微生物生理学(王海洪)9细菌的群体感应调节.ppt

第八章、细菌群体感应调控细菌群体感应调控v定义：细菌在繁殖过程中不断分泌信号分子到胞外，并定义：细菌在繁殖过程中不断分泌信号分子到胞外，并检测其浓度从而感知群体密度的变化，当其密度达到某检测其浓度从而感知群体密度的变化，当其密度达到某个阈值时，就会启动某些基因的表达，这个过程称为群个阈值时，就会启动某些基因的表达，这个过程称为群体感应体感应QS(quorum sense)QS(quorum sense)这是一种利用信号分子相互这是一种利用信号分子相互交流，协调种群内细胞个体行动的调控方式交流，协调种群内细胞个体行动的调控方式v功能功能v使单细胞的细菌能模仿多细胞生物体进行一些它们作为单使单细胞的细菌能模仿多细胞生物体进行一些它们作为单细胞个体所做不到的行为细胞个体所做不到的行为v调控细菌许多重要的生理功能，包括调控细菌许多重要的生理功能，包括v根癌土壤杆菌根癌土壤杆菌TiTi质粒的转化质粒的转化v胡萝卜欧文氏菌、铜绿假单胞菌等病原菌的毒性基因表达胡萝卜欧文氏菌、铜绿假单胞菌等病原菌的毒性基因表达v致黄假单胞菌、胡萝卜欧文氏菌中抗生素的产生调控致黄假单胞菌、胡萝卜欧文氏菌中抗生素的产生调控v液化沙雷菌的游动液化沙雷菌的游动v粘质沙雷菌色素的产生等粘质沙雷菌色素的产生等QS系统的类型(下页图)G-G+G+/G-信号分子信号分子AI酰酰基高基高丝丝氨酸内氨酸内酯酯AHLs（AI1）自身诱导肽自身诱导肽AIP(AI1)呋呋喃喃酰酰基硼酸二基硼酸二酯酯(AI2)信号分子信号分子合成分泌合成分泌LuxI类类AI合成合成酶酶寡寡肽肽信号分子以前体信号分子以前体肽肽的的形式合成，形式合成，经经加工修加工修饰饰后后由由ABC(ATPbinding cassette)系系统输统输出出蛋白蛋白LuxS信号分子信号分子感感应应机制机制LuxR类类AI结结合合转录转录激激活蛋白活蛋白双双组组分磷酸分磷酸传递传递途径途径(twocomponent phosphorelay circuits)来感来感应应寡寡肽肽信号分子的存信号分子的存在在代表菌代表菌Vfischeri费费希希尔尔氏弧氏弧菌菌S. aureus金黄色葡萄球菌金黄色葡萄球菌 Vharveyi哈氏弧菌哈氏弧菌物种特异物种特异性性有有有有AI2是种是种间细间细胞交流胞交流的通用信号分子，没的通用信号分子，没有物种特异性有物种特异性本节内容v革兰氏阴性细菌中的革兰氏阴性细菌中的QS系统系统v革兰氏阳性细菌中的革兰氏阳性细菌中的QS系统系统vG-/G+中均存在的中均存在的QS系统系统革兰氏阴性细菌中的QS系统vG G- -中的中的QSQS系统的发现系统的发现: :费费希希尔尔氏弧菌氏弧菌v费费希希尔尔氏弧菌中群体感氏弧菌中群体感应应机制机制v胡萝卜软腐欧文氏菌抗生素合成胡萝卜软腐欧文氏菌抗生素合成v铜绿假单胞菌中的群体感应铜绿假单胞菌中的群体感应一、一、G G- -中的中的QSQS系统的发现系统的发现: :费费希希尔尔氏弧菌氏弧菌v两种生存状态：自然状态下海两种生存状态：自然状态下海洋微生物费希尔氏弧菌有两种洋微生物费希尔氏弧菌有两种生存状态，既可以自行浮游生生存状态，既可以自行浮游生长，也可以和某种发光鱼形成长，也可以和某种发光鱼形成共生体。

共生体 v共生状态：共生状态下细菌寄共生状态：共生状态下细菌寄居在鱼的特异性发光器官中，居在鱼的特异性发光器官中，使它们能够生物发光，从而有使它们能够生物发光，从而有利于捕食或蔽害利于捕食或蔽害v荧光：细菌只有在和发光鱼共荧光：细菌只有在和发光鱼共生时才会发出光，浮游生长时生时才会发出光，浮游生长时则不会显然细菌中有某种调则不会显然细菌中有某种调控机制使得它们只有在共生状控机制使得它们只有在共生状态下才发出光态下才发出光二、二、费费希希尔尔氏弧菌中群体感氏弧菌中群体感应应分子机制分子机制v信号分子信号分子结构结构产生与分泌产生与分泌v感应机制感应机制v基因调控功能基因调控功能v生物荧光的最终解释生物荧光的最终解释v补充补充部分有代表性的部分有代表性的AHLsAHLs细菌细菌QSQS系统除系统除AHLAHL外其它类外其它类QSQS信号分子信号分子N-酰基酰基-L-高丝氨酸内酯高丝氨酸内酯 (AHLs)内酯环不同长度酰基链，多偶数碳原子不饱和键多为C7顺式信号分子产生途径信号分子产生途径vLuxI家族蛋白酶通过将脂酰基家族蛋白酶通过将脂酰基-酰基载体蛋白（酰基载体蛋白（acyl-ACP）上的脂酰基侧链结合到）上的脂酰基侧链结合到 S-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸(SAM)的高半胱氨酸基团上的高半胱氨酸基团上,产生特异的酰化产生特异的酰化 HSL 分子分子 ,这种这种酰化的酰化的HSL分子再进一步内酯化变成分子再进一步内酯化变成acyl- HSL(AHLs), AHLs分子可以任意地穿越细胞膜分子可以任意地穿越细胞膜,因此它们可以在胞外因此它们可以在胞外随着菌体浓度增加而累积。

随着菌体浓度增加而累积v菌体浓度较低时，信号分子合成的水平也较低菌体浓度较低时，信号分子合成的水平也较低v合成的酰基高丝氨酸内酯合成的酰基高丝氨酸内酯AHLAHL分子扩散到细胞外环境中分子扩散到细胞外环境中v随着菌体浓度增高，信号分子逐渐累积随着菌体浓度增高，信号分子逐渐累积v当信号分子浓度达到一定的阈值时，就会启动和当信号分子浓度达到一定的阈值时，就会启动和LuxRLuxR蛋蛋白的相互作用，形成白的相互作用，形成LuxR/AHLLuxR/AHL复合物复合物信号分子浓度与感应信号分子浓度与感应基因表达调控vLuxR/AHLLuxR/AHL复合物结合到复合物结合到DNADNA的的Lux-Lux-boxbox开启发光基因的表达开启发光基因的表达 进一步促使进一步促使AHLAHL分子分子 ( (通过通过LuxI)LuxI)高水平表达：自诱高水平表达：自诱导导生物发光的解释v费希尔氏弧菌浮游生长时信号分子浓度很低，但是和发光鱼共生时信号分子浓度则很高，因而群体感应机制能够解释其为什么只有在共生状态时才会发光胡萝卜软腐欧文氏菌抗生素合成胡萝卜软腐欧文氏菌抗生素合成v胡萝卜软腐欧文氏菌致病变种能引起植物软腐胡萝卜软腐欧文氏菌致病变种能引起植物软腐病，细菌可以分泌一些酶溶解植物细胞壁而进病，细菌可以分泌一些酶溶解植物细胞壁而进入植株。

入植株细菌中果胶酶、纤维素酶、多种蛋白细菌中果胶酶、纤维素酶、多种蛋白水解酶及碳青霉烯抗生素的产生受到水解酶及碳青霉烯抗生素的产生受到QSQS系统的系统的调控v一种信号分子：一种信号分子：AHLCAHLC1010H H1515O O4 4N Nv两套两套QS系统：系统：expR/expIexpR/expI系统：促进致病胞外酶的表达，包括果胶系统：促进致病胞外酶的表达，包括果胶盐酸裂解酶、多聚半乳糖醛酸酶、纤维素酶和蛋白盐酸裂解酶、多聚半乳糖醛酸酶、纤维素酶和蛋白酶的分泌，这些酶使得植物组织软化酶的分泌，这些酶使得植物组织软化carR/carIcarR/carI系统：促进碳青霉烯抗生素的产生系统：促进碳青霉烯抗生素的产生铜绿假单胞菌群体感应系统铜绿假单胞菌群体感应系统v铜绿假单胞菌是一种典型的条件致病菌，引起心铜绿假单胞菌是一种典型的条件致病菌，引起心内膜炎、胃肠炎脓胸甚至败血症内膜炎、胃肠炎脓胸甚至败血症v铜绿假单胞菌有两套铜绿假单胞菌有两套QSQS系统：系统：vlasR/lasIlasR/lasI体系：体系：功能：调控碱性蛋白酶、外毒素功能：调控碱性蛋白酶、外毒素A A、弹性蛋白酶（重、弹性蛋白酶（重要的致病因子）的合成要的致病因子）的合成信号分子：信号分子：3-O-C12-HSL 3-O-C12-HSL vrhlR/rhlIrhlR/rhlI体系：体系：功能：调控鼠李糖酯溶血素、几丁质酶、氰化物、功能：调控鼠李糖酯溶血素、几丁质酶、氰化物、绿脓菌素等物质产生绿脓菌素等物质产生信号分子：信号分子：C4-HSLC4-HSLv当细菌浓度相对较低时，其群体感应系统保持一种当细菌浓度相对较低时，其群体感应系统保持一种沉默状态，信号分子的浓度也处在一个较低的水平沉默状态，信号分子的浓度也处在一个较低的水平.这时候，由群体感应系统调控产生的胞外酶和毒性这时候，由群体感应系统调控产生的胞外酶和毒性因子还没有启动，此时的绿脓杆菌并不致病因子还没有启动，此时的绿脓杆菌并不致病v当细菌的数量急剧上升的时候，信号分子的水平超当细菌的数量急剧上升的时候，信号分子的水平超过一个特定的阈值，首先引发过一个特定的阈值，首先引发las系统的启动。

系统的启动las系统随后调节产生大量的各种胞外酶和毒性因子，系统随后调节产生大量的各种胞外酶和毒性因子，同时兴奋同时兴奋rhl系统，使之也参与到产生毒性因子的行系统，使之也参与到产生毒性因子的行列来v此外，此外，las和和rhl系统还参与了调节该细菌产生大量系统还参与了调节该细菌产生大量胞外粘多糖，形成能自我保护的生物膜，使细菌生胞外粘多糖，形成能自我保护的生物膜，使细菌生长在微菌落中，以保护细菌免遭抗生素的作用和宿长在微菌落中，以保护细菌免遭抗生素的作用和宿主免疫功能的清除主免疫功能的清除根癌脓杆菌根癌脓杆菌群体感应系统群体感应系统v根癌脓杆菌是一种植物病原体，能把特定区段根癌脓杆菌是一种植物病原体，能把特定区段的的DNADNA转移进宿主植物体中，并整合到基因组转移进宿主植物体中，并整合到基因组中去，从而产生冠瘿瘤这一复杂过程由两套中去，从而产生冠瘿瘤这一复杂过程由两套群体感应机制控制：群体感应机制控制：vvirR/IvirR/I系统：调控细菌对植物的侵染系统：调控细菌对植物的侵染vtraR/ItraR/I系统：以细菌为基础使根癌脓杆菌内系统：以细菌为基础使根癌脓杆菌内的的TiTi质粒自由移动，调控细菌质粒质粒自由移动，调控细菌质粒DNADNA区段与区段与植物基因组的整合。

植物基因组的整合信号分子：信号分子：N-3-N-3-氧辛酰氧辛酰-L-L-高丝氨酸内酯高丝氨酸内酯革革兰兰氏阳性氏阳性细细菌菌中的中的QSQS系统系统vG G+ +菌篇菌篇G G+ +菌菌QSQS过过程程v金黄色葡萄球菌群体感应金黄色葡萄球菌群体感应G G+ +菌菌QSQS过过程程v信号分子概述信号分子概述v信息肽信息肽v合成与加工合成与加工v转运转运v功能结构功能结构v信号分子感应信号分子感应信息肽v合成与加工：革兰氏阳性菌使用的信号分子，多数是一种由一个较大前体经过翻译后加工得到的多肽v转运：信息肽通过ATP-结合盒转运体ATP-binding cassette (ABC)运出细胞外v多种功能：金黄色葡萄球菌毒力合成枯草杆菌和肺炎链球菌DNA吸收枯草杆菌孢子形成 粪肠球菌质粒接合转导乳酸菌细菌素合成双组分磷酸传递途径v当寡肽在胞外达到某一特定浓度时，双组分的感应识别元件(图中H和D)就会探测到这种信号分子其中H是一种能检测信号分子浓度的传感激酶，D是一种调节蛋白v传感激酶H识别信号分子并在自身一个保守的His上进行磷酸化，然后再将磷酸基团信号传给下游的反应调节蛋白的一个保守Asp上。

v被磷酸化的反应调节蛋白结合特异的目的启动子,从而调控某些基因的表达这种反应调节蛋白是一种DNA结合蛋白，其主要作用是诱导受密度调控的目的基因表达二、金黄色葡萄球菌v葡萄球菌的介绍v葡萄球菌的毒性和群体感应的关系vAgr编码的群体感应系统vRNAIII和毒力的全局调控v信息肽v葡萄球菌在人类和其他动物中能够引起多种疾病，包括较小的皮肤感染、食物中毒、到足以致命的中毒性休克综合症和败血症现实是这些细菌开始对越来越多的抗生素产生了抗性，因此有必要寻找新的靶点以治疗葡萄球菌感染，首先就要理解其致病过程葡萄球菌的介绍葡萄球菌的介绍葡萄球菌的毒性和群体感应的关系葡萄球菌的毒性和群体感应的关系v许多葡萄球菌细胞壁蛋白的表达在指数期达到最大，而细胞外毒素只有在稳定期才会合成v这种基因表达的协调调控由一个称为附加基因调节子。