中国生物工程杂志China Biotechnology, 2005, 25(9)14～19

中国生物工程杂志China Biotechnology, 2005, 25(9):14～19

群体感应信号分子AI2研究进展*

张勇王瑶陈士云**

(中国科学院武汉病毒研究所武汉430071)

摘要群体感应(QS)是细菌根据种群密度的变化调控基因表达，协调群体行为的机制。除具有种特异性的信号分子AI1外，近年来发现一类新的信号分子AI2在调控细菌基因表达中起重要作用。AI2的结构和生物合成途径已被确定, 其产生依赖于一种称为LuxS的蛋白。目前认为AI2在细菌种间交流中起通用信号分子(universal signal)的作用。了解细菌的QS调控过程以及种间细胞交流的新机制，有助于对细菌病害进行防治。

关键词群体感应LuxSAI2信号分子

收稿日期：20050515修回日期：20050606

* 国家自然科学基金资助项目(30470997)

** 通讯作者，电子信箱：sychen@https://www.360docs.net/doc/6d1639801.html,长期以来，人们一直认为由于细菌以单细胞形式存在，彼此之间没有信息交流和协作分工。但近年来大量研究证据表明，为了适应复杂多变的环境，细菌也可以通过细胞内或细胞间的信息交流来协调群体的行为，使其能与多细胞生物一样，行使单个细胞无法完成的功能。1977年，在一种海洋发光细菌Vibrio fischeri中首次发现并描述了群体感应 (quorum sensing, QS) 现象［1］。QS是细菌通过分泌可溶性信号分子（autoinducer, AI）来监测群体密度并协调细菌生物功能的信息交流机制［1］。当种群密度达到一定阈值时，细菌通过细胞内受体感知AI的存在，随着种群密度的增加，环境中积累的AI信号分子的浓度也成比例地增高,当达到一定阈值水平时细菌作出反应，对这些信号分子进行检测，在群体范围内调控一些相关基因的表达。目前已知QS 系统能够调控细菌的多种生理生化功能如生物发光，抗生素合成，固氮基因调控, Ti质粒的接合转移，致病基因的表达, 群游现象和生物膜的形成等［2］。QS系统赋予了细菌一些高等生物的特性，因此QS系统被认为可能是单细胞生物向多细胞生物进化的早期步骤［3］。1三种不同的QS调控系统根据细菌合成的信号分子和感应机制的不同，QS系统基本可分为三种代表性的类型(图1)。革兰氏阴性细菌一般利用酰基高丝氨酸内酯(acylated homoserine lactones, AHLs)类分子作为AI(AI1)。AHL结构的不同是在相同的内酯环连接不同长度的酰基化的高丝氨酸侧链。AHL的产生和检测分别依赖于LuxI类的AI合成酶和LuxR类的AI结合转录激活蛋白(图1a)。革兰氏阳性细菌一般利用寡肽(oligopeptides)类分子作为AI。寡肽信号分子以前体肽的形式合成，经加工修饰后由ABC(ATP binding cassette)输出系统输出，通过双组分磷酸传递途径(two component phospho relay circuits)来检测寡肽信号分子的存在(图1b)。

图1三种代表性QS系统示意图

根据文献［5］修改

Fig. 1Three representative QS systems

modified from reference［5］

与以上两种QS系统不同的是哈氏弧菌(V．harveyi)的QS(图1c)。哈氏弧菌产生典型的革兰

氏阴性细菌具有的AHL类AI1，但对它的检测却是一个类似革兰氏阳性细菌的双组分磷酸传递系统。此外还发现哈氏弧菌产生另一种AI，即AI2。现在普遍认为，许多种的革兰氏阴性和阳性细菌都可以产生这种AI2,其产生依赖于一个被称为LuxS的蛋白。与具有种特异性的AHLs和寡肽类AI不同，一般认为AI2是种间细胞交流的通用信号分子［4］。2AI2的合成途径及结构用一株AI2特异性报告菌株检测发现，许多细菌的培养液中都有AI2活性［6］。随后在哈氏弧菌、大肠杆菌和鼠伤寒杆菌中对AI2基因的突变和克隆表明都是相同的基因在起作用［7］，该基因被命名为luxS。通过NCBI数据库检索发现，在89种已知的细菌基因组中，有35种存在luxS基因的同源序列。目前已经构建了一些细菌的LuxS突变体，发现如果失活luxS基因则不产生AI2［8］。

AI2的生物合成途径已经确定［9］。从S(SAM)经至少三步酶促反应产生AI2(图2)。合成过程中SAM被作为一种甲基供体，产生的毒性中间产物S

氨酸(SAH)由5/S (Pfs)水解成S

(SRH)和腺嘌呤。LuxS催化SRH裂解成DPD(4,5dihydroxy 2,3pentanedione)和高半胱氨酸。体外用纯化的Pfs和LuxS蛋白可使SAH产生高活性的AI2［10］。

2005, 25(9)张勇等：群体感应信号分子AI2研究进展

中国生物工程杂志 China Biotechnology Vol.25 No.9 2005

虽然已经揭示了AI2的合成途径,但其结构却一直很难确定。通过证实哈氏弧菌的周质结合蛋白LuxP是AI2的受体，能紧密结合AI2，Chen等［11］利用X射线晶体照相术确定了组成LuxP的每个原子，结果在中间发现了一个狭小的袋状腔，内含一个由16个原子组成的分子，被认定是AI2，但其中的一个原子特别难以确定。生物学家推测是生物分子中常见的碳原子，但化学家认为该位点如果是碳原子则不具有稳定性。最后才意外地发现并证实该原子是在元素周期表上邻近碳原子的硼，并最终确定AI2的结构是一种新的呋喃硼酸二酯（Furanosyl borate diester）分子(图2)。硼在生物学中的功能目前尚知之甚少,所以AI2中硼原子的存在及其作用肯定会激起研究者更大的兴趣。

图2AI2生物合成途径

根据文献［8］修改

Fig.2AI 2 biosynthetic pathway

modified from reference［8］

目前只有哈氏弧菌的AI2结构被确定，由于DPD的生物合成途径在一些细菌中是相同的［9，12］，因此很可能所有含LuxS的细菌都产生DPD前体。目前还不清楚是否所有的AI 2结构都是一样的,DPD是否可以环化形成不同的呋喃化合物从而经不同的反应产生多种结构的AI2信号分子。另一种可能是含LuxS的细菌释放DPD或特异性环化DPD的产物,然后每种受体菌作用于该前体产生独特的AI2信号分子。此外，一些细菌可能产生不止一种AI2衍生物，且(或)有多种不同的受体来感应不同的AI2。AI2信号产生和感

应的多样性可能更有助于细菌适应在多种群的环境中生活。目前还没有发现可以降解AI

2信号分子的途径。

AI2的合成受哪些因素的调控目前还不太清楚。在目前研究的绝大多数细菌中，胞外AI 2的活性在对数中晚期达到高峰，在稳定期突然降低, 一些环境因子如pH和糖类可进一步影响AI2的水平。AI2浓度的变化可能部份地归因于pfs表达水平的改变，因为有证据表明pfs的表达与胞外AI2的浓度是相关的，这说明AI2的产生受LuxS的底物浓度的控制。胞外AI2的累积诱导一些基因的表达，这些基因编码一个被称为Lsr(LuxS regulated)的ABC转运蛋白，AI2在Lsr的转运下重新进入细胞调控基因表达。有人检测了138种目前已知的基因组的AI2合成基因，发现尽管LuxS广泛存在于不同细菌，但与之结合的LuxP蛋白却仅仅存在于弧菌中，因此认为弧菌以外的细菌要么通过不同的信

号传导系统感受AI2的存在，要么根本就不存在QS系统［13］。

3AI2调控的基因表达虽然一些革兰氏阴性和阳性细菌都能检测并感应AI2，但由于AI2几乎总是与其它的调控因子共同作用，因此要确定AI2调控的基因表达比较困难。尽管如此，目前已有一些受LuxS调控的细菌基因及其功能被确定，见表1。

表1AI2调控的细菌功能［8］

Table 1Functions controlled by bacteria LuxS［8］

细菌种类〖〗AI2调控的功能 Actinobacillus actinomycetemcomitans〖〗毒力因子，白细胞毒素，铁获取Borrelia burgdorferi〖〗许多蛋白的表达Campylobacter jejuni 〖〗运动性Clostridium perfringens〖〗毒力因子，α,κ,θ毒素Escherichia coli W3110〖〗细胞分裂，DNA加工，细胞形态E.coli EHEC(O157:H7)〖〗毒力因子,III型分泌系统,鞭毛,〖〗志贺氏样毒素, 运动性, 细胞分裂 E.coli EPEC(O127:H6)〖〗运动性(鞭毛蛋白表达)Neisseria meningitides〖〗菌血症的感染Photorhabdus luminescens〖〗氨基甲酰生物合成 Porphyromonas gingivalis〖〗毒力因子：蛋白酶等 Salmonella typhi〖〗生物膜形成S. typhimurium〖〗AI 2 ABC转运系统 Shigella flexneri 〖〗控制毒力的相关转录因子 Streptococcus pyogenes〖〗毒力因子：分泌的蛋白酶溶血素 Vibrio cholerae〖〗毒力因子：霍乱毒素等V. harveyi〖〗生物发光，菌落形态，铁载体产生

不同细菌QS系统调控基因表达的方式是不同的。前面提到哈氏弧菌中的AI2是控制生物发光的两个QS信号之一［14，15］。在V.cholerae中，AI2也是控制复杂毒力系统的QS 信号传递中的一个组分。V.cholerae的QS系统与哈氏弧菌的相似，但V.cholerae的QS系统由三条平行的信号传导途径组成［16］。

AI2信号分子的合成与毒素的产生相关，如Clostridium perfringens使用LuxS/AI2来调控毒素的产生。毒素产生的时间是在对数的中晚期。有趣的是，毒素的产生与AI2合成的峰值时间相一致。毒素mRNA表达水平的分析表明，与野生型相比，C.perfringens 的LuxS突变株在延迟中期毒素的产生已经减少；而在稳定期突变株和野生型的毒素mRNA 表达水平是相近的［17］，因此可能存在其它的机制来调控毒素合成时间。

LuxS也能够调控抗生素的合成，如Photorhabdus luminescens有复杂的生活史，该菌先是与线虫共生，然后通过携菌的线虫感染昆虫致病。在昆虫死亡时，P.luminescens产生的抗生素能确保线虫繁殖时不受其它细菌的感染。LuxS能控制抗生素合成的时间并将其控制在延迟中期内,而其它因子控制抗生素产生水平［18］。

目前研究较多的是AI2信号分子与细菌生物膜的形成与调控。McNab等［19］发现, AI 2对Porphyromonas gingivalis和Streptococcus gordonii的混合种生物膜的形成是必需的。牙斑中的混合种生物膜内存在数百种细菌，共生菌S.gordonii是最初的定殖者。S.gordonii粘附牙齿是其它病原如P.gingivalis随后定殖的前提。虽然S.gordonii的LuxS 突变株可在涂有唾液的玻片上定殖，但P.gingivalis的LuxS突变株不能形成生物膜。将

luxS基因引入这两种细菌的其中之一都可恢复混合种生物膜的形成，表明任一种细菌AI

2的产生都有助于种间交流和生物膜的形成。细菌能进行分工协作形成生物膜，通过QS相互交流所组成的细菌群体经常导致人体组织的持续感染，如中耳、尿道、骨、心瓣和植入的医学装置等处的感染。以前一直没有认识到细菌的这种群体生物学特性，因此缺乏治疗持续性细菌感染的有效方法。现在通过合成QS信号分子的抑制剂，可以抑制细菌毒力因子的表达，在降低细菌致病力的同时，又不致使细菌产生耐药性［20］，这有可能成为今后合成新型抗菌药物的重要手段。

通过调控QS信号分子的合成与降解可以达到对病原物进行防治的目的，目前的工作主要集中在AI1信号分子方面。如在胡萝卜欧文氏菌中表达能够降解AI1信号分子的aiiA

基因，该基因编码的内酯酶将AHL类信号分子降解，使细菌失去致病力［21］。我们检测了苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringienesis）中的QS系统，发现其中很多亚种存在合成AI2信号分子的luxS基因，并克隆了其中一个亚种的luxS基因(GeneBank登录号：AY438565)［22］。该基因在烟草表达后对病毒，细菌和真菌都表现出较强的抗性，对其抗病机理的研究正在进行中。

4展望除AI2信号分子外，最近发现肠出血性大肠杆菌O157∶H7还产生一种目前未知的信号分子AI3。部分纯化的AI3可恢复luxS突变株鞭毛依赖性运动和III型分泌系统毒性蛋白分泌，而体外合成的AI2却没有这种功能。这说明调控鞭毛依赖性运动和III 型分泌系统毒性蛋白分泌的是AI3，而不是以前认为的AI2，但AI2和AI3的合成都依赖luxS的存在［10］。有趣的是，哺乳动物的肾上腺素和去甲肾上腺素也能替代AI3的作用［10］。有人认为致病大肠杆菌通过监听宿主的交流，并整合从其它途径获得的信息，相应地调整群体的行为［23］。

自然界中，细菌之间相互协作也存在竞争。细菌能与宿主共生也能使宿主致病，宿主也可产生拮抗物来干扰细菌的QS。因此细菌与细菌之间，细菌与宿主之间可能存在AI2类的通用信号分子所调控的QS过程。对AI2的深入研究将有助于了解细菌与宿主的信息交流，揭示种内和种间细胞交流以及细胞内和细胞间信号传递的新机制。通过调控QS系统，可以提高有用物质如抗生素的产量，或设计一些AI拮抗物作为新的药物，或发现降解AI信号分子的基因干扰QS过程，或在宿主中表达合成信号分子的基因，过早的导致毒力基因的表达，激发宿主的防御反应等，以达到对病原物进行防治的目的。

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