細菌間的交流方式——密度感應

胡金樹,朱一堂 綜述,趙建宏 審校

(1.滄州市中心醫院檢驗科,河北滄州061001;2.河北醫科大學第二醫院河北省臨床檢驗中心,河北050000)

多年來,細菌被認為是簡單的有機體,相互間的聯系只限于新陳代謝方面,即一個細菌利用另一細菌的代謝產物。然而近十多年的研究發現細菌間能互相溝通交流,這個過程就是密度感應(quorum sensing,QS)。1994年Fuqua[1]等提出QS的概念:細菌通過感知周圍“同伴”的存在和其群體的密度,并在達到一定的密度時來調控自身特定的基因活化與表達,進而表現出一系列行為。

1 QS的概念

密度感應系統(quorum sensing,QS)是一種細胞密度依賴性的細菌胞間信號傳遞系統,通過這種機制細菌可以協調基因的表達,從而使細菌可以適應環境、產生毒力因子等,使細胞的活動具有組織性,成為類似于多細胞生物的群體性活動。

密度感應以細菌自身合成、可擴散的小分子物質為信號分子,其濃度隨細菌密度的增加而增加,當達到閾值濃度時,激活了靶位的傳感激酶或應答調節器,導致相關基因表達,在此過程中群體的基因表達得到了強化[2]。

2 QS的作用機制

QS作為細菌間交流的工具語言,精密地調節著細菌間的行為?；魜y弧菌的信號傳遞路徑中包括4個同源小分子 RNAs(sRNAs),分別為密度調節RNAs 1-4(Qrr1-4)。這四個sRNAs在功能上相對重疊,每個都具有執行密度感應的功能。其中兩個反饋環具有協同作用,一個包括sRNA的激活劑LuxO,一個包括sRNA的靶標HapR。在四個Qrr基因中,通過基因劑量補償效應調節著四個 sRNA池,使Qrr1-4維持在一定水平,基因劑量補償機制十分敏感,即使Qrr有微小的波動,也能起作用。這一機制對于由密度感應控制的靶位基因在特定時間、特定模板的表達方面有重要作用[3]。

哈維弧菌的密度感應網有三個自誘導子(autoinducer),每個都能編碼獨特的生物信息,通過實驗得知了密度感應輸入輸出環路間的關系。為了排除輸入信號間的干擾,在細菌信號整合網絡的結構上附加嚴格的限制條件,通過自誘導子產物的操縱和受體數目比例的反饋來盡量減少干擾[4]。用單細胞熒光顯微鏡研究哈維弧菌的QS,量化了發送信號的自誘導子,分析了多個自誘導子的整合,證明兩個不同的自誘導子AI-1和AI-2共享一個磷酸途徑,從而整合在一起。由此推斷:多個自誘導子參與時,當細菌在不斷增多的情況下,在不同發展階段可同時進行基因表達[5]。

3 QS在生物界的作用

許多與密度感應相聯系的基因存在于可傳播的質?；蛑虏u中。密度感應調節網控制的基因是細菌基因組的5%到25%不等。密度感應調節著廣泛的生理過程和多種信號分子,包括次級代謝、共生、質粒傳遞、生物被膜形成和許多細菌的毒力等。

細菌生物被膜產生的信號分子當被有生殖能力的綠色海草游動孢子發現后,其游動速率減弱,在有高絲內酯氨酸的區域聚集后,鈣離子流入游動孢子,導致其它生理活動的發生[6]。密度感應系統可以調節細菌的群體行為,最好例子是生物被膜的形成。密度感應行為的變化和慢性生物被膜疾病有關,生物被膜中各種力量的平衡關鍵在于密度感應的變化[7]。革蘭陽性細菌的短肽是密度感應的信號分子。Dunny描[8]述了由密度感應控制的抗生素耐藥質粒pCF10的傳播,其中信號分子短肽控制的調控環路參與了保持質粒和細菌毒力。

密度感應能抑制宿主的先天免疫應答,通過用銅綠假單胞菌的野生株和不能產生4-hydroxy-2-alkylquinolines(HAQs)的兩個突變株培養物的提取液進行試驗,發現突變株的提取液具有對腫瘤壞死因子A和白細胞介素6等細胞分裂產物很強的刺激活性,而野生株的提取物中未發現該作用。加入HHQ(4-hydroxy-2-heptylquinoline)和 PQS(Pseudomonas quinolone signal)后,此作用消失。HHQ和PQS使NF-kappaB(nuclear factor-kappaB)與結合點的結合力降低,而且減少了NF-kappaB靶位基因的表達[9]。QS的信號分子對精子有影響,白色念珠菌和銅綠假單胞菌的3-oxododecanoyl-l-homoserine lactone通過鈣離子依賴機制誘發精子的多種損傷,如活動力下降、死亡和對受精有重要作用的精子帽狀結構丟失等[10]。

4 QS的臨床潛在價值

細菌與真核微生物緊密聯系大約10億到20億年了,密度感應不但在同種細菌間、不同種細菌、而且在細菌和高等生物間也存在。通過對QS的深入研究,可以治療密度感應相關疾病。許多細菌利用密度感應機制在宿主中生存并感染宿主,據此就可能找到一種消滅引起人類、動物和植物疾病的新方法。

當細菌的密度感應基因有缺陷時,細菌的毒力會大大減弱。根癌土壤桿菌的密度感應基因缺陷減少了植物破損處冠嬰瘤的形成[11]。

隨著細菌耐藥性的增加,現急切需要一種替代品去消滅病原菌。所以有人[12]建議通過抑制包括密度感應在內的信號分子、滅活酶的活性來治療感染疾病。當銅綠假單胞菌以生物被膜的形式存在時,臨床上治療非常困難。研究已經闡明了有很多影響毒力的因素,涉及到許多受環境條件影響的成分。其中密度感應是一個關鍵的調節系統,降解密度感應信號分子N-酰基高絲氨酸內酯(N-acylhomoserine lactone,AHL)將成為治療銅綠假單胞菌的新觀點[13]。細菌病原體用密度感應語言去決定什么時候攻擊宿主,因此利用合成人工信號分子來干擾細菌之間的交流過程已成為研究熱點[14]。Bjarnsholt等發現了一些天然化合物能高效阻斷密度感應系統,雖不能殺死細菌,但能減弱細菌感染[15]。QS的抑制因子包括天然的和人工合成的物質,分為三類:非肽類小分子、肽類和蛋白質。這些物質通過抑制信號產生、阻斷信號接收和干擾QS的信號起作用,對多重耐藥菌是很好的治療思路[16]。

總之,隨著對QS的深入研究,人類對細菌的生存方式和與感染性疾病關系的認識越來越廣泛,理解越來越深刻。在此基礎上,將會有跟多治療疾病的新觀點出現,QS在疾病中的作用日益突出,圍繞著QS,將會有更多的問題等待有興趣的人來研究。

[1]Fuqua WC,Winans SC,Greenberg EP.Quorum sensing in bacteria:the LuxR-Lux Ifamily of cell density-responsive transcriptional regulators[J].JBacteriol,1994,176(2):269.

[2]Williams P,Winzer K,Chan W,et al.Look who’s talking:communication and quorum sensing in the bacterialworld[J].Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci,2007,362(1483):1119.

[3]Svenningsen SL,Tu KC,Bassler BL.Gene dosage compensation calibrates four regulatory RNAs to control Vibrio cholerae quorum sensing[J].EMBO J,2009,28(4):429.

[4]Mehta P,Goyal S,Long T,etal.Information processing and signal integration in bacterial quorum sensing[J].Mol Syst Biol,2009,5:325.

[5]Long T,Tu KC,Wang Y,et al.Quantifying the Integration of Quorum-Sensing Signalswith Single-Cell Resolution[J].PLoSBiol,2009,7(3):e68.

[6]Joint I,Tait K,Wheeler G.Cross-kingdom signalling:exploitation of bacterial quorum sensing molecules by the green seaweed Ulva[J].Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci,2007,362(1483):1223.

[7]Nadell CD,Xavier JB,Levin SA,et al.The Evolution of Quorum Sensing in Bacterial Biofilms[J].PLoSBiol,2008,6(1):e14.

[8]Dunny GM.The peptide pheromone-inducible conjugation system of Enterococcus faecalisplasmid pCF10:cell cell signalling,gene transfer,complexity and evolution[J].Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci,2007,362(1483):1185.

[9]Kim K,Kim YU,Koh BH,et al.HHQ and PQS,two Pseudomonasaeruginosa quorum-sensingmolecules,down-regulate the innate immune responses through the nuclear factor-kappaB pathway[J].Immunology,2009,Sep 11.

[10]Rennemeier C,Frambach T,Hennicke F,et al.Microbial quorum-sensing molecules induce acrosome loss and cell death in human spermatozoa[J].Infect Immun,2009,77(11):4990.

[11]White CE,Winans SC.Cell-cell communication in the plant pathogen A-grobacterium tumefaciens[J].Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci,2007,362(1483):1135.

[12]Dong YH,Wang LH,Zhang LH.Quorum quenchingmicrobial infections:mechanisms and implications[J].Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci,2007,362(1483):1201.

[13]Girard G,Bloemberg GV.Central role of quorum sensing in regulating the production of pathogenicity factors in Pseudomonas aeruginosa[J].Future Microbiol,2008,3(1):97.

[14]Hodgkinson JT,Welch M,Spring DR.Learning the language of bacteria[J].ACSChem Biol,2007,2(11):715.

[15]Bjarnsholt T,Givskov M.Quorum-sensing blockade as a strategy for enhancing host defencesagainst bacterial pathogens[J].Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci,2007,362(1483):1213.

[16]Pan J,Ren D.Quorum sensing inhibitors:a patent overview[J].Expert Opin Ther Pat,2009,19(11):1581.