细菌间的交流方式——密度感应

胡金树,朱一堂 综述,赵建宏 审校

(1.沧州市中心医院检验科,河北沧州061001;2.河北医科大学第二医院河北省临床检验中心,河北050000)

多年来,细菌被认为是简单的有机体,相互间的联系只限于新陈代谢方面,即一个细菌利用另一细菌的代谢产物。然而近十多年的研究发现细菌间能互相沟通交流,这个过程就是密度感应(quorum sensing,QS)。1994年Fuqua[1]等提出QS的概念:细菌通过感知周围“同伴”的存在和其群体的密度,并在达到一定的密度时来调控自身特定的基因活化与表达,进而表现出一系列行为。

1 QS的概念

密度感应系统(quorum sensing,QS)是一种细胞密度依赖性的细菌胞间信号传递系统,通过这种机制细菌可以协调基因的表达,从而使细菌可以适应环境、产生毒力因子等,使细胞的活动具有组织性,成为类似于多细胞生物的群体性活动。

密度感应以细菌自身合成、可扩散的小分子物质为信号分子,其浓度随细菌密度的增加而增加,当达到阈值浓度时,激活了靶位的传感激酶或应答调节器,导致相关基因表达,在此过程中群体的基因表达得到了强化[2]。

2 QS的作用机制

QS作为细菌间交流的工具语言,精密地调节着细菌间的行为。霍乱弧菌的信号传递路径中包括4个同源小分子 RNAs(sRNAs),分别为密度调节RNAs 1-4(Qrr1-4)。这四个sRNAs在功能上相对重叠,每个都具有执行密度感应的功能。其中两个反馈环具有协同作用,一个包括sRNA的激活剂LuxO,一个包括sRNA的靶标HapR。在四个Qrr基因中,通过基因剂量补偿效应调节着四个 sRNA池,使Qrr1-4维持在一定水平,基因剂量补偿机制十分敏感,即使Qrr有微小的波动,也能起作用。这一机制对于由密度感应控制的靶位基因在特定时间、特定模板的表达方面有重要作用[3]。

哈维弧菌的密度感应网有三个自诱导子(autoinducer),每个都能编码独特的生物信息,通过实验得知了密度感应输入输出环路间的关系。为了排除输入信号间的干扰,在细菌信号整合网络的结构上附加严格的限制条件,通过自诱导子产物的操纵和受体数目比例的反馈来尽量减少干扰[4]。用单细胞荧光显微镜研究哈维弧菌的QS,量化了发送信号的自诱导子,分析了多个自诱导子的整合,证明两个不同的自诱导子AI-1和AI-2共享一个磷酸途径,从而整合在一起。由此推断:多个自诱导子参与时,当细菌在不断增多的情况下,在不同发展阶段可同时进行基因表达[5]。

3 QS在生物界的作用

许多与密度感应相联系的基因存在于可传播的质粒或致病岛中。密度感应调节网控制的基因是细菌基因组的5%到25%不等。密度感应调节着广泛的生理过程和多种信号分子,包括次级代谢、共生、质粒传递、生物被膜形成和许多细菌的毒力等。

细菌生物被膜产生的信号分子当被有生殖能力的绿色海草游动孢子发现后,其游动速率减弱,在有高丝内酯氨酸的区域聚集后,钙离子流入游动孢子,导致其它生理活动的发生[6]。密度感应系统可以调节细菌的群体行为,最好例子是生物被膜的形成。密度感应行为的变化和慢性生物被膜疾病有关,生物被膜中各种力量的平衡关键在于密度感应的变化[7]。革兰阳性细菌的短肽是密度感应的信号分子。Dunny描[8]述了由密度感应控制的抗生素耐药质粒pCF10的传播,其中信号分子短肽控制的调控环路参与了保持质粒和细菌毒力。

密度感应能抑制宿主的先天免疫应答,通过用铜绿假单胞菌的野生株和不能产生4-hydroxy-2-alkylquinolines(HAQs)的两个突变株培养物的提取液进行试验,发现突变株的提取液具有对肿瘤坏死因子A和白细胞介素6等细胞分裂产物很强的刺激活性,而野生株的提取物中未发现该作用。加入HHQ(4-hydroxy-2-heptylquinoline)和 PQS(Pseudomonas quinolone signal)后,此作用消失。HHQ和PQS使NF-kappaB(nuclear factor-kappaB)与结合点的结合力降低,而且减少了NF-kappaB靶位基因的表达[9]。QS的信号分子对精子有影响,白色念珠菌和铜绿假单胞菌的3-oxododecanoyl-l-homoserine lactone通过钙离子依赖机制诱发精子的多种损伤,如活动力下降、死亡和对受精有重要作用的精子帽状结构丢失等[10]。

4 QS的临床潜在价值

细菌与真核微生物紧密联系大约10亿到20亿年了,密度感应不但在同种细菌间、不同种细菌、而且在细菌和高等生物间也存在。通过对QS的深入研究,可以治疗密度感应相关疾病。许多细菌利用密度感应机制在宿主中生存并感染宿主,据此就可能找到一种消灭引起人类、动物和植物疾病的新方法。

当细菌的密度感应基因有缺陷时,细菌的毒力会大大减弱。根癌土壤杆菌的密度感应基因缺陷减少了植物破损处冠婴瘤的形成[11]。

随着细菌耐药性的增加,现急切需要一种替代品去消灭病原菌。所以有人[12]建议通过抑制包括密度感应在内的信号分子、灭活酶的活性来治疗感染疾病。当铜绿假单胞菌以生物被膜的形式存在时,临床上治疗非常困难。研究已经阐明了有很多影响毒力的因素,涉及到许多受环境条件影响的成分。其中密度感应是一个关键的调节系统,降解密度感应信号分子N-酰基高丝氨酸内酯(N-acylhomoserine lactone,AHL)将成为治疗铜绿假单胞菌的新观点[13]。细菌病原体用密度感应语言去决定什么时候攻击宿主,因此利用合成人工信号分子来干扰细菌之间的交流过程已成为研究热点[14]。Bjarnsholt等发现了一些天然化合物能高效阻断密度感应系统,虽不能杀死细菌,但能减弱细菌感染[15]。QS的抑制因子包括天然的和人工合成的物质,分为三类:非肽类小分子、肽类和蛋白质。这些物质通过抑制信号产生、阻断信号接收和干扰QS的信号起作用,对多重耐药菌是很好的治疗思路[16]。

总之,随着对QS的深入研究,人类对细菌的生存方式和与感染性疾病关系的认识越来越广泛,理解越来越深刻。在此基础上,将会有跟多治疗疾病的新观点出现,QS在疾病中的作用日益突出,围绕着QS,将会有更多的问题等待有兴趣的人来研究。

[1]Fuqua WC,Winans SC,Greenberg EP.Quorum sensing in bacteria:the LuxR-Lux Ifamily of cell density-responsive transcriptional regulators[J].JBacteriol,1994,176(2):269.

[2]Williams P,Winzer K,Chan W,et al.Look who’s talking:communication and quorum sensing in the bacterialworld[J].Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci,2007,362(1483):1119.

[3]Svenningsen SL,Tu KC,Bassler BL.Gene dosage compensation calibrates four regulatory RNAs to control Vibrio cholerae quorum sensing[J].EMBO J,2009,28(4):429.

[4]Mehta P,Goyal S,Long T,etal.Information processing and signal integration in bacterial quorum sensing[J].Mol Syst Biol,2009,5:325.

[5]Long T,Tu KC,Wang Y,et al.Quantifying the Integration of Quorum-Sensing Signalswith Single-Cell Resolution[J].PLoSBiol,2009,7(3):e68.

[6]Joint I,Tait K,Wheeler G.Cross-kingdom signalling:exploitation of bacterial quorum sensing molecules by the green seaweed Ulva[J].Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci,2007,362(1483):1223.

[7]Nadell CD,Xavier JB,Levin SA,et al.The Evolution of Quorum Sensing in Bacterial Biofilms[J].PLoSBiol,2008,6(1):e14.

[8]Dunny GM.The peptide pheromone-inducible conjugation system of Enterococcus faecalisplasmid pCF10:cell cell signalling,gene transfer,complexity and evolution[J].Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci,2007,362(1483):1185.

[9]Kim K,Kim YU,Koh BH,et al.HHQ and PQS,two Pseudomonasaeruginosa quorum-sensingmolecules,down-regulate the innate immune responses through the nuclear factor-kappaB pathway[J].Immunology,2009,Sep 11.

[10]Rennemeier C,Frambach T,Hennicke F,et al.Microbial quorum-sensing molecules induce acrosome loss and cell death in human spermatozoa[J].Infect Immun,2009,77(11):4990.

[11]White CE,Winans SC.Cell-cell communication in the plant pathogen A-grobacterium tumefaciens[J].Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci,2007,362(1483):1135.

[12]Dong YH,Wang LH,Zhang LH.Quorum quenchingmicrobial infections:mechanisms and implications[J].Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci,2007,362(1483):1201.

[13]Girard G,Bloemberg GV.Central role of quorum sensing in regulating the production of pathogenicity factors in Pseudomonas aeruginosa[J].Future Microbiol,2008,3(1):97.

[14]Hodgkinson JT,Welch M,Spring DR.Learning the language of bacteria[J].ACSChem Biol,2007,2(11):715.

[15]Bjarnsholt T,Givskov M.Quorum-sensing blockade as a strategy for enhancing host defencesagainst bacterial pathogens[J].Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci,2007,362(1483):1213.

[16]Pan J,Ren D.Quorum sensing inhibitors:a patent overview[J].Expert Opin Ther Pat,2009,19(11):1581.