細菌群體感應系統信號分子的分類及檢測

張彩鳳

（河北省衡水學院生命科學學院 河北衡水 053000）

細菌群體感應系統的研究，已成為國內外研究的熱點。革蘭氏陽性細菌及陰性細菌都通過群體感應與周圍環境進行信息交流，現已知QS系統參與許多細菌重要的生物學功能調節，如生物的發光、抗生素的合成、質粒的結合轉移、病原細菌胞外酶與毒素的產生、生物群游現象以及生物膜形成、根瘤菌與植物共生等等[1]。近年來，作為重要調控的細菌QS系統，是否還具有其他生物學功能成為生物學界的熱門研究課題之一。

1 目前根據細菌合成的信號分子及其感應機制的不同，QS系統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，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蛋白是細胞內自體誘導物的受體蛋白，當外界AHL濃度達到一定閾值時，LuxR蛋白就會與AHL結合，形成的LuxR-復合物能夠激活某些生物學特性的基因表達[2]。每分子的LuxR類蛋白結合一分子自體誘導物后,能與特異的靶基因啟動子結合,從而激活目的基因的轉錄；LuxI蛋白是自體誘導物合成酶，合成AHL信號分子。由于其結構的不同，AHLs呈多樣化，其區別在于它們是由相同的內酯環連接不同長度的酰基化的高絲氨酸側鏈，并且AHL的產生和檢測分別依賴于LuxI類的合成酶及LuxR類的結合轉錄激活蛋白[3]。

細菌AHL-群體感應系統參與病原菌的發病，并發揮著關鍵作用，因此可以成為利用生物技術防治細菌病害的新靶標。

1.2

以氨基酸或短肽類為信號分子的QS系統，主要存在于革蘭氏陽性細菌。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，并且在細胞質中由前導肽切割、加工而成，加工修飾后再由ABC (ATP-binding cassette)系統或者其他跨膜蛋白輸出。該群體感應系統中細菌利用雙組分感應蛋白對外界環境刺激進行感應,并將信息傳遞給細胞,調控相關基因的表達。該信號的傳遞系統是通過對雙組分蛋白質的磷酸化及去磷酸化機制進行基因表達調控的。

1.3

兼具革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌的雙群體感應系統，如哈氏弧菌( V.harveyi)的QS系統。該系統產生AHL類信號分子，但對它的檢測卻是一種類似革蘭氏陽性細菌的雙組分磷酸傳遞系統。目前還發現哈氏弧菌產生另一種信號分子，但現在普遍認為，許多革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌都可以產生這種信號分子，這種信號分子產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，一般認為這種信號分子是種間細胞交流的通用信號分子[4]。

2 群體感應系統信號分子的檢測方法

信號分子作為細菌QS系統中的關鍵因子，是細菌之間的交談語言。因此如何快速、準確地測定細菌是否產生信號分子，以及產生的信號分子的種類、環境信號分子的消長變化成為研究細菌QS系統的重要手段。目前用于檢測細菌信號分子的方法主要包括物理學的檢測手段和微生物傳感菌檢測。

2.1 物理學的檢測手段

由于細菌產信號分子的濃度較低，一般使用高效液相色譜-技術來檢測、純化來自液體培養基的樣品，該方法不僅能夠定量還能鑒定信號分子的性質。同時還可以通過連接質譜、核磁共振來或紅外光譜來鑒定信號分子的結構以及信號分子的性質，不過其操作復雜，費用昂貴等原因難以成為檢測信號分子的常規方法。

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菌產生信號分子的功能性基因或使其不能產生信號分子，并且這些細菌本身含有LuxR類似的功能基因和其相應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)，這時構建的突變株便成為信號分子的生物感應器。當遇到外源信號分子時，報告基因的轉錄表達被啟動, 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建的紫色桿菌突變株CV026，在含有外源的AHLs 培養基中培養CV026時, 紫色桿菌素可迅速產生。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

微生物群體感應系統的研究已成為微生物學領域的研究熱點之一。QS系統是一種群體行為調控機制，使單細胞細菌能模仿多細胞生物,進行一些作為單細胞個體所做不到的行為。隨著研究的不斷深入，人們發現QS系統參與調控細菌的多種生活習性以及各種生理過程,QS系統在病原菌與病原菌、病原菌與宿主之間有密切的關系，使其成為生物疾病防治和治療動植物病害的新突破口。我們可以針對細菌QS系統對細菌的某些功能進行干擾或促進,從而達到有益于人類的目的，群體感應調節研究具有巨大的潛在應用價值。

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