細菌群體感應(yīng)系統(tǒng)及其應(yīng)用課件

1、 細菌群體感應(yīng)系統(tǒng)(xtng)及其應(yīng)用第一頁，共二十三頁。1.1.群體感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)群體感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)(fxin)(fxin)及研究意義及研究意義目錄(ml) 4. 4.小結(jié)小結(jié)(xioji)(xioji)及展望及展望3.3.群體感應(yīng)在控制病原菌中的應(yīng)用群體感應(yīng)在控制病原菌中的應(yīng)用2.2.群體感應(yīng)系統(tǒng)的分類及機制群體感應(yīng)系統(tǒng)的分類及機制第二頁，共二十三頁。群體感應(yīng)(gnyng)的發(fā)現(xiàn)20世紀70年代，海洋細菌費氏弧菌(Vibrio fiscberi)和哈氏弧菌(V . harveyi) 生物發(fā)光現(xiàn)象Nealson等在1970年首次報道了該菌菌體密度與生物發(fā)光呈正相關(guān)(xinggun)，引發(fā)了關(guān)于群體感

2、應(yīng)的猜想1994年Fuqua等提出了群體感應(yīng)(quorum sensing，QS)這一概念第三頁，共二十三頁。群體感應(yīng)(gnyng)的發(fā)現(xiàn)第四頁，共二十三頁。 細菌之間存在信息交流，許多細菌都能合成并釋放一種被稱為自誘細菌之間存在信息交流，許多細菌都能合成并釋放一種被稱為自誘導(dǎo)物質(zhì)導(dǎo)物質(zhì)(autoinducer(autoinducer，AIAI) )的信號分子，胞外的的信號分子，胞外的AIAI濃度能隨細菌密度濃度能隨細菌密度的增加而增加，當信號達到一定的濃度閾值時，能啟動菌體中相關(guān)的增加而增加，當信號達到一定的濃度閾值時，能啟動菌體中相關(guān)(xinggun)(xinggun)基因的表達來適應(yīng)環(huán)境

3、的變化，如芽胞桿菌中感受態(tài)與芽胞基因的表達來適應(yīng)環(huán)境的變化，如芽胞桿菌中感受態(tài)與芽胞形成、病原細菌胞外酶與毒素產(chǎn)生、生物膜形成、菌體發(fā)光、色素形成、病原細菌胞外酶與毒素產(chǎn)生、生物膜形成、菌體發(fā)光、色素產(chǎn)生、抗生素形成等，我們將這一現(xiàn)象稱為產(chǎn)生、抗生素形成等，我們將這一現(xiàn)象稱為群體感應(yīng)群體感應(yīng)(quorum (quorum sensingsensing，QSQS) )第五頁，共二十三頁。群體感應(yīng)(gnyng)的研究意義 了解單細胞微生物的信息交流與行為特性的關(guān) 系，建立起化學(huxu)信號物質(zhì)和生理行為之間的聯(lián)系 通過人為地干擾或促進微生物的群體感應(yīng)系統(tǒng)， 從而調(diào)控其某種功能，以達成實際意義上

4、的的應(yīng) 用第六頁，共二十三頁。群體(qnt)感應(yīng)系統(tǒng)的分類G-菌菌QS系統(tǒng)系統(tǒng)(xtng)G+菌菌QS系統(tǒng)系統(tǒng)(xtng)種間種間QS系統(tǒng)系統(tǒng)種內(nèi)種內(nèi)QS系統(tǒng)系統(tǒng)群體感應(yīng)群體感應(yīng)QS 系統(tǒng)由自誘導(dǎo)分子 、 感應(yīng)分子及下游調(diào)控蛋白組成。從已有的研究成果看，大部分細菌一般均有兩套群體感應(yīng)系統(tǒng)，一套用于種內(nèi)信息交流，一套用于種間信息交流；根據(jù)細菌合成的自誘導(dǎo)分子和感應(yīng)機制不同，；根據(jù)細菌合成的自誘導(dǎo)分子和感應(yīng)機制不同，QS系統(tǒng)主要分為系統(tǒng)主要分為3 種：種：寡肽類物質(zhì)寡肽類物質(zhì)(AIP)N-?；呓z氨酸內(nèi)酯?；呓z氨酸內(nèi)酯（AHL)呋喃酰硼酸二酯呋喃酰硼酸二酯第七頁，共二十三頁。種內(nèi)交流(jioli

5、)：G- 的QS系統(tǒng)LuxI 蛋白(dnbi)是AI合成酶，能夠合成信號分子 N-?；呓z氨酸內(nèi)酯（AHL）LuxR蛋白是細胞質(zhì)內(nèi)AI感受因子，也是一種DNA結(jié)合轉(zhuǎn)錄激活元件;其 N-端與AHL結(jié)合，C-端則參與(cny)寡聚化以及與啟動子DNA的結(jié)合第八頁，共二十三頁。種內(nèi)交流(jioli)：G- 的QS系統(tǒng)LuxILuxI產(chǎn)生產(chǎn)生AHLAHL，自由通過，自由通過細胞膜，分泌到胞外細胞膜，分泌到胞外AHLAHL隨菌體濃度上升在胞隨菌體濃度上升在胞外積累到閾值外積累到閾值A(chǔ)HLAHL擴散入胞內(nèi)與擴散入胞內(nèi)與LuxRLuxR蛋蛋白結(jié)合，形成白結(jié)合，形成(xngchng)(xngchng)AIAI

6、LuxRLuxR復(fù)復(fù)合體，并結(jié)合到合體，并結(jié)合到 DNA DNA上，上，激活發(fā)光基因的啟動子轉(zhuǎn)激活發(fā)光基因的啟動子轉(zhuǎn)錄錄費氏弧菌費氏弧菌(h jn)的的AHL-LuxILuxR 型系統(tǒng)：型系統(tǒng)：第九頁，共二十三頁。種內(nèi)交流(jioli)：G- 的QS系統(tǒng) 革蘭氏陰性菌中，有超過70種的細菌利用 AHL作為胞間交流的信號分子。有超過50種的革蘭氏陰性菌都是利用這種AHL-LuxI/LuxR 型系統(tǒng)進行細胞間的交流。費氏弧菌(h jn)的 LuxI/Lux R雙組分系統(tǒng)被視為革蘭氏陰性菌群體感應(yīng)的模式系統(tǒng)。 不同的細菌產(chǎn)生不同的 AHL，差異只在于?；鶄?cè)鏈的長度與結(jié)構(gòu)，高絲氨酸內(nèi)酯部分是相同的。這

7、也造成了微生物在利用AHL信號分子時具有一定的特異性。第十頁，共二十三頁。種內(nèi)交流(jioli)：G+ 的QS系統(tǒng)AIP不能自由穿透細胞壁，需要ABC（ATP-binding-cassette）轉(zhuǎn)運系統(tǒng)或其它膜通道蛋白(dnbi)作用到達胞外行使功能AIP前體肽前體肽經(jīng)轉(zhuǎn)錄后經(jīng)轉(zhuǎn)錄后的一系列修飾的一系列修飾(xish)加加工，在不同細菌內(nèi)形成工，在不同細菌內(nèi)形成長短不同、穩(wěn)定、長短不同、穩(wěn)定、特特異的異的AIPAIP濃度在胞外達到某一閾值膜上激酶識別信號分子，并并促進激酶中組氨酸殘基磷酸化經(jīng)過天冬氨酸殘基的傳遞，把磷酸基團傳遞給受體蛋白磷酸化的受體蛋白與 DNA 特定的靶位點結(jié)合，調(diào)控基因表達

8、基因表達第十一頁，共二十三頁。種內(nèi)交流(jioli)：G+ 的QS系統(tǒng)第十二頁，共二十三頁。種內(nèi)交流(jioli)：G+ 的QS系統(tǒng)金黃色葡萄球菌金黃色葡萄球菌(p to qi jn)的雙組份的雙組份QS系統(tǒng)：系統(tǒng)：第十三頁，共二十三頁。種間交流(jioli)AI-1由LuxM 基因編碼產(chǎn)物催化產(chǎn)生，相應(yīng)的感應(yīng)分子為LuxNAI-2的分子本質(zhì)是呋喃(fnn)酰硼酸二二酯類化合物酯類化合物，感應(yīng)分子為 LuxP 和 LuxQLuxN 和 LuxQ 均通過LuxU 來實實現(xiàn)信號傳遞 ，LuxU 是一種磷酸轉(zhuǎn)移酶，活化后將信號傳遞至調(diào)節(jié)蛋白LuxO，并在另一蛋白LuxR 的協(xié)助下，啟動基因的表達信號

9、信號(xnho)分子分子信號傳遞及信號傳遞及識別識別第十四頁，共二十三頁。種間交流(jioli)信號分子信號分子AI-2：呋喃酰硼酸二酯類化合物：呋喃酰硼酸二酯類化合物細菌識別AI-2型信號分子的方式與G+中雙組分激酶的識別系統(tǒng)是完全一致的，即雙組分激酶識別，即雙組分激酶識別 AI-2分子后，把磷酸化基團傳遞給受體蛋白并分子后，把磷酸化基團傳遞給受體蛋白并啟動相關(guān)基因的表達啟動相關(guān)基因的表達AI-2信號分子作用(zuyng)廣泛，能夠被多種微生物識別，是不同菌種之間的共同語言，起著微生物種間交流的作用第十五頁，共二十三頁。群體感應(yīng)(gnyng)在控制病原菌中的應(yīng)用 微生物對宿主的致病過程復(fù)雜多

10、樣，包括以下幾個可能相互交叉的階段：微生物對宿主微生物對宿主的致病過程復(fù)雜多樣，包括以下幾個可能相互交叉的階段：微生物對宿主的侵襲和定殖、毒力因子的產(chǎn)生和作用于宿主、對宿主免疫和藥物的抵抗。的侵襲和定殖、毒力因子的產(chǎn)生和作用于宿主、對宿主免疫和藥物的抵抗。 在微生物群體感應(yīng)在微生物群體感應(yīng)(gnyng)控制的生命活動中，最引人關(guān)注的是控制的生命活動中，最引人關(guān)注的是對毒力因子產(chǎn)生對毒力因子產(chǎn)生和生物膜形成的控制和生物膜形成的控制，如果抑制了這兩個作用就可以防止致病菌產(chǎn)生致病作用及增，如果抑制了這兩個作用就可以防止致病菌產(chǎn)生致病作用及增強抗生素的作用效果強抗生素的作用效果第十六頁，共二十三頁。毒

11、力因子的產(chǎn)生：毒力因子的產(chǎn)生：腸球菌的主要毒力因子是溶細胞素，由 2 個亞單位CylLL和CylLS組成，在胞外以具有毒性的CylLL 和CylLS形式存在。研究表明，CylLS擔任了QS系統(tǒng)機制(jzh)中信號分子的作用。Coburn等發(fā)現(xiàn)，CylLL 優(yōu)先與靶細胞結(jié)合，導(dǎo)致游離 CylLS的積累并超過誘導(dǎo)閾值，然后激活CylLS表達，產(chǎn)生高水平的溶細胞素群體群體(qnt)感應(yīng)感應(yīng)對生物膜形成的控制：對生物膜形成的控制：銅綠假單胞菌QS系統(tǒng)有l(wèi)asI/lasR、rhlI/rhlR兩個信號系統(tǒng)，lasI、rhlI與lasR、rhlR基因分別編碼不同的信號分子合成酶與信號分子受體。信號分子隨著細

12、菌密度的增加而分泌增加，當信號分子達到一定閾值時，信號分子與相應(yīng)的信號分子受體結(jié)合并激活受體，激活的受體再激活相關(guān)的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)子，合成胞外多糖、毒性因子(ynz)及藻酸鹽等，使細菌聚集形成生物被膜第十七頁，共二十三頁。群體感應(yīng)(gnyng)的抑制1.1.產(chǎn)生可以使產(chǎn)生可以使AHLAHL分子滅活的分子滅活的AHLAHL降解酶，使病原菌降解酶，使病原菌QSQS系統(tǒng)不系統(tǒng)不 能啟動它所調(diào)控的基因能啟動它所調(diào)控的基因 內(nèi)酯酶內(nèi)酯酶(AHL-1actonase) (AHL-1actonase) 和?；D(zhuǎn)移酶和?；D(zhuǎn)移酶(AHL-acylase) (AHL-acylase) 目前都已經(jīng)在一些細菌中目前都已經(jīng)

13、在一些細菌中被發(fā)現(xiàn)。內(nèi)酯酶可以水解被發(fā)現(xiàn)。內(nèi)酯酶可以水解AHLAHL的內(nèi)酯鍵，生成的的內(nèi)酯鍵，生成的N-N-?；呓z氨酸內(nèi)酯的生物活性大大?；呓z氨酸內(nèi)酯的生物活性大大降低降低 Dong Dong等經(jīng)過大量的實驗和研究從芽孢桿菌等經(jīng)過大量的實驗和研究從芽孢桿菌(gnjn)(gnjn)( (Bacillus240B1Bacillus240B1) )中分離出能夠降中分離出能夠降解解AHLAHL的酶的酶AiiAAiiA。其后研究證明。其后研究證明AiiAAiiA編碼一個編碼一個AHLAHL內(nèi)酯水解酶。內(nèi)酯水解酶。AiiAAiiA蛋白能打開胡蘿卜蛋白能打開胡蘿卜軟腐歐文氏菌產(chǎn)生的軟腐歐文氏菌產(chǎn)生的AH

14、LAHL的內(nèi)酯鍵，使軟腐菌的的內(nèi)酯鍵，使軟腐菌的QSQS系統(tǒng)失靈，由其調(diào)控的致病基因與碳青烯系統(tǒng)失靈，由其調(diào)控的致病基因與碳青烯抗生素基因不能表達，從而大大削弱了該菌的致病力抗生素基因不能表達，從而大大削弱了該菌的致病力第十八頁，共二十三頁。2.2.產(chǎn)生病原菌信號分子的類似物與信號分子受體蛋產(chǎn)生病原菌信號分子的類似物與信號分子受體蛋 白競爭結(jié)合，從而阻斷病原菌的白競爭結(jié)合，從而阻斷病原菌的QSQS系統(tǒng)系統(tǒng)海洋紅藻海洋紅藻(Delisea pulchra)(Delisea pulchra)產(chǎn)生的鹵化呋喃酮結(jié)構(gòu)和產(chǎn)生的鹵化呋喃酮結(jié)構(gòu)和AHLAHL相似，用該鹵化呋相似，用該鹵化呋喃酮處理喃酮處理V.

15、 fiscberiV. fiscberi后，其后，其QSQS系統(tǒng)被競爭性的抑制。另外吡咯酮類化合物、某些取系統(tǒng)被競爭性的抑制。另外吡咯酮類化合物、某些取代的代的HSLHSL化合物、二酮哌嗪類化合物等也能夠起到相類似的作用。在化合物、二酮哌嗪類化合物等也能夠起到相類似的作用。在G G+ +菌中，盡管菌中，盡管AIPAIP分子調(diào)控許多致病基因的表達，但目前還沒有專門針對其分子調(diào)控許多致病基因的表達，但目前還沒有專門針對其QSQS系統(tǒng)的防病策略。僅在金黃色系統(tǒng)的防病策略。僅在金黃色葡萄球菌發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)生不同葡萄球菌發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)生不同(b tn)(b tn)種類的種類的AIPAIP之間可以相互抑制。因此可以通

16、過設(shè)計與病之間可以相互抑制。因此可以通過設(shè)計與病菌菌AIPAIP分子相似的物質(zhì)來破壞其分子相似的物質(zhì)來破壞其QSQS統(tǒng)，從而增強植物等的抗病性統(tǒng)，從而增強植物等的抗病性群體(qnt)感應(yīng)的抑制第十九頁，共二十三頁。3.3.利用利用QSQS系統(tǒng)中的信號分子來誘發(fā)抗性，植物中比較常見系統(tǒng)中的信號分子來誘發(fā)抗性，植物中比較常見 豌豆、馬鈴薯、苜蓿屬等植物宿主不僅能產(chǎn)生抑制因子干擾細菌豌豆、馬鈴薯、苜蓿屬等植物宿主不僅能產(chǎn)生抑制因子干擾細菌(xjn)(xjn)QSQS，還，還能產(chǎn)生能產(chǎn)生AHLAHL類似物激活類似物激活QSQS系統(tǒng)。系統(tǒng)。SchuheggerSchuhegger等研究發(fā)現(xiàn)番茄根際產(chǎn)等研

17、究發(fā)現(xiàn)番茄根際產(chǎn)AHLAHL細菌細菌(xjn)(xjn)的的存在可以誘導(dǎo)植物水楊酸和乙烯依賴的防衛(wèi)反應(yīng)，使植物產(chǎn)生對病原真菌交鏈孢屬存在可以誘導(dǎo)植物水楊酸和乙烯依賴的防衛(wèi)反應(yīng)，使植物產(chǎn)生對病原真菌交鏈孢屬病菌病菌(Alternaria alternate)(Alternaria alternate)的誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性。這說明細菌的誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性。這說明細菌(xjn)(xjn)QSQS系統(tǒng)的信號分系統(tǒng)的信號分子確實能夠誘發(fā)植物的一些反應(yīng)，這就為植物抗病性研究提供了新的思路子確實能夠誘發(fā)植物的一些反應(yīng)，這就為植物抗病性研究提供了新的思路群體(qnt)感應(yīng)的抑制第二十頁，共二十三頁。小結(jié)(xioji)與展望： 群體感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)被視為近 20 年來微生物研究領(lǐng)域中最重大的進展之一。細菌利用 QS 調(diào)控系統(tǒng)以群體協(xié)作的方式對種群的社會行為(xngwi)產(chǎn)生影響，賦予細菌類似多細胞群體行為(xngwi)的能力，使之更好地適應(yīng)不斷變化的環(huán)境。QS 在農(nóng)業(yè)、生物技術(shù)和醫(yī)學等諸多領(lǐng)域展示了廣闊的應(yīng)用前景。第二十一頁，共