第6章群体感应系统

1、第六章第六章 微生物群体感应系统及其应用微生物群体感应系统及其应用主要内容主要内容 分子量小：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：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：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：细菌感染调控：许多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：兼具抗生素活性：Lactococcus lastis产生的乳链球菌素

2、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(1) 革兰氏阳性菌中多肽革兰氏阳性菌中多肽AIP (2) 革兰氏阴性菌的革兰氏阴性菌的AHL/AI-1型型(3) LuxS/AI-2型型 (4) AI-3/ 肾上腺素肾上腺素/去甲肾上腺素去甲肾上腺素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 Mic

3、robiology Reports (2013) 5(6), 778786 QS 革兰氏阴性革兰氏阴性QSLuxI-AHL革兰氏阴性革兰氏阴性QSLuxI-AHL革兰氏阴性革兰氏阴性QSLuxI-AHL革兰氏阴性革兰氏阴性QSLuxI-AHL革兰氏阴性革兰氏阴性QSLuxI-AHL革兰氏阴性革兰氏阴性QSLuxI-AHL革兰革兰氏阳性氏阳性QSAIP-TCS革兰氏阳性革兰氏阳性QSAIP-TCS革兰氏阳性革兰氏阳性QSATP-TCSAIP 分子由分子由体内产体内产生前导肽生前导肽AgrD 蛋白蛋白加工加工，被膜通道被膜通道蛋白蛋白AgrB加工为短肽加工为短肽信号分子，信号分子，由由ABC输出系

4、统输输出系统输出出，被，被AgrC TCSTS识别，引起毒性因子表达识别，引起毒性因子表达 种间种间QS系统系统AI-2介导的通信介导的通信 种间种间QS系统系统AI-2介导的通信介导的通信 种间种间QS系统系统AI-2介导的通信介导的通信 QS系统的特点系统的特点多样性多样性 QS系统的特点系统的特点复杂复杂性性 生物发光生物发光（例（例1：海洋细菌用光引诱浮游动物和鱼）：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 浮游动物被细菌光辉吸引并食用

5、发光物质与它们的生存本能矛盾，增加了被鱼攻击与吞食的机会，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 生物发光生物发光（例（例1：海洋细菌用光引诱浮游动物和鱼）：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

6、拍摄到的食用发光细菌后浮游生物的排泄物 生物膜形成生物膜形成调控调控（例（例2：帮助细菌扩大地盘）：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www.

7、/cgi/doi/10.1073/pnas.1214128109 生物膜形成生物膜形成调控调控（例（例2：帮助细菌扩大地盘）：帮助细菌扩大地盘）/cgi/doi/10.1073/pnas.1214128109 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 对宿主侵袭和定植对宿主侵袭和定植（例（例3：霍乱弧菌的侵袭和定植）：霍乱弧菌的侵袭和定植） 宿主侵袭和定植宿主侵袭和定植(例例4：宿主致病体系中群体感应社会生物学：宿主致病体系中群体感应社会生物学) 微生物通过分泌物质来实现与相邻

8、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 细菌细菌群集群集运动运动 病原菌诊断病原菌诊断 新的抗菌策略新的抗菌策略 环境污染修复环境污染修复 控制生物膜形成（控制生物膜形成（例例1：调节废水处理反应器运行：调节废水处理反应器运行） 控制生物膜形成（控制生物膜形成（例例1：调节废水处理反应器运行：调节废水处理反应器运行） 控制生物膜形成（控制生物膜形成（例例2：调节废水处理反应器运行：调节废水处理反应器运行） 控制生物膜形成（控制生物膜形成

9、（例例2：调节废水处理反应器运行：调节废水处理反应器运行） 生物修复 (例例3：信号分子参与苯酚分解转化）：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 生物修复生物修复 (例例3：信号分子参与苯酚分解转化）：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，说明AHL参与了污染物的分解添加合成的AHL对苯酚分解影响（图为50小时的分解效果） 生物修复生物修复 (例例4：厌氧氨氧化细菌厌氧氨氧化细菌群体

10、感应系统）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 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 生物修复生物修复 (例例4：厌氧氨氧化细菌厌氧氨氧化细菌群体感应系统）群体感应系统） 生物修复生物修复 (例例5：调控：调控BES系统中假单胞菌产电系统中假单胞菌产电) 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 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