细菌的群感效应.doc

细菌种群的协同与冲突—群感效应Stephen P. Diggle1, Ashleigh S. Griffin2, Genevieve S. Campbell1 & Stuart A. West2摘要：人们把细菌细胞通过释放和传感小信号分子的扩散进行交流的方式，称为群感效应(QS)It is generally assumed that QS is used to coordinate cooperative behaviours at the population level 3, 5 .通常QS是用在种群层面的协同合作行为However, evolutionary theory predicts that individuals who communicate and cooperate can be exploited 6, 7, 8, 9, 10 .然而，进化理论预测，个体也可以利用QS进行交流和合作Here we examine the social evolution of QS experimentally in the opportunistic pathogen Pseudomonas aeruginosa , and show that although QS can provide a benefit at the group level, exploitative individuals can avoid the cost of producing the QS signal or of performing the cooperative behaviour that is coordinated by QS, and can therefore spread.在这里，我们以条件致病菌绿脓杆菌的实验为例来研究QS社会进化，结果显示，尽管QS可以在群体水平上提供益处，但是个体的利用能够避免以生产QS信号为代价，或通过QS协调执行合作行为并且因此而传播 。

We also show that a solution to the problem of exploitation is kin selection, if interacting bacterial cells tend to be close relatives.我们还表明，相互作用的细菌细胞往往选择种内近亲，These results show that the problem of exploitation, which has been the focus of considerable attention in animal communication, also arises in bacteria.这些结果就解决了剥削的问题，这一直是动物间沟通的方式，也出现在细菌中1、以一个指数增长的菌株进行研究,结果表明细菌细胞之间能够通过QS进行交流QS信号分子的取收导致两个结果第一，他能调节细菌的许多行为比如产生和分泌具有多种用途的物质（exoproducts），如：损害宿主的致病因子，消除营养分子（列如铁载体），提供生物膜结构形成的复合物和表面活性剂的促进运动这些外源性物质似乎代表“公共物品”或合作行为对周围的土著菌群提供生长益处。

第二，信号分子的吸收，也导致了信号分子产物的增加（称为自身诱导作用）这往往导致高细胞的正反馈，即细胞密度越高产物exoproduct就越多假设这里有许多合作行为，列如exoproduct的产生,直到有足够的细胞数量（法定数量）出现他才产生,否则是不值得执行的，并且只有当细胞数量密度达到足够高的时，QS才能提供对一些行为有刺激性的机制 2、人们常认为QS已经选定,因为它对人口增长或生存率有利然而，进化论表明可能只有通过选择授权一个行为,增长了对特殊个体的适应度，这往往与最大限度的提高人体适应度不相同尤其是进化论实验中研究的是一个庞大的团体，并且在一系列的其他有机体的实证研究中都体现了它们的合作和交流可能产生个体之间的利益冲突QS似乎涉及到了合作，坦诚交流去协调其他合作行为,因此出现了双重的进化问题具体来说，自私的投机者的入侵使种群处于危险中，投机者利用其他的信号或产生的exoproduct投机者不产生QS分子，但能够监视周围细胞密度，并从细胞中得到信号，而没有努力在传播这些信号（signal negative’).）的另外，投机者能够产生信号但不增加（signal blind’),）exoproduct生产的应答，与其他细胞的合作开发和鼓励exoproduct产物。

3、这里我们研究一个很好理解的QS系统，绿脓杆菌QS系统，一种在植物、动物、包括人类生长中能够引起疾病的革兰氏阴性菌QS在绿脓杆菌成功致病的过程中起着至关重要的作用，因为它控制绿脓杆菌的一些行为，比如生物膜的发展，群集运动和细胞外能够广泛引起组织损伤的阿申纳毒力因子的产生，血液入侵并且促进了系统的散播在这种细菌中，QS通过两种途径被控制，N-酰基高丝氨酸内酯（AHL）信号分子产品的调控（见附图1）这两个系统被称为LAS系统和RHL系统，并且这两个系统用不同的AHL信号分子，分别用LASI和RhlI信号发生器合成（N-（3-oxododecanoyl）-L-高丝氨酸内酯；3O-C12 - HSL和N - butanoylL-丝氨酸内酯; C4-HSL）事实证明绿脓杆菌6-10%的基因组的调控都是通LAS和RHI系统完成的，这强调了QS控制行为的重要性4、我们检查的QS适应性的后果，并确定投机的的可能性 ，并专注于las的QS途径，因为这个途径分层次的控制着rhl系统，在一株QS突变的铜绿假单胞菌中lasQS被终止为了检测QS的成本和效益，我们选用了两种类型的投机者的QS的突变体首先，我们使用了不产生3O-C12-HSL信号的“负信号”突变体,他是仍然有对信号做出反应的—las I 突变体。

接着，我们使用了对细胞外不产生反应信号的“盲信号”突变体——las R 突变体信号盲突变体不是通过增加信号来产生细胞外的信号，所以产生的信号量相对较小人们在自然种群中发现了这两种突变体，其中，盲信号更加的普遍此外，在实验中加入与绿脓杆菌产生的一种相似的化学合成信号，并调节不同水平加入到野生菌和signal-negative突变菌的培养基中 5、蛋白酶是通过群感效应来控制其生产的exoproducts组绿脓杆菌产生许多众所周知的蛋白酶如碱性蛋白酶、las A 蛋白酶和俗称为弹性蛋白酶的Las B 蛋白酶，他们完全依赖las 群感效应系统的功能在寄主体内，细菌细胞通过消化一些蛋白质如弹性纤维和胶原蛋白来释放弹性蛋白酶细菌细胞然后通过消化内部的蛋白质来作为营养促进生长我们研究了野生型的Las I和Las R突变体生长所需要的蛋白酶介质我们把这个叫做群感效应培养基6、我们发现群感效应通过增加cooperative exoproducts的生产提供一个有益的种群水平来帮助它们在特定的环境下生长负信号和盲信号突变体在群感效应培养基中生长状况比母本野生型菌株差为了确认它们生长量的差异是由群感效应引起的，我们分别检测了信号的传送和公共产物的生产。

具体来说，我们发现以下几点：第一，加入合成信号（20 mM 3O-C12-HSL）后，负信号（signal-negative）菌株的生长量显著提高，因为他仍然可以刺激蛋白酶的生产，如弹性蛋白酶；第二，负信号突变体因为加入了合成信号更加迅速的增长因为这会刺激更大的蛋白酶生产第三，在野生型菌株加入合成信号，导致了las B弹性蛋白酶的结构基因的表达显著增加，还证实了分解蛋白质的弹性蛋白酶的增加第四，正如我们所预料的在负信号突变体中加入信号并没有改善它的增长因为细胞没有对信号做出反应第五，信号盲突变体加入纯化的弹性蛋白酶，信号盲突变体的生长增加（图一 c）通过直接提供公共物品，使蛋白质被分解 7、我们还发现,（细菌）产生的QS信号分子和QS依赖的 exoproducts（公共产物）是新陈代谢的结果我们比较了突变株和野生型变种在富含营养的液体LB培养基中的增长产量，在exoproducts的产生中通过QS不需要成长在这种情况下,接种22小时后,QS突变体成长密度比野生型高(Fig. 2; F(1,34)=257.1, P<0.0001).QS分子反应进一步证明的了一个事实,添加合成信号的代价就是导致负面信号突变使生长产量下降(Fig. 2; F(1,32)=1,043.32, P<0.0001)；它显著低signal-blind取得的应变有或没有信号(Fig. 2; F(1,33)=29.33, P<0.01)。

规定公共产品的产生通过QS，通常发生在指数期到稳定期的过渡阶段因此，最适当的消耗主要发生在稳定期为了验证这一点，我们检查了生长的野生型和QS突变体，随时间的推移，发现在增长速度是相似的，在指数型增长和健身差异发生在稳定期（图3）8、然后我们检测QS欺骗是否在种群中蔓延，因为他们受益于信号或公共产物的生产，自己不支付生产成本（也就是这种菌株自己不生产信号，只利用环境中其他菌株生产的信号来提高种群的数量，这是一种典型的欺骗行为）[1]我们开始对两个野生型的突变体之一的一小部分群体（细胞含量在1-3％）进行试验，并跟随他们在QSM培养基上48小时增长情况在这段时间内，信号盲的欺骗比例由1%提高到45%，突变株信号负的比例从3%上升到66%（(图 3a) 因此，经过48小时的增长，在混合培养物中，无论是盲信号还是负性号都比野生型的母本有很高的适应性（在这两种情况下, P50.02, n56;，这两个突变体相对适应度分别是81倍和56倍）社会进化理论也预测，在微生物种群中的相对欺骗也有比例依赖性，与相对适应度下降，欺骗变得越来越普遍作为合作伙伴变得越来越普遍，因此使得骗子利用合作者的机会也大大提高。

支持这一预测，当这种行为变得很普遍时，信号盲欺骗的相对适应度显著下降（图3b）[2]9、我们的研究结果表明，QS具有社会性质，容易受到投机者的剥削和入侵鉴于此，QS如何在自然中维持种群？最可能的解释是近亲的选择—如果邻近的细胞是近亲，他们就会为了共同的利益真诚的沟通与合作如QS在微生物亲戚选择社会行为中非常重要，那是因为克隆繁殖和相对局部耦合为了证明QS亲属选择的重要性，我们做一个进化方法的实验我们用保持了相对高和相对较低关联度下的菌群，并研究QS是如何影响野生株和信号盲突变株lasr基因的相对适应度（见附图2）由亲属选择理论预测，QS喜欢在相对高的相关度下出现（图4）在高相关性的处理组，野生型和突变的信号盲菌株往往倾向于不同的亚群，以防止野生型利用欺骗进行剥削与此相反，在关联度相对较低的亚群，同时包含QS合作者和信号盲欺骗者，让信号盲欺骗者，去剥削QS合作个体产生的公共产品（蛋白酶），从而增加群体的生长速度10、我们的结果和社会进化理论可以帮助解释,在自然中种群的患病率首先，在自然和临床分离的菌株，发现QS欺骗都不执行正常的QS行为其中大多数信号盲突变株对信号不响应这是可以预料的，因为信号盲的突变株为了避免生产信号和弹性蛋白酶消耗生产成本，直接用QS来调控，而signalnegative突变株避免生成信号，很可能是因为，代谢的成本远低于生产的exoproducts的生产成本。

其次，在临床上常发现这种QS突变体能够感染和传播，如人类肺部的囊肿性纤维化，是由铜绿假单胞菌在肺部低水平的传播，导致与肺内菌群竞争相对较低这种地方竞争，会减少如亲属选择QS合作行为，即使在肺部组织内有很少的谱系因此，亲缘选择理论预测所观察到模式，QS欺骗侵入肺部随时间感染，更普遍的是，我们预测在任何情况下，相互作用的细胞之间的平均相关性较低，或在一个。