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user: 1. 细菌的群体感应 二十世纪七十年代，人们在研究费氏弧菌(Vibrio fischeri)和哈氏弧菌(Vibrio harveyi)生物发光现象时发现了群体感应 [ 1 ] 。费氏弧菌生长于夏威夷鱿鱼的发光器官中，当细菌达到一定的密度后，就会诱导发光基因的表达从而发光。细菌的生物发光为鱿鱼提供光源以躲避敌害，保护自身 [ 2 ] 。细菌也以此来获得合适的栖息场所。细菌群体感应的研究已成为国内外研究的热点，国内的科学家也开始重视这一研究并参与其中。 细菌在生长环境中能够感知与其共同生长的其他细菌所分泌的一种小分子量的化学信号分子的浓度变化，从而促进细菌个体间相互交流，协调群体行为，该现象称为群体感应 [ 3 ] 。这些信号分子由细菌分泌并能调节自身生物行为，所以叫做自诱导因子(Autoinducers， AIs)。它的浓度会随着细菌数的增长而增长，一旦自诱导因子的浓度达到一定的阈值，它会激活或抑制一些目的基因的表达，从而调控细菌的群体生物行为 [ 4 ] 。群体感应参与调控细菌的多种生物行为，如生物发光、细胞膜的形成、细胞分化、胞外多糖的形成、运动性、抗生素的生成等 [ 5 ] 。 群体感应系统介导细菌生物膜的形成主要在膜的生长期和散播期发挥作用：生长期是指细菌的不可逆粘附与积累时期，这一阶段的特点是由于胞外粘性基质的分泌，菌体大量粘附聚集，信号分子感知细胞密度，达到阈值后引起细胞内特定RNA转录，促进生物膜的成熟 [ 6 ] ；散播期则是在生物膜成熟后，这一阶段由于生物膜内部细菌的代谢废物只能通过间质水通道排除，大量粘附聚集的细菌导致有限的空间内代谢废物的积累，出现种内或种间竞争。 1.1. 革兰氏阴性菌的群体感应系统 以脂肪类衍生物作为信号分子的群体感应系统，主要存在于革兰氏阴性菌中，它的信号分子大部分属于N-酰化高丝氨酸内酯(N-acylated homoserine lactones， AHLs)类 [ 7 ] 。在费氏弧菌的群体感应中主要有两种组分参与，LuxI蛋白和LuxR蛋白。LuxI蛋白是自诱导因子AHL的催化合成酶 [ 8 ] [ 9 ] ，LuxR蛋白是细胞质内的自诱导信号分子AHL的感受因子，也是一种DNA结合转录激活原件。AHL可以自由进出细胞内外 [ 10 ] ，且其浓度随着细胞密度的增加而积累。当这种信号分子的浓度积累到一定阈值时就与LuxR蛋白结合，结合后的复合物能激活荧光素酶基因转录，从而使其发光 [ 11 ] 。费氏弧菌的LuxI/LuxR调节模式被视为革兰氏阴性细菌群体感应调节系统的经典模式。 在几乎所有已知的革兰氏阴性细菌的群体感应系统中发现四个共同点 [ 2 ] 。首先，在这样的系统中的信号分子大部分属于N-酰化高丝氨酸内酯类，它们能够通过细胞膜自由扩散 [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] 。第二，信号分子绑定在特定的受体上驻留在膜内或细胞质中。第三，群体感应通常会改变几十到几百个基因，支持各种生物过程 [ 17 ] [ 18 ] 。第四，诱导因子驱动的群体感应信号网络将进一步刺激激活自诱导因子的合成增加，从而建立了一个正反馈回路来促进群体中的同步基因表达，这一过程被称为自身诱导 [ 19 ] [ 20 ] 。 图1是革兰氏阴性菌中LuxI/LuxR型群体感应系统，该类型的群体感应系统涉及LuxI蛋白、LuxR蛋白、信号分子AHL。信号分子AHL是在酶LuxI蛋白的催化作用下合成的，它的浓度随着细胞密度的增加而增加，合成的信号分子AHL绑定到LuxR蛋白上，形成的复合体诱导目的基因的表达。图1(a)是细胞密度比较低时，细胞内外信号分子的浓度都很低，激活的LuxR蛋白的浓度也很低。图1(b)是细胞密度比较高时，信号分子绑定到LuxR蛋白来激活LuxR蛋白，从而诱导下游目的基因的表达。 1.2. 革兰氏阳性菌的群体感应系统 以短肽类为信号分子的群体感应系统，主要存在于革兰氏阳性菌中，它的群体感应信号分子是自诱导短肽(Autoinducing peptide， AIP) [ 21 ] 分子，通常由5~17个氨基酸组成，而氨基酸的侧链通常含有修饰性基团，如异戊烯基基团(芽孢杆菌属)、硫内酯环(葡萄球菌属) [ 22 ] 。当AIP在细胞中产生并积累到一定浓度后，可以作为信号分子被菌体上的AIP识别系统识别并产生相互作用。该识别系统主要起作用的是组氨酸激酶双元信号转导系统的受体分子 [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] 。AIP与受体的结合可以激活该双元系统的激酶活性，使受体发生磷酸化，并将磷酸化的受体传递给细胞质中的调节子。经磷酸化的调节子能够激活相关基因的转录表达，刺激产生更多的AIP分子，从而产生群体感应 [ 26 ] 。 图2是革兰氏阳性菌寡肽介导的群体感应系统，它的群体感应信号分子是由肽前体基因的诱导物诱导生成，修饰后由ABC转运蛋白输出到细胞外的。信号分子在细胞外积累并由H物质识别，H物质通过结合CSP自磷酸化。然后H通过将磷酸集团转移到它的同源响应调节子D上来进一步转移信号，结合了磷酸集团的D可以诱导和增强目的基因的表达。 图1. 革兰氏阴性菌中LuxI/LuxR型群体感应系统 [ 16 ] 图2. 革兰氏阳性菌寡肽介导的群体感应系统 [ 27 ] 不同革兰氏阳性菌的信号肽的结构各不相同 [ 25 ] ，而且，AIP的化学结构与受体结合效率密切相关。通常大多数革兰氏阳性菌，还有部分革兰氏阴性菌利用该系统进行种内之间的联系 [ 16 ] 。 1.3. 革兰氏阳性菌和阴性菌共有的群体感应系统 20世纪90年代，在多个革兰氏阴性菌中发现了另外一套群体感应系统，它的群体感应自诱导因子由LuxS蛋白形成，称为自诱导因子2 (Autoinducer 2，AI-2)，其主要成分为呋喃酮酰硼酸二酯(Furanosyl borate diester) [ 28 ] [ 29 ] 。经磷酸化的调节子能够激活相关基因的转录，它可以参与革兰氏阳性和阴性菌的群体感应 [ 23 ] ，一般认为这种信号分子是种间细胞交流的通用信号分子 [ 8 ] [ 30 ] 。如在哈氏弧菌中，它的群体感应系统产生AHL类信号分子，但对它的检测却是一种类似革兰氏阳性细菌的双组份磷酸传递系统 [ 28 ] 。目前发现它还产生另外一种信号分子AI-2，AI-2分子的受体是LuxP蛋白 [ 31 ] 。LuxP-AI-2复合物结合到另一种蛋白LuxQ，LuxQ蛋白包含一个传感器激酶区和反应调节区 [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ] 。当细菌密度低并且缺乏AI-2时，在LuxU中间蛋白的作用下，LuxQ将LuxO磷酸化。然后，磷酸化的LuxO激活了抑制荧光素酶操纵子转录的抑制蛋白的转录 [ 22 ] [ 36 ] [ 37 ] 。当细菌密度过高时，AI-2的出现，促使LuxQ磷酸化酶活性降低，从而使LuxO失活，这样导致LuxR介导荧光素酶的转录 [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ] 。 图3是哈氏弧菌中的混合群体感应系统。它的信号分子由LuxS生成，生成的信号分子输出到细胞外并在细胞外积累。积累的信号分子由转运蛋白LuxP转运到细胞内，结合了信号分子的LuxP将LuxQ磷酸化。磷酸化的LuxQ又将磷酸集团转移给LuxO，结合了磷酸集团的LuxO诱导目的基因的表达。 1.4. 其他群体感应系统 已经大量研究的细菌群体感应系统中的信号分子包括AHL、AIP、AI-2。除了这三种信号分子，细菌之间还可以利用其他信号分子来感知细胞浓度变化及周围环境的改变，调控相关基因的表达及生理活动，更好地适应环境的改变。 图3. 哈氏弧菌中的混合群体感应系统 [ 27 ] 目前，研究发现病原微生物铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)还能够产生第四种信号分子喹诺酮类(Quinolone， POS)。间接地参与细菌种群之间的基因调控和生理活动 [ 4 ] 。此外，革兰氏阴性菌中还有一类特殊的信号分子环二肽。它像一般的信号分子一样，可以和调控蛋白结合形成具有调控细菌基因表达的二聚体。还有，土壤中的革兰氏阳性菌链霉菌(Streptomycetes)可以利用r-丁酸内酯介导的群体感应系统调控细胞的形态分化过程。