群体感应与细菌生理特性

群体感应与细菌生理特性

细菌分泌了一些小分子量的化学信号分子，以促进细菌个体之间的沟通，协调组织行为。这种现象被称为quans，q。细菌利用信号分子感知周围环境中自身或其他细菌的细胞群体密度的变化,并且信号分子随着群体密度的增加而增加,当群体密度达到一定阈值时,信号分子将启动菌体中特定基因的表达,改变和协调细胞之间的行为,呈现某种生理特性,从而实现单个细菌无法完成的某些生理功能和调节机制。20世纪70年代,研究海洋细菌费氏弧菌(Vibriofischeri)和哈氏弧菌(夏威夷弧菌;V.harveyi)生物发光现象发现群体感应。群体感应参与调控细菌的多种生活习性以及各种生理过程,如生物发光、质粒的接合转移、生物膜与孢子形成、细胞分化、运动性、胞外多糖形成等,尤其致病菌的毒力因子的诱导、细菌与真核生物的共生、抗菌药物与细菌素合成等与人类关系密切的细菌生理特性相关。笔者就QS机制、临床意义、医学前景做一简单综述。1q机制1.1革兰阳性菌的信号肽革兰阳性菌主要用翻译后修饰的寡肽物质作为QS信号分子,感应菌群密度和环境因子的变化,并将环境信息传递给双组分信号转导系统(TCS),后者再调控相关基因表达。AIP通常由5~17氨基酸组成,而氨基酸侧链通常含有修饰性基团,如异戊烯基基团(芽胞杆菌属)、硫内酯环(葡萄球菌属)。在细胞质中合成前体肽,然后经过加工、修饰并转运到细胞外环境中形成多个AIP。不同菌中前体肽的长度及组成差异较大,转录后加工增加了AIP的稳定性、特异性和功能性。AIP之间的细微差别提供了信号的特异性。当胞外的AIP达到阈浓度时可被菌体上的AIP识别系统识别。该识别系统为双组分磷酸激酶,与AIP结合后,引起激酶的组胺酸残基磷酸化,经过一个复杂的传递过程,最终使胞内受体蛋白的天冬氨酸残基磷酸化,磷酸化后的受体蛋白能与DNA特定靶位结合,从而调控靶基因的转录表达。不同革兰阳性菌其信号肽的结构也不同。由于与受体结合效率和AIP化学结构高度相关,通常大多数革兰阳性菌,还有部分革兰阴性菌利用该系统进行种内之间的联系。1.2群体感知的系统转导性因子革兰阴性菌QS信号分子,也被称为自诱导物(AI)-1(AI-1)。AHLs由一个疏水性的保守高丝氨酸内酯环的头部和一个亲水性的可变的酰胺侧链的尾部组成,可变的酰基链的尾部决定了AHLs多样性。AHLs间的差异主要体现在酰胺基侧链的有无和长短、酰胺链上的第3位碳原子上的取代基团差异(氢基、羟基或羰基)以及侧链有无一个或多个不饱和键。AHLs差异是在其合成过程中,即是由高丝氨酸结合了不同的酰基-酰基载体蛋白的酰基侧链形成的。AHLs带有短的酰胺侧链使其被动地进出细菌细胞壁,这与带有长的酰胺侧链的AHLs和AIP不同,后二者靠主动转运机制跨过细菌细胞膜。大多数革兰阴性菌,LuxI蛋白和LuxR蛋白参与到群体感应系统中。LuxI蛋白是自体诱导物合成酶,能够合成信号分子AHLs,LuxR蛋白是细胞质内自体诱导物感受因子,同时也是一种DNA结合转录激活元件,AHLs扩散到细胞外后,随着细胞密度的增加而积累,当这种信号密度积累到临界密度时就与LuxR结合,结合后的复合物能激活基因转录。由于LuxR蛋白仅结合特异性AHLs,那么LuxI/LuxR系统也主要用于种内间的群体感应。然而,能够结合几种AHLs的LuxR蛋白已有报道,例如,沙门菌属SdiA蛋白主要与细菌种间感应有关。1.3汉哈氏弧菌的产生20世纪90年代,在多个革兰阴性菌发现另外一套QS系统,该系统信号物质为由LuxS蛋白形成的自诱导物(AI)-2(AI-2),其主要成分为呋喃酮酰硼酸酯(furanosylborateester)。AI-2在50多种不同细菌中得到报道,包括革兰阳性菌和革兰阴性菌。哈氏弧菌,AI-2分子的受体是LuxP蛋白,LuxP-AI-2复合物结合到另一种蛋白LuxQ,后者含有包含一个传感器激酶区和反应调节区。当细菌密度低并且缺乏AI-2时,在LuxU中间蛋白的帮助下,LuxQ将LuxO磷酸化,反过来,磷酸化的LuxO激活了抑制荧光素酶操纵子转录的抑制蛋白的转录。当细菌密度过高时,AI-2的出现,促使LuxQ磷酸化酶活性降低,从而LuxO失活,这样导致LuxR介导荧光素酶的转录。哈氏弧菌与费氏弧菌LuxR构成有一定的区别。虽然在大多数肠道细菌,AI-2直接调节编码ABC转运系统的基因,这表明AI-2主要功能是参与代谢调节,但在群体感应系统中,AI-2还应该被认为是细菌间联系的“通用信号”。1.4不同肠道细菌对s系统的影响肠出血性大肠埃希菌(EHEC)引起食物源性严重肠道疾病、溶血性尿毒症综合征和血栓性血小板减少性紫癜的病原菌。EHEC动力、黏附力和毒力基因的表达受QS系统调控,其中由几种肠道细菌产生的特性还不是很清楚的自诱导物AI-3亦参与了调节。肾上腺素/去甲肾上腺素可以诱导EHEC相同毒力基因的表达,而AI-3的作用可以被肾上腺素受体拮抗剂抑制,因此可以认为AI-3与肾上腺素/去甲肾上腺素结构相似。另外,肾上腺素/去甲肾上腺素出现本身也可以作为QS信号。除EHEC的QseE/F系统外,在有些细菌QseB/C也被认为是AI-3和肾上腺素/去甲肾上腺素的受体。因此,肾上腺素受体在细菌群体感应中起重要的作用。2个别病原体的临床意义2.1细菌感染的影响金黄色葡萄球菌的agr(accessorygeneregulator,辅助基因调节蛋白)群体感应系统是革兰阳性菌中研究得最多的QS机制之一。测序分析,金黄色葡萄球菌agr可以分成4种不同类型,其中一种类型agr的AIPs可以抑制agr表达其他类型agr。溶血素、肠毒素、外毒素、酶以及一些表面蛋白的表达均受agr调控。因此,agr在金黄色葡萄球菌致病过程中起重要的作用。金黄色葡萄球菌的致病性是众所周知的,可以引起多种器官感染,也是目前医院感染重要的病原菌。低毒力菌株只引起个体的感染,而高毒力菌株导致感染长期存在,而且会引起迅速的暴发流行。研究表明高毒力菌株通常为agrⅣ型。研究还表明,agr缺失突变株可降低金黄色葡萄球菌引起心内膜、骨髓炎的能力。在动物感染中发现,牛乳腺感染的金黄色葡萄球菌与兔感染的金黄色葡萄球菌的毒力不相同,后者毒力较前者强。通过分析发现,牛乳腺感染的金黄色葡萄球菌主要是agrⅠ型,很少为agrⅡ型和Ⅲ型。agrⅠ型感染牛,表明该菌株在牛乳腺上皮细胞定植的能力强,在小鼠乳腺也发现大量该型细菌存在。agrⅡ型易在细胞外发现,且与生物膜的形成有关。有文献报道,耐青霉素金黄色葡萄球菌与agrⅠ型有一定的相关性。与铜绿假单胞菌不同的是,QS系统对金黄色葡萄球菌生物膜的形成调节为负调节,其中agr依耐性表达有助于生物膜的分离并在新的位点定植。金黄色葡萄球菌QS依赖性生物膜的分离有助于其扩散并造成慢性感染,这就可以解释为什么agr+与agr-在某些类型感染中相互作用,促进感染的发生、发展。2.2细菌群落的变化铜绿假单胞菌是重要的条件致病菌,由于对多种抗菌药物耐药其感染变得非常难治,一旦生物膜形成,抗菌药物的敏感性也要降低。该细菌可以在多种动物、多种组织感染,表明该菌的适应能力很强。铜绿假单胞菌多种毒力因子的表达至少受两种不同QS系统的调控,如Las和Rhl。生物膜的形成使铜绿假单胞菌感染的治疗变得相当困难,使细菌在动物、植物和惰性材料表面定植,导致细菌在周围环境中持续存在。另外,抗菌药物和宿主防御机制对生物膜内的细菌很难清除,这样也容易导致慢性感染而且抗菌药物治疗无效。由于铜绿假单胞菌在水中是普遍存在的,因此潮湿的物体表面有该菌定植并易形成生物膜。铜绿假单胞菌产生生物膜的能力与侵入性检查或移植感染有一定的相关性。该菌也是角膜溃疡、皮炎、中耳炎和尿路感染严重的、复杂的因素之一。QS系统与毒力基因的表达有关,有文献报道,铜绿假单胞菌缺乏Rh1QS系统一个或多个成分,就导致毒力因子蛋白的减少。有助于该菌定植的毒力因子受QS系统负调节,而有助于该菌清除的因子受Rh1正调节。作者认为,在感染前后获得的这些表型都是为了适应新的环境。最近研究表明,QS缺乏株之所以形成生物膜与其定植有一定的联系。进化生物学家也描述了在细菌群体中“欺骗”个体现象,这些所谓“欺骗者”是从相互合作的群体中受益。由于“欺骗者”不参与生物膜形成,与参与被膜形成的细菌存在竞争关系,因此这些细菌在这个群体中还是占主导地位。然而,当“欺骗者”占很大比例时将影响生物膜的稳定性,最后整个群体将瓦解。2.3关于sdia和ai-2沙门菌属有几种QS系统,含有LuxR类似物-SdiA,而不含LuxI类似物,而且不产生AHLs信号。这表明SdiA感受的是其他细菌所产生的AHLs信号,它通过这种方式感受肠道环境。SdiA调节各种不同功能的毒力基因的表达,如耐药基因、菌毛的表达。在小鼠,家禽或牛模型上,SdiA突变株,其毒力并没有减弱。在海龟肠道,依赖SdiA基因表达活性增强,而在多种恒温动物中却没有这种现象。因此,在沙门菌属致病过程中,SdiA的作用仍然不是很清楚。在鼠伤寒沙门菌中,luxS基因直接参与了AI-2的合成。LuxS、沙门菌属的AI-2和4,5二羟基-2,3-戊二酮(DPD)是沙门菌属产生毒力所必需的。LuxS缺失突变株在沙门菌属毒力岛-1毒力基因的表达严重减弱。这些基因是有效入侵肠道上皮细胞所必需的,而且是沙门菌属在多数动物中致病的关键。这些都表明沙门菌属仅仅通过产生SPI-1毒力因子,感染初期是安全的。真核细胞通过各种激素或激素类物质,如肾上腺素和去甲肾上腺素相互联系,然而这些物质可能被病原体如沙门菌属误用,从而定植到宿主细胞或诱导疾病的产生。儿茶酚胺可能通过两种机制刺激鼠伤寒沙门菌属:作为QS信号或铁离子供应体。可以感应去甲肾上腺素的沙门菌属QseCAI-3感应体与毒力的调节有关,如动力的调节。即使儿茶酚胺、神经递质或其他激素在沙门菌属致病过程中的作用的研究仍然不清楚,但对宿主产生的去甲肾上腺素反应能力提醒我们要注意潜在的食品安全。上述机制可能是沙门菌属在动物例如猪群体中突然暴发的原因之一。2.4菌株毒力基因表达方面的变化其他一些细菌,如枯草芽胞杆菌黑色变种芽胞、多杀巴斯德菌、大肠埃希菌、放线杆菌属(Actinobacillus)等细菌基因组也含有LuxS类似物,也能够产生AI-2类小分子。HistophilussomniQS系统与其致病性有关。MannheimiahaemolyticaLuxS缺失突变株虽然不能白细胞毒素的水平,但是却增加了P-V毒力基因表达水平,例如转特结合蛋白、黏附素等。有文献报道,胸膜肺炎放线杆菌luxS缺失突变株毒力显著性减弱,这与该株细菌主要的毒力因子apxIIA表达下调有关。有不少文献报道了EHEC感染发病机制中有关QS机制所起的作用。在体外luxS缺失突变的肠致病性大肠埃希菌(EPEC)毒力减弱,但是在感染动物模型中却发现毒力并没有减弱。虽然QS机制最初是在弧菌属中发现,但是现在还少有文献报道QS机制与毒力之间的关系。在其他一些细菌如产气荚膜梭菌,假结核耶尔森菌,空肠弯曲菌有关QS现象有文献报道,但是QS机制与毒力之间的关系还不是很清楚,有待进一步研究。3集体感知的医学前景3.1对冲突信号分子的检测由于细菌QS系统与其致病性有一定的关系,那么致病菌所产生的信号分子可能成为细菌感染诊断潜在的早期生物标志物。已有文献报道,利用各种信号分子的化学结构的不同,用不同的传感系统来检测这些信号分子。大多数对QS信号的检测都集中在对AHLs的检测,慢性肺纤维化的患者,AHLs信号分子与铜绿假单胞菌或洋葱伯克霍尔德菌慢性感染的形成有一定的联系。尽管检测QS系统方法很多,但仅有少数方法可以真正用于检测临床标本QS信号分子。大多数革兰阴性致病菌的AHLs可以在患者痰液、呼吸道脓性分泌物、肺、肝、脾匀浆以及粪便标本得到检测。肺移植患者即使临床肺功能稳定,没有细菌感染的迹象,支气管肺泡灌洗液可以检测长链AHLs。因此,QS信号分子的检测作为细菌感染早期诊断的一种方法值得关注。3.2保护细菌过程中的化合物在原核生物和真核生物范围内,QS抑制物的概念并不陌生。例如,有些金黄色葡萄球菌菌株分泌的自诱导物可以刺激自身QS系统,但对于其他菌株的QS系统却有交叉抑制效果,这样就可以在感染或定植位点排除异己。有些芽胞杆菌所产生的酰基高丝氨酸内酯激酶(acylhomoserinelactonaseenzyme)可以通过水解与其竞争细菌的AHLs内酯键使AHLs活性丧失。实际上,有些人类细胞株也可以使QS信号分子失活,这表明人类防御系统可能含有通过干扰QS系统来防止细菌感染的功能。QS抑制物虽然对对细菌的生长没有直接的效果,但可以减弱细菌的致病力,从而增加了病原菌对宿主防御功能的敏感性。大环内酯类有作为QS抑制物的潜力,虽然对于细菌的生长缺乏“纯粹”QS抑制物的效果,但相对“传统”抗菌药物有明显优势,因为QS抑制物的运用不会产生选择性压力而导致细菌发展为耐药。另外,在铜绿假单胞菌、金黄色