum sensing and biofilm formation by Streptococcus mutans[J].Adv Exp Med Biol，2008，631：178-188.

[4]Schauder S，Shokat K，Surette M G，et al.The LuxS family of bacterial autoinducers：biosynthesis of an novel quorumsensing singnal molecule[J].Mol Microbiol，2001，41(2)：463-476.

[5]McClean K H，Winson M K，F(xiàn)ish L，et al.Quorum sensing and Chromobacterium violaceum：exploitation of violacein production and inhibition for the detection of N-acylhomoserine lactones[J].Microbioogyl，1997，143：3703.

[6]DePalma A.Chiral chemistry is still evolving，driven by techniques and business demands[J].Genetic Engineering News，1997，17(18)：19-15