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1、第六章 微生物群体感应系统及其应用,课时：4 学时 授课方式：讲授讨论开课时间：2014年秋季学期,主要内容,群体感应的概念,群体感应的分子机制,群体感应的生物效应,群体感应的应用,群体感应的研究历史,群体感应的定义,群体感应(quorum sensing,QS)微生物间通过分泌、释放一些特定的信号分子，感知浓度变化，监测菌群密度、调控菌群生理功能，从而适应环境条件的一种信号交流机制，又称细胞交流或自诱导(Auto-induce)群体感应调节细菌释放自诱导物质(Auto-inducer,AI)的信号分子临界浓度时，AI能启动菌体相关基因的表达，调控细菌的生物行为（产生毒素、生物膜、抗生素、孢子
2、、荧光等），使其调节自身行为以适应环境变化感应现象在细菌密度达到一定阈值 后发生，这一现象也被称为细胞密 度基因表达(cell density dependent control of gene expression),群体感应调节示意图,信号分子,临界浓度,基因表达,生物行为调节,群体感应的定义,QS信号分子特点,分子量小：如酰基-高丝氨酸内酯(AHL)衍生物、寡肽等，能自由进出细胞或通过寡肽通透酶分泌到环境种属特异性：一种细菌调节蛋白能响应多种信息素，已建立多种革兰氏阴性菌信息素检测系统依赖生长期和细胞密度：对数期或稳定期在环境中积累达到较高浓度，其所调节的基因表达量最大细菌感染调控：许多
3、信息素产生菌是动植物致病菌或共生菌，它在细菌和宿主之间的相互作用中起着重要的调控作用兼具抗生素活性：Lactococcus lastis产生的乳链球菌素nisin，既作为信息调节细胞生物合成和免疫基因的表达，也拮抗其他微生物；植物乳球菌(L.plantarum)产生的植物乳杆菌素A也有信息素和抗生素的双重活性,群体感应的定义,QS信号分子分类,(1)革兰氏阳性菌中多肽AIP(2)革兰氏阴性菌的AHL/AI-1型(3)LuxS/AI-2型(4)AI-3/肾上腺素/去甲肾上腺素,群体感应的定义,1970年，Nealson等首次发现费式弧菌（Vibrio fischeri）的生物发光现象 V.fis
4、cheri与某些海生动物共生，宿主利用其发光扑获食 物、躲避天敌，同时V.fischeri获得营养丰富的环境 1983年，Engebrecht等找到了费式弧菌群体感应的相关 基因和群体模型,群体感应的研究进展,20世纪90年代初，QS研究开始大部分细菌均有两套群体感应系统：一套用于种内信息交流，一套用于种间信息交流QS调节细菌的生理功能：如生物发光、毒素的产生、质粒的转移、根瘤菌的结瘤、抗生素合成QS调控细菌的多种生活习性：如质粒的接合转移、生物膜形成、孢子形成、细胞分化、运动性、胞外多糖形成QS参与致病菌的毒力因子诱导、细菌与真核生物的共生、抗生素与细菌素合成等与人类关系密切的细菌生理特性,
5、群体感应的研究进展,了解单细胞微生物的信息交流与行为特性关系，建立化学信号物质和生理行为的联系，例如：,龋齿周围生物膜形成参与的菌种，所有细菌均参与群体感应,Nature Reviews,Biotechnology,群体感应的研究意义,通过人为干扰或促进微生物群体感应而调控某种功能，在环境科学和工程研究中意义重要,群体感应可以促进胞外聚合物(EPS)中胞外DNA(eDNA)的大量释放，产生的eDNA促进细胞间和细胞与表面的互联，促使生物膜有效形成研究表明，可通过有效抑制破坏胞外聚合物的eDNA，抑制生物膜形成,Environmental Microbiology Reports(2013)5(
6、6),778786,群体感应的研究意义,群体感应(quorum sensing,QS),种内QS系统,种间QS系统,G-菌QS系统,G+菌QS系统,QS 系统分类,群体感应的分子机制,革兰氏阴性菌QS系统LuxI-AHL型,自诱导分子：脂肪酰基高丝氨酸内酯（acyl homoserine lactones,AHL）AI合成蛋白（LuxI蛋白酶）：可催化带有酰基载体蛋白的酰基侧链与S-腺苷蛋氨酸上的高丝 氨酸结合生成AHL受体（LuxR蛋白酶）：AHL与 IuxR蛋白结合为浓度依赖型；无AHL时，LuxR无活性，且很快被降解掉,群体感应的分子机制,革兰氏阴性菌QS系统LuxI-AHL型,AHL可
7、自由出入细胞体内外细胞达到一定密度，信号分子接近浓度阈值信号分子通过细胞膜的方式：自由扩散,群体感应的分子机制,革兰氏阴性菌QS系统LuxI-AHL型,AHL-LuxR复合物作为转录因子，激活目标基因的表达还可激活LuxI的表达，形成级联放大正反馈反应,群体感应的分子机制,革兰氏阴性菌QS系统LuxI-AHL型,AHL合成及LuxR结合作用示意图,群体感应的分子机制,革兰氏阴性菌QS系统LuxI-AHL型,不同革兰阴性菌的LuxI-AHL型QS系统有所差别，其AHL类自诱导剂都以高丝氨酸为主体，差别只是酰基侧链的有无、侧链的有无及侧链的长短不同费式弧菌 LuxI-LuxR 型QS系统 示意图,
8、群体感应的分子机制,革兰氏阴性菌QS系统LuxI-AHL型,常见的AHL分子及其功能,群体感应的分子机制,革兰氏阳性菌的QS系统AIP-TCS三组分系统,信号分子：AIP（autoinducing peptides，自诱导肽）AIP前体肽经转录一系列修饰加工，在不同细菌中形成长短不同、稳定特异的AIP双组份信号交换系统：Two-component signal transduction system,TCSTS),群体感应的分子机制,革兰氏阳性菌QS系统AIP-TCS三组分系统,AIP通过细胞膜的方式：ABC（ATP binding cassette）转运系统,群体感应的分子机制,革兰氏阳性菌
9、QS系统ATP-TCS三组分系统,金黄色葡萄球菌的双组份QS系统,AIP 分子由体内产生前导肽AgrD 蛋白加工，被膜通道蛋白AgrB加工为短肽信号分子，由ABC输出系统输出，被AgrC TCSTS识别，引起毒性因子表达,群体感应的分子机制,种间QS系统AI-2介导的通信,信号分子：AI-2（呋喃酰硼酸二酯类化合物）此类信号分子在G+菌和G-菌中均存在费式弧菌AI-2受体是周质结合蛋白LuxPAI-2产生依赖于一种LuxS蛋白质细菌识别AI-2分子方式与革兰式阳性菌中双组分识别系统一致，即双组份激酶识别AI-2分子后把磷酸化基团传递给受体蛋白并启动相关基因表达,群体感应的分子机制,种间QS系统
10、AI-2介导的通信,群体感应的分子机制,种间QS系统AI-2介导的通信,群体感应的分子机制,QS系统的特点多样性,信号分子分布多样性：细菌种内、种间；细菌与植物、动物间信号分子产生机制多样性：G-菌信号分子合成酶，G+菌前体，经蛋白酶切割信号分子运输多样性：G+菌ABC转运系统，G-菌直接透过细胞膜信号多样性：G+菌双组份信号转导系统；G-菌受体蛋白,信号分子功能复杂性：有的QS系统信号分子不仅作为环境信号，而且具有其他功能（如某些乳酸菌QS系统的信号分子具有抗菌活性）系统组成复杂性：在V.harveryi中发现与众不同的QS系统，该信号分子系统与G-菌相似，而信号分子的识别与G+菌相似QS系
11、统之间关系复杂性：多种QS系统构成复杂的调控网络，如P.aeruginosa中含有3个QS系统,QS系统的特点复杂性,群体感应的分子机制,生物发光,生物膜形成,致病因子产生,抗生素合成,毒力因子诱导,细菌宿主侵袭,孢子形成,不同种属竞争,细菌运动,群体感应的生物效应,生物发光（例1：海洋细菌用光引诱浮游动物和鱼）,细菌发光吸引浮游生物（摄食细菌但不能消化细菌），继续在浮游动物肠道内发光，透露了浮游动物的存在夜行鱼容易检测到发光浮游动物并吃掉它们，发光细菌继续存活在鱼肠道,PNAS,109(3),853-857,2012,浮游动物被细菌光辉吸引并食用发光物质与它们的生存本能矛盾，增加了被鱼攻击与
12、吞食的机会，调节细菌生物发光的群体感应现象能解释这项发现浮游动物知道，水中光暗示存在有表面长有细菌的丰富有机物在漆黑深海中，食物数量非常有限，因此，值得浮游动物冒在接触并吞食具发光细菌粒子使自己发光的风险，因为难得找到食物的诱惑要比将自己暴露于相对罕见食性鱼类的危险大得多,群体感应的生物效应,生物发光（例1：海洋细菌用光引诱浮游动物和鱼）,（左）室温下和（右）黑暗中拍摄到的接触并摄食发光细菌的浮游微生物,几种浮游微生物被发光细菌吸引的平均比例,被捕食的发光（黑色）和不发光（无色）的浮游生物平均数量,（左）室温下和（右）黑暗中拍摄到的食用发光细菌后浮游生物的排泄物,PNAS,109(3),853
13、-857,2012,群体感应的生物效应,生物膜形成调控（例2：帮助细菌扩大地盘）,铜绿假单胞菌，是一种常见的革兰氏阴性致病菌，群体感应系统可以使其感知环境中菌群数量，并做出及时反应酰基高丝氨酸在许多变形细菌中扮演着群体感应信号的角色，而该信号常常可以控制细菌进行群体的致病性等活性绿脓杆菌的群体感应系统调节子发生改变，会对绿脓杆菌的菌落生态学有明显影响研究者测定了群体感应系统调节基因的编码特征和细菌分离的生态环境之间的关系，结果表明，群体感应系统在细菌进行栖息地延伸的过程中扮演着重要角色为理解细菌的致病性以及难根除的感染性疾病机制提供了新思路,PNAS,2012,群体感应的生物效应,生物膜形成调
14、控（例2：帮助细菌扩大地盘）,PNAS,2012,P.Aeruginosa 和生态环境分离菌的群感基因相互关系韦恩图,4种环境分离菌基因调控相互关系图,群感活性基因的表达,群体感应的生物效应,对宿主侵袭和定植（例3：霍乱弧菌的侵袭和定植）,霍乱弧菌：菌体少量时，有利于早期定植，之后细胞密度增大，信号分子浓度增高，HapR表达，有利于病原体的释放,群体感应的生物效应,宿主侵袭和定植(例4：宿主致病体系中群体感应社会生物学),Current Biology,24(20),2417-2422,2014,微生物通过分泌物质来实现与相邻细胞的合作，这些物质包括群感分子和相应激活的毒力因子自然系统中，这些
15、分泌物质可被无效突变体利用，但是无效突变体（数量与规模）无法与有效菌群抗争研究表明，QS淬灭剂可在临床有效应用而不影响毒力进化,群体感应的生物效应,细菌群集运动群集运动是指细菌以群体方式在培养基表面由接种点向周围进行的依赖鞭毛的迁移运动QS通过调控鞭毛操纵子FIHDC而调节细胞群集运动细胞群集决定了FIHDC蛋白的活化，是全面调节鞭毛和运动相关的趋化作用基因,群体感应的生物效应,群体感应的应用,病原菌诊断根据QS信号分子特异性：是否产生、种类、环境信号分子消长变化物理学的检测手段和微生物传感菌检测,新的抗菌策略降解/抑制信号分子：产生可以使AHL灭活的AHL酶使用信号分子类似物：产生病原菌信号
16、分子类似物，阻断病原菌QS系统,环境污染修复控制生物膜形成：防止生物淤积、管道腐蚀、水体污染环境污染修复：功能菌群体感应有效竞争其他微生物,群体感应的应用,控制生物膜形成（例1：调节废水处理反应器运行）,通过调节群体感应、控制生物膜形成和生物淤积、提高反应器运行效果和寿命,ES&T,43,380-385,2009,生物淤积会导致膜生物反应器流动性差、堵塞、寿命减低生物淤积的成因为生物膜的大量形成研究提出通过添加群体感应信号分子分解物质，使群感系统活性降低，来控制生物淤积，提高反应器运行效果和寿命,群体感应的应用,控制生物膜形成（例1：调节废水处理反应器运行）,ES&T,43(2),380-38
17、5,2009,反应器内不同时间段检测的AHL信号分子,添加酰基转移酶（信号分子分解剂）的膜压变化；添加转移酶后信号分子的培养情况,群体感应的应用,控制生物膜形成（例2：调节废水处理反应器运行）,Water research,47,187-196,2013,将酰基分解酶固定于膜反应器中(QQ-MBR)，EEM荧光图谱显示生物膜EMP,LB/TB-胞外分泌物以及膜污垢含量大大低于未固定群体感应猝灭剂的反应器（Control-MBR）,群体感应的应用,控制生物膜形成（例2：调节废水处理反应器运行）,Water research,47,187-196,2013,群体感应淬灭反应器中，运行效果未受任何影
18、响由于对生物膜的破坏，生物淤积得到明显控制，添加淬灭剂的反应器（QQ-MBR）水阻力指标远小于未添加的,群体感应的应用,生物修复(例3：信号分子参与苯酚分解转化）,研究发现，Pseudomonas aeruginosa CGMCC 氧化分解苯酚等一些列芳香族化合物时，释放出群体感应信号分子AHL研究对分解过程产生的AHL类型进行一系列分析鉴定,薄层液相色谱分析AHL类型,Process Biochemistry,45,1944-1948，2010,HPLC-MS-MS分析AHL的类型,群体感应的应用,生物修复(例3：信号分子参与苯酚分解转化）,研究发现，外加合成的AHL有效促进苯酚的分解过程，
19、说明AHL参与了污染物的分解,Process Biochemistry,45,1944-1948，2010,添加合成的AHL对苯酚分解影响（图为50小时的分解效果）,群体感应的应用,生物修复(例4：厌氧氨氧化细菌群体感应系统）,厌氧氨氧化细菌（AAOB）以铵为电子供体将亚硝酸盐转化为氮气活性密度依赖行为：AAOB厌氧氨氧化纯培养不可能；细胞密度高于1010-1011 个/mL 时，AAOB才显现出Anammox 活性生物团聚行为：以微生物团聚体形式存在，出现抱团解散现象推断AAOB具有群体感应系统,厌氧氨氧化菌团聚体,生态学报,32(8),2012,群体感应的应用,推断的厌氧氨氧化菌活性的细胞
20、密度依赖型群感系统,推断的厌氧氨氧化菌活性的生物团聚型群感系统,是细胞交流的一种方式，对某些基因表达有开关作用群感系统可使AAOB更好的抢占资源与空间，环境中处于优势硝化菌、反硝化菌及AAOB具有共同基质及重叠生态位。AAOB通过群感实现聚集，在空间和数量上取得优势,生物修复(例4：厌氧氨氧化细菌群体感应系统）,群体感应的应用,生物修复(例5：调控BES系统中假单胞菌产电),Electrochemistry communications,12,459-462,2010,研究报道群感系统调控利用阳极呼吸的细菌Pseudomonas aeruginosa在生物电化学系统产电调控机理为群感系统控制吩嗪产生，吩嗪介导了菌体与电极之间的电子传递,菌体群感系统产生机制与外界系统的相互关系,群体感应的应用,Biosensors and Bioelectronics,30,87-92，2011,研究发现Pseudomonas aeruginosa 在不同的群体感应系统中利用不同的氧化还原中介体通过基因超标达，使用吩嗪为电子中介体，产电量增加了1.6倍,生物修复(例5：调控BES系统中假单胞菌产电),群体感应的应用,问题？,有关群体感应的研究尚处于起步阶段，其作用机制、作用规律以及在医学和环境污染处理领域的应用潜力有待于进一步探索和发现,
