AI-2信號分子及其在口腔微生物中的研究進展

羅安勇 陳萬英

（中國十九冶集團有限公司職工醫院口腔科，四川 攀枝花 617000）

AI-2信號分子及其在口腔微生物中的研究進展

羅安勇 陳萬英

（中國十九冶集團有限公司職工醫院口腔科，四川 攀枝花 617000）

在自然狀態下口腔中種類繁多的細菌以生物膜（biof i lm）的形式生活。它們彼此混合生長、共同生存，想要保持菌群的構成比始終平衡，就需要對菌種的信號進行高效傳導。近年來的研究發現AI-2群體感應信號分子是口腔中細菌與細菌之間的信號傳導的一種重要分子。本文就AI-2信號分子及其在口腔微生物中的研究進展做一綜述。

AI-2；群體感應；細菌；口腔

最近幾年，經過研究表明：各個細菌間都能夠互相交流信息。大多數細菌都可以進行合成，并且產生一種為稱之誘導性物質的信號分子，細胞以外的AI濃度伴隨著細菌的密度改變而改變，進而到達濃度臨界數值。AI可以將菌體內有關基因進行啟動、表達，對菌體的生物活動進行控制，如形成毒素、抗生素、產生生物膜、孢子、熒光等，從而與環境的改變相適應。人們一般將上述情況稱之為群體感應。群體感應一般僅出現在細菌密度高于一定數值后，因此，人們也把此情況稱之為細胞密度的基因依賴性表達。QS體系能夠讓細胞呈多細胞的形式完成單細胞不能實現的功能。對于種群來講其對QS體系的適應性與誘導分子、感應分子和下游的調控蛋白共同構成。一般依據合成細菌的AI和感應機制的不同，將其劃分成3類：其一，革蘭陰性菌體系；其二，革蘭陽性菌體系；其三，LuxS/AI-2依賴的QS系統。目前細菌信號分子AI-2被認為是細菌通用的信號分子，參與口腔細菌間的交流，調控牙菌斑生物膜的穩定性。本文就AI-2分子的合成途徑與結構，與口腔中細菌關系的研究進展做一綜述。

1 AI-2的合成途徑與結構

AI-2信號分子早期出現于研究哈氏弧菌的QS體系中，并使哈氏弧菌產生生物學發光現象。隨后的研究發現，AI-2樣活性廣泛存在于各種微生物中。目前，AI-2分子的合成途徑與結構已經基本確定。AI-2分子的實質就是一類呋喃丙酮類的化合物，其結構為對稱的雙五環形式，隸屬于呋喃酰硼酸二酯一類。其是由S-腺苷甲硫氨酸經過三步催化酶合成、催化形成的，S-腺苷甲硫氨酸作為甲基供體，是毒素的中間物質，再被核苷酸酶Pfs水解，分成腺嘌呤及S-核糖高半胱氨酸，LuxS蛋白催化SRH產生4，5-二羥基2，3-戊二酮和高半胱氨酸，但是，戊二酮的結構較不穩定，如果在硼酸鹽的情況下，戊二酮被快速環化，形成的物質為呋喃酰硼酸二酯，也可以稱其為AI-2的信號分子。把Phs，LuxS，SAH在體外混合后能夠檢測到AI-2活性，LuxS是產生所必需的蛋白。對活性基因進行突變、克隆表明luxS是產生AI-2所必需的基因。Al-2是當前已知的、單一的可以進行物種間及物種內通信的語言，在細菌的測序操作期間，存在一般以上的基因組，其內涵luxs基因的相同序列，另外，很多細菌都被證明了存在AI-2的特性。

2 AI-2與口腔中細菌關系

人的口腔是一個復雜的微生態環境，其中生存著大約700多種，這些細菌與口腔健康的維護以及疾病的產生密切相關。現今，很多研究調查顯示，大多數口腔內的致病菌基因中都含有LuxS基因的同源的序列，AI-2信號分子與牙菌斑內細菌間進行信息溝通，同時通過QS體系對特定的生理行為進行控制。

2.1 變形鏈球菌。對于齲病來講，其指的是牙齒的堅硬組織出現慢性損壞的一類疾病，造成齲病得原因在于存在變形鏈球菌。AI-2的信號分子對其基因調控起了重要作用。Akihiro等發覺AI-2能夠對葡糖的基因表達及轉移進行控制，GTF基因中的B、C、D共同構成了GTF得基因編碼，同時，其產生的非水溶性葡聚糖又具備較強的粘結性，是S.mutans的重要毒素分子之一。同野生的S.mutans植株相比，其LuxS缺陷株gtfB、gtfC活性明顯增強。所以，缺陷植株可以產生更多的非水溶性葡聚糖，對細菌間的黏附、聚集性能產生促進作用。Wen等通過比較變異鏈球菌野生株（UA159）和luxS突變株（TW26）的AI-2信號分子對細菌各種生物學行為的影響。將兩種菌株分別在混有鹽酸和過氧化氫的培養液中培養時發現，突變株耐酸力下降，抗過氧化氫能力增強；在蔗糖存在的條件下，突變株生物膜松散成蜂房狀；基因融合技術顯示，突變株中細菌的果聚糖酶下調50%；RNA印記雜交顯示，luxS突變菌株中編碼酸誘導DNA修復酶相關的recA、smnA、nth等基因的表達下調，編碼信號識別蛋白亞單位的ffh基因和編碼膜調節蛋白的brpA基因也出現下調反應，上述基因提示表達下降情況可能是造成酸性耐力降低的原因；另外，luxS突變株的壓力反應顯示，DnsK和GroEL的蛋白表達顯著提升，向細胞提示缺少AI-2的分子信號，能夠利用壓力反應測試的方法被蛋白表達量感知，而在插入失活突變體中，則沒有發生變化。有相關學者研究顯示，luxS的基因編碼上端存在一個極為關鍵的調節構件，其覆蓋了基因編碼的大部分區域。所以，在突變體敲除后，對調節構件可能造成損壞，如果在失去活性的突變體中插入，則該構件不會受到影響。這也是造成luxS基因突變植株喪失活力的關鍵因素之一。

2.2 牙齦卟啉單胞菌牙齦卟啉單胞菌是形成黑色素的短桿厭氧細菌，是產生牙周炎，特別是成人慢性及早發性牙周炎的關鍵優勢細菌之一，是當前世界人們普遍認同的導致牙周病的細菌。AI-2能夠通過調控Pg來獲取血紅素。對于Pg來講，其在LuxS缺陷的條件下獲取血紅素蛋白及精氨酸特異蛋白酶（RgpA）表達顯著提高，同時，血紅素可以對Pg的毒素因子表達造成影響。Burgess等通過相關方法顯示一些牙齦卟啉單胞菌，并且在對數生長中期的時候達到相應的最高峰，同時在靜止的階段降至最低，然而，變異鏈球菌卻是持續上升的。雖然和牙齦卟啉單胞菌之間的毒性有著一定的聯系，然而胱氨酸蛋白酶基因Rgp和Kgp在變異鏈球菌失去活性的時候就可以降低45%與30%，但是，變異鏈球菌的缺陷株在牙齦卟啉單胞菌的感染模型中，其可以生存的時間不會變化。進而可以得出，變異鏈球菌的毒性調控效果與有關基因間不存在著一定的聯系，進而也就不會降低牙齦卟啉單胞菌的毒性。Yuan等的研究發現Pg的luxS突變株表現出對溫度、pH及H2O2等具有較強的承載能力，也說明AI-2在Pg對改變口腔環境所造成的壓力反應中發揮著調節的功能。

2.3 戈登鏈球菌目前的研究發現AI-2在戈登鏈球菌（Streptococus gordoni）存在同Pg的生物混合膜，盡管戈登鏈球菌的luxs缺少植株可以在玻璃片上進行定植，然而Pg的luxs突變株卻無法產生生物膜。把luxs的基因引入到突變植株上，從而恢復生物混合膜的產生，說明二者間無論哪種細菌，AI-2都可以促進其進行溝通與交流，產生生物膜，同時研究還發現戈登鏈球菌luxs缺失菌株的gtfG、fruA等基因表達被下調。

2.4 伴放線放線桿菌伴放線放線桿菌與牙周炎，尤其是青、少年的牙周炎之間存在密切的關聯。Aa是僅有的、可以將白細胞的毒素分泌的細菌，可以對牙齦的內部及外周的多核單細胞造成影響，對細胞膜造成損壞，從而造成白細胞的死亡。其釋放一種溶菌酶，可以造成牙齒周圍組織的損壞。Fong等研究發現，當Aa處于對數生長階段，AI-2提升，AI-2報告菌株BB170的發光效應提高了190多倍，在生長早期階段，在含有AI-2的培養液里，細菌形成Aa的白細胞毒素上升5倍，同時，編碼鐵離子中的轉運蛋白afuA基因轉錄能力提升了8倍左右，由此可以發現，AI-2在Aa形成的外毒素和鐵離子在運作期間具有十分關鍵的功能。

3 展 望

在自然狀態下口腔中種類繁多的細菌以生物膜（biofilm）的形式生活。它們彼此之間混合生長、共同生存，想要保持菌群的構成比始終平衡，就需要對菌種的信號進行高效傳導。而齲病，牙周病等正是由于細菌與宿主的相互作用引起的。QS系統是一種群體行為調控機制究，對AI-2的細致研究有利于掌握細菌同宿主間信息交流的方法，對細菌的種內溝通及種間交流進行揭示，從而為這些口腔常見病提供新的治療和預防手段。

R780.2

A

1671-8194（2014）22-0073-02