全 文 ：·综述与专论· 2015, 31(1):33-38
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN
20 世纪 70 年代，Nealson 和 Hastings［1］通过研
究海洋细菌费氏弧菌（Vibrio fischeri）和哈氏弧菌
（Vibrio harveyi）生物发光现象发现了菌群间的交流
及相互作用。90 年代 Greenberg 等将这种细菌分泌
小信号分子即诱导因子（Autoinducer），以及该因子
在微生物小群体间共同行为转导中所起的调控作用
定义为群体感应（Quorum sensing，QS）［1］。群体感
应参与调控细菌的多种生理过程，如生物发光、生
收稿日期 ：2014-07-14
基金项目 ：国家自然科学基金项目（81101220），天津市应用基础与前沿研究计划项目（12JCQNJC08100），“十二五”综投天津市高校中青
年骨干创新人才支持计划，天津市创新团队建设项目（TD12-5049）
作者简介 ：梁心琰，女，研究方向 ：微生物与发酵 ；E-mail ：liangxinyanmm@163.com
通讯作者 ：阮海华，女，博士，副教授，研究方向 ：微生物与基因工程 ；E-mail ：ruanhaihua@tjcu.edu.cn
细菌群体感应及其在病原菌防治中的应用
梁心琰  阮海华
（天津商业大学生物技术与食品科学学院，天津 300134）
摘 要 ： 细菌分泌一种或多种化学信号分子，这些化学信号分子作为诱导因子感知和判断菌群密度和周围环境的变化。当
菌群达到一定阈值时会启动一系列相关基因的表达以调控菌体的群体行为，细菌的这种生理行为称为群体感应。大量的研究表明，
不同类型的细菌具有不同的群体感应系统。群体感应机制广泛存在于病原菌中，并与其侵染过程、毒力基因表达及致病性密切相关。
利用这种群体感应机制作为靶点进行病原菌的防治是医学领域广泛关注的问题。在此就细菌群体感应及其在病原菌防治中的应用
进行阐述。
关键词 ： 细菌 ；群体感应 ；自身诱导因子 ；调控 ；病原菌防治
DIO ： 10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2015.01.005
Quorum Sensing and Its Application in Preventing and Therapeutic
Effect for Pathogenic Bacteria
Liang Xinyan Ruan Haihua
（Department of Biotechnology and Food Science，Tianjin University of Commerce，Tianjin 300134）
Abstract: Bacteria releases one or several chemical molecules served as signal to estimate the density of bacteria and sense the change of
environment. This chemical communication, called as “quorum sensing”（QS）is defined as a density dependent mechanism by which bacteria
coordinate expression of specific target genes in response to a critical concentration of signal molecules. A many of studies had showed that the
construction of various QS system depends on the type of bacteria. QS system exists widely in pathogenic bacteria, which build up the capability
of infection, expression of toxic genes and pathogenesis. Therefore, it is a concerned topic in medicine realm that prevents and cures the diseases
caused by pathogenic bacteria by targeting the QS system. Here, this review discussed the QS and its application in preventing and therapeutic
effect for pathogenic bacteria.
Key words: bacteria ；quorum sensing ；autoinducer ；control ；pathogen therapeutic
物膜及孢子形成、细胞分化、质粒的接合转移、运
动性及胞外多糖形成等，并与致病菌毒力因子的诱
导、细菌与真核生物的共生、细菌素的合成及抗菌
药物的研发等与人类关系密切的细菌的生理特性
相关［2］。
迄今为止，大量研究发现，介导微生物群体感
应的化学信号分子主要分为 3 类 ：（1）以 N-酰基
高丝氨酸内酯类（Acyl-homoserine lactones，AHLs）
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.134
及其衍生物作为信号分子，主要作用于革兰氏阴
性菌 ；（2）氨基酸和短肽类（Autoinducing peptide，
AIPs），主要作用于革兰氏阳性菌 ；（3）呋喃硼酸
酯 类（Furanostl borate diester）， 即 AI-2。AI-2 是 由
LuxS 蛋白介导产生的一类信号分子，是一类种间信
号分子，在革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌中均存在，
可感知不同种属微生物间的数量进而调控其行为［3］。
此外，最新研究表明，在某些细菌中还发现了一类
新的信号系统 AI-3，这类信号分子能产生类似肾上
腺素的级联放大反应［4］。
1 群体感应系统的分类
细菌群体感应系统首先由酶催化合成信号分子，
信号分子经扩散或转运系统到达胞外，当累积到一
定浓度后，被位于膜上的感应系统识别，引起受体
蛋白的构象的变化，最终激活靶基因的表达，该表
达产物能使细菌适应外界环境的变化。细菌群体感
应包括种间和种内两种群体感应系统。
1.1 细菌种内的群体感应系统
1.1.1 革兰氏阴性菌的群体感应系统 革兰氏阴性
菌的群体感应系统主要以 N-酰基高丝氨酸内酯类及
其衍生物作为信号分子［5］。AHLs 由 LuxI（以海洋
费氏弧菌的 Luciferase 编码基因 LUX1 命名）类蛋白
酶催化脂肪酸代谢途径中的酰基-酰基载体蛋白的
酰基侧链与 S-腺苷甲硫氨酸中高丝氨酸结合后内酯
化而成，其含有高丝氨酸内酯环和一个酰胺链，酰
胺链中的碳原子数（从 4-18 个，多为偶数，奇数中
只有 7）和第 3 位上取代基（氢、羟基和羧基）决
定了该类信号分子对细菌的不同调控功能［6］。如图
1 所示，AHLs 信号分子由一个疏水性的高保守丝氨
酸内酯环的头部和一个亲水性的可变的酰胺侧链的
尾部组成，可变的酰基链的尾部决定了它的多样性。
AHLs 带有短的酰胺侧链使其被动地进出细菌细胞
壁，而带有长的酰胺侧链的 AHLs 靠主动转运机制
跨过细菌细胞膜［7］。因此，AHLs 为膜透过性分子，
可跨过细菌细胞膜。当 AHLs 分子在环境中积累到
一定浓度时，AHLs 分子跨过细胞膜与胞内 LuxR 受
体蛋白的氨基端结合，形成特定构象，使羧基端与
靶 DNA 序列相结合，从而调控某些功能基因的表达。
同时 AHLs 信号分子与其受体蛋白形成的复合物也
对 AHLs 信号分子及其受体蛋白本身的产生具有反
馈调节效应。
AI
LuxI㳻ⲭ LuxR㳻ⲭл⑨䶦สഐ
图 1 LuxI-LuxR 型调节系统［8］
1.1.2 革兰氏阳性菌的群体感应系统 革兰氏阳性
菌的群体感应系统主要利用氨基酸和短肽类作为信
号分子，AIPs 是由体内前体肽经加工修饰后生成的
成熟的寡肽信号分子，如图 2 所示，它不能自由穿
透细胞膜，需要 ABC 转运系统（ATP-Binding-cassette）
或其他膜通道蛋白的帮助运送到达胞外进而行使功
能。这种寡肽信号 AIPs 随菌体浓度增加而增加，当
达到一定浓度时，被位于膜上的受体激酶蛋白与
AIPs 信号分子识别后，促进此双组分磷酸激酶系统
中的组氨酸残基磷酸化，后经天冬氨酸残基传递给
ABC ࡽփ㛭Ⲵ؞侠࣐ᐕ㠚䈡ሬ㛭 ૽ᓄ䈳㢲ᆀPPHл⑨䶦สഐࡽփ㛭ਸᡀս⛩
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图 2 革兰氏阳性菌群体感应系统［8］
2015,31(1) 35梁心琰等：细菌群体感应及其在病原菌防治中的应用
受体蛋白，磷酸化的受体蛋白与 DNA 特定靶位结合，
从而起到基因调控表达作用。
1.2 细菌种间群体感应系统
细菌除了种内的群体感应，也存在种间的群体
感应。 Mok 和 Bassler 等［9］研究发现，哈氏弧菌 QS
系统既能识别 AHLs 分子，也能识别 AI-2 类分子，
并通过识别 AI-2 类分子感知自身或其他菌数量，进
而调节自身行为［10］。AI-2 信号分子在任何检测的菌
种中均为呋喃酰硼酸二酯，这一点与 AHLs 和 AIPs
信号分子具有细菌特异性不同。细菌识别 AI-2 信号
分子的方式与革兰氏阳性菌中双组份激酶的识别系
统类似。双组份激酶识别 AI-2 信号分子后把磷酸
化基团传递给受体蛋白并启动相关基因的表达［11］。
AI-2 信号分子是上下对称的双五环结构的 S-腺苷甲
硫氨酸。由 LuxS 基因编码的蛋白酶催化形成 AI-2
分子前体物经一系列中间反应后，最终在硼酸离子
参与下形成呋喃酰硼酸二酯。因此，LuxS 基因被认
为是合成 AI-2 的标志基因，且在革兰氏阳性菌及革
兰氏阴性菌中均较保守。
1.3 其他QS系统
另外，其他一些细菌基因组中含有 LuxS 的类似
物，能产生 AI-3 小分子。研究表明，肠出血性大肠
埃 希 氏 菌（Enterohemorrhagic escherichia coli） 的 动
力、黏附性及毒力基因的表达受其自身诱导物 AI-3
参与的 QS 系统调节［12］。肾上腺素 / 去甲肾上腺素
可诱导肠出血性大肠埃希氏菌毒力基因的表达，而
AI-3 的作用可被肾上腺素受体拮抗剂抑制，由此可
推测 AI-3 与肾上腺素 / 去甲肾上腺素结构相似。在
真菌中，也有类似细菌的群体感应效应。白色念珠
菌（Candida albicans）群体效应分子法尼醇（Farnesol）
是真核生物中第一个被发现的群体感应分子［13］。它
能通过改变宿主细胞膜通透性而增强白色念珠菌
的致病性［14］，还能削弱宿主细胞免疫功能［15］、调
控 生 物 膜 的 形 成［16］、 介 导 真 菌 间 的 相 互 拮 抗 作
用［17］。另一种在白色念珠菌中发现的群体感应分子
是对羟苯基乙醇（Tyrosol）。该分子与 farnesol 的作
用相反，可促进白色念珠菌由酵母相向菌丝相的转
变［18］，与 farnesol 共同调控此转换。此外，新生隐
球菌（Cryptococcus neoformans）中也有群体感应样
分 子 QSP1（Quorum sensing like peptide，QSP1） 的
存在，并且发现 QSP1 与新生隐球菌菌落的形成有
关［19］。将从正常菌株培养液上清中分离出的 QSP1
加入不能正常生长的 Δqsp1 突变菌平板中可促进该
突变菌株形成正常菌落。另有研究［20］发现荚膜组
织胞浆菌（Histoplasmosis capsulati）细胞壁中 α-1，3
葡聚糖糖苷与其致病性密切相关。体外条件下该菌
接种密度对糖苷的产生具有显著影响，接种密度高
合成糖苷，接种密度低则不合成糖苷。如果向低密
度培养体系中加入高密度培养的上清液则低密度体
系可以合成糖苷。这是由于该菌在高密度培养时释
放一种相对分子量大于 6 000（kD）的物质，其效
应类似于细菌中的自身诱导物，可促进糖苷的合成，
构成细胞的胞壁组分。目前真菌的群体感应现象研
究开展尚浅，不断有新群体效应分子被发现，如在
酵 母（Saccharomycetes） 中 发 现 的 phenylethanol 和
tryptophol［21］被证实也属于群体感应分子，但其理
化性质及作用机制尚未明确。一旦建立真菌群体感
应同致病性的联系，并明确其机制就可开发以真菌
群体感应为靶点的新型抗菌药物及治疗手段。
2 细菌群体感应在病原菌防治中的应用
2.1 抑制QS系统的应用
抑制 QS 系统的应用主要包括 3 个方面 ：第一，
控制病原菌的群体感应从而抑制致病毒素的分泌 ；
第二，抑制 QS 系统的效应使病原菌难以形成对抗
生素有抗性作用的生物被膜，解除病原菌的抗药性；
第三，抑制病原菌的群体感应效应可调节和加强受
感染者自身免疫系统的抗病能力［22］。该应用的优势
包括 ：不会产生抗药性 ；具较强的专一性，即在抑
制有害菌作用的过程中不会伤害有益菌，尤其是竞
争性抑制剂抑制有害菌，有时甚至可以促进有益菌
的生长。
2.2 抑制QS系统的途径
2.2.1 产生降解病原菌信号分子的酶，使病原菌 QS
系统不能启动它所控制的基因 Dong 等［23］从芽孢
杆菌（Bacillus）240B1 中分离出能够降解 AHLs 的
酶——AiiA。AiiA 编码一个 AHLs 内酯水解酶来水
解 AHLs 的内酯键，使其难以达到引发致病因子表
达的临界浓度，从而使病原菌失去致病力［24］。Von
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.136
Bodman 和 Bauer 等在根癌土壤杆菌（Agrobacterium
tumefaciens） 中 发 现 了 与 AiiA 类 似 的 内 酯 酶 ——
AttM［25］，也能够有效减弱该菌的致病性。
2.2.2 QS 系 统 抑 制 剂 干 扰 病 原 菌 生 物 被 膜 的 形
成 近年来，人们发现细菌能产生一种具有协调
性、功能性和高度结构性的膜状复合物——生物被
膜（Bacterialbiofilm，BF），其表面包被多聚糖基质，
内部包含众多输送养料的管道。目前的研究发现近
80% 以上的人类细菌感染与 BF 的形成有关［26］。多
数细菌 BF 的形成、发展及功能调节需 QS 信号分子
参与［27-29］。其中，QS 信号调控 BF 的功能主要表现
在两个方面 ：第一，调控 BF 的形成，提高菌群耐
药性 ；第二，直接参与多重耐药泵的调控，提高菌
群耐药性［30］。例如，霍乱弧菌（Vibrio cholerae）和
液化沙雷氏菌（Serratia liquefaciens）中 QS 信号分子
调控被膜所需的外聚物合成和细胞聚集，并触发其
他被膜相关应答从而增强其抗药性［31］。AHLs 是细
菌 BF 内的信息传递分子，对形成和维持细菌 BF 三
维结构起着重要作用，所以不产生 AHL 的缺陷性菌
株群体细胞极易被十二烷基磺酸钠破坏［32］。例如，
Bauer 等［33］通过合成化合物干扰 A1 分子信号进而
干扰细菌的 QS 系统，使细菌不发生聚集并形成 BF。
更多的研究也证实了这一点，Geske 等［34］发现对铜
绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）使用铁螯合
剂可对抗细菌 BF 的形成。Matsunaga 等［35］发现多
种儿茶素在亚抑菌浓度可抑制啮蚀艾肯菌（Eikenella
corrodens）BF 的 形 成。Lee 等［36］ 报 道 了 3-吲 哚 乙
腈可减少大肠埃希氏菌 O157∶H7 细菌 BF 的形成。
因此，通过干扰细菌 QS 信号来破坏细菌 BF 形成
为解决细菌由于 BF 引起的细菌耐药提供了全新的
思路。
2.2.3 产生病原菌信号分子的类似物与信号分子受
体蛋白竞争结合 阻断病原菌的 QS 系统 AHLs 信号
分子的类似物或拮抗剂可以与 AHLs 竞争其胞内特
异受体蛋白，破坏 AHLs 的调控机制，使病原菌失
去致病力。海洋红藻产生的卤化呋喃酮结构和 AHLs
结构相似，用该卤化呋喃酮处理费氏弧菌后，其 QS
系统被竞争性抑制［37］。另外，吡咯酮类化合物、某
些取代的 HSL 化合物、二酮哌嗪类化合物等也能够
起到相类似的竞争性抑制的作用［38］。事实上，通
过人工合成的卤代呋喃酮结构，如 Manny 等［39］合
成的如呋喃酮 56 可以阻断 AHLs 分子与受体蛋白
结合且效果显著。Hentzer 等［40］用一种新的呋喃酮
衍生物呋喃酮 C-30 作为铜绿假单胞菌的 QS 拮抗
剂，抑制了编码多药外排泵和毒力因子基因的表达。
Daniels 等［41］的研究亦显示，一些卤代呋喃酮化合
物还能抑制 AI-2 分子介导的 QS 信号系统。实际上
除了卤代呋喃酮，许多呋喃酮衍生物同样具有群感
效应的拮抗作用［42］。目前呋喃类化合物及其衍生物
是研究较多的 QS 系统抑制剂，但其成分复杂且部
分化合物具有细胞毒性［43］，所以针对呋喃类化合物
的作用还有待进一步研究。
2.2.4 利用 QS 系统中的信号分子来诱发宿主生物
的抗性 豌豆、马铃薯、苜蓿属等植物宿主不仅能
产生抑制因子干扰细菌 QS 系统，还能产生 AHLs 类
似物激活 QS 系统。Schuhegger 等［44］研究发现番茄
根际可产 AHLs 的细菌的存在可以诱导植物水杨酸
和乙烯依赖的防卫反应，使植物产生对病原真菌交
链孢属病菌（Alternaria）的系统诱导抗性。这证明
细菌 QS 系统的信号分子确实能够诱发植物的一些
反应，也为植物抗病性研究提供了新的思路。
另外，还可通过其他方式利用细菌群体感应
防治病原菌。Lwewnza 等［45］研究发现洋葱伯克霍
尔德菌能借助铜绿假单胞菌产生的 AHL 物质来控
制自身的致病性。作为微生态治疗制剂的益生菌
乳 酸 杆 菌（Lactobacillus）、 粪 链 球 菌（Streptococcus
faecalis）、芽孢杆菌（Bacillus cohn，1872）、双歧杆
菌（Bifidobacterium）和酵母菌可产生过氧化氢、有
机酸、杀菌素和抗生素等，对病原菌有明显的生物
拮抗作用。Brackman 等［46］将具有 QS 抑制活性的物
质与抗生素联用，发现 QS 抑制剂可提高生物被膜
细菌对药物的敏感性，揭示了这种联用方式可能是
未来治疗的一种趋势。
3 结语
从发现至今，细菌间交流、联系及在真核细胞
侵染中发挥重要作用的 QS 系统愈来愈被世界各国
的研究者所重视。掌握并有效地利用其机制来控制
病原菌生物膜的形成、毒力因子的产生、细菌间基
因交换等功能无疑为抵御细菌致病、感染、病原菌
2015,31(1) 37梁心琰等：细菌群体感应及其在病原菌防治中的应用
监测诊断和细菌耐药性研究提供了一条新的途径，
同时也为 QS 机制全方位应用于生物技术领域提供
了条件，因而具有极为广阔的前景。
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（责任编辑 狄艳红）