全 文 ：细菌群体感应系统研究进展及其应用*
李承光 贾振华2 邱健1 张霞2 马宏2 冀营光1 宋水山1, 2**
( 1河北工业大学生物工程系,天津 300130; 2河北省生物研究所,石家庄 050051)
摘 要: 细菌能自发产生、释放一些特定的信号分子, 并能感知其浓度变化, 调节微生物的群体行为,这一调
控系统称为群体感应。细菌群体感应参与包括人类、动植物病原菌致病力在内的多种生物学功能的调节。本文综
述了细菌群体感应的最新研究进展,并阐述了其在生物技术领域的应用前景。
关键词: 群体感应 群体感应信号分子 生物技术
Research Progress in Bacterial QuorumSensing
System and Its Application
*
Li Chengguang1 Jia Zhenhua2 Qiu Jian1 Zhang Xia2 Ma Hong2
Ji Yingguang 1 Song Shuishan1, 2**
( 1Depar tmen t of Biotechnology E ngineer ing , H ebei Univ ersi ty of T echn olog y , T ianj in 300130;
2H ebe i I nsti tute of B iolog y , S hij iaz hu ang 050051)
Abstract: Bacter ial quo rumsensing refers to t hat bacteria secr et and sense t he small signals co rresponding to
the density of t heir population and act ivate g enes collectiv ely once a certain density, a quo rum is r eached. Bacter ial
quorumsensing is invo lved in the regulation o f div erse cellular pro cesses including the virulence o f human and plant
pathogens. This ar ticle outline the latest rearch o f quo rumsensing , and describes the pr osperit y of applicat ion in bi
o technolog y.
Key words: Quo rumsensing Quorum sensing signal Biotechno log y
从事生物技术工作的科学家不断地寻求一种技
术平台,利用这一平台来提高生产效率,并能维持和
加强生物的特异性。近年来出现的微生物群体感应
有可能成为这一技术平台。在特定环境中, 细菌产
生并向环境中释放特定的细胞外信号分子, 随着个
体密度的增大, 信号分子积累到一定浓度时, 会诱发
细菌产生独特的、多样的群体行为,这一现象称为细
菌的群体感应[ 1, 2] , 胞外信号分子为控制细菌的分
子和细胞反应以及群体行为提供了基础。细菌群体
感应也可能是许多较高等生物胞间通用的进化基
础。因此,我们可以利用细菌的信号作用机制有效
的控制一些病原菌,同时不影响宿主细胞的正常生
理进程,这是目前广大的生物技术工作者所期望的。
本文综述了近年来的细菌群体感应以及如何驾
驭群体信号转导在生物技术领域中的应用等方面的
研究进展,并讨论了近年来发现的由群体感应信号
分子控制的一些特殊的生物学功能。
1 细菌的群体感应信号
群体感应主要有两类: 种内特异和种间特异。
革兰氏阴性菌利用具有不同酰基侧链的高丝氨酸内
酯( acy lhomoserine lactonase, AHLs) ,革兰氏阳性
菌利用一些小肽作为信号分子来感知种内自身种群
数量,协调多种基因的表达。还有一类信号分子是
一种呋喃硼酸二聚酯, 即自体诱导子2( auto induc
er2, 简称 AI2) ,它在革兰氏阴性菌和阳性菌中均
收稿日期: 20051101
* 基金项目:河北省自然科学基金资助项目( 303610)
作者简介:李承光( 1979 ) ,男,硕士研究生,研究方向:生物技术
** 通讯作者:宋水山( 1963 ) ,男,博士,研究员, Email: sh uishans@ yahoo. com. cn
生物技术通报
综述与专论 BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2006年第 1期
存在,被用来感知种间细菌数量来调控细菌自身行
为。最近 Lenz等 [ 3]指出,一些小的 RNA 分子( sR
NA)可能参与哈氏弧菌 ( Vibr o har vey i )和霍乱弧
菌( V ibr o choler ae )群体感应的调节。
另外,最近研究发现,有些细菌利用两种甚至三
种不同的信号分子调节自身群体行为[ 4]。这说明群
体感应机制是极为复杂的, 要想全面了解并利用细
菌群体感应系统,还有许多工作要做。
2 细菌群体感应机制的功能
研究表明, 群体感应参与细菌种群竞争, 孢子生
成,抗生素生产,致病因子诱导,细胞分化,致病菌感
染过程的营养分配以及其他许多生理反应的调
控[ 5]。最近通过蛋白质组学研究发现引起肺结核、
囊性纤维化等疾病的铜绿假单胞菌 ( P seudomonas
aer uginosa) 的致 病力与其 群体感 应有关 [ 6]。
Webb [ 7]等人研究表明,某些原核生物的细胞膜可通
过群体感应行使类似多细胞生物的功能。
许多动植物病原菌通过群体感应调控生物膜的
合成, 使之适应生存的需要。如人类病原菌 V.
choler ae刚进入肠道时, 由群体感应调节子 H apR
调控形成的细胞膜较厚, 能很好的适应人肠道内的
酸性环境,保护细菌免受胆汁和低 pH 的影响,维持
细菌致病能力。而当 V . cholerae开始侵染人体时,
会通过生成一种自体诱导物合成酶( CqsA )抑制胞
内多聚糖( vps)的表达, 使 HapR 机制失活, 细菌形
成的细胞膜变薄,以利于侵染宿主。研究证实,上述
两个不同的过程都是在群体感应的调控下进行
的[ 8]。黄单胞菌( X anthomonas campest ri s )侵染植
物同样需要群体感应基因簇 rp f , 它是合成和感应
可溶性信号分子( diffusible signal factor, DSF)所需
的基因, DSF/ r p f 系统可调节 甘露聚糖酶的活
性,控制病原菌侵染植物过程中生物膜的合成 [ 9]。
群体感应除了参与调节微生物种群的竞争和分
化外,还参与共生和竞生生物体之间的信息交流。
例如, P. aer uginosa 产生的 AHL 信号分子可进入
哺乳动物细胞, 激活构建的人工转录因子,使某些真
核基因得到表达。日前, 又有人采用 DNA 微点阵
技术分析发现, 大肠杆菌( E . col i )的 AI2突变株还
能产生另外一种群体感应信号分子,它对与之共培
养的野生型菌株合成 AI2有抑制作用[ 10]。
参与调控合成 AI2的 luxS 基因是目前研究的
热点之一,它参与调节原核和真核生物中许多的生
物学功能。LuxS蛋白在细菌的毒素生成, DNA 合
成,群体游动,细胞分化, 发光化合物产生等过程中
都发挥着主导作用, LuxS 还调控螺旋状菌( Bor re
l ia burgd of er i )的许多致病基因的表达, 这些基因
是病原菌进入宿主所必需的 [ 11]。
3 细菌群体感应相关基因的分析鉴定
细菌群体感应系统调控许多基因的表达,许多
基因又参与群体感应系统的调控,分析、鉴定群体感
应相关基因对于理解其作用机制和功能发挥具有重
要意义。最近, Hang [ 12] 等人利从用受霍乱弧菌感
染的病人体内提取的抗血清作为探针, 筛选霍乱弧
菌的原核蛋白表达文库, 得到一个与群体感应相关
的蛋白 LuxP。
PCR技术可以使大量的数据采集和致病菌、非
致病菌的鉴定大大简化。Hernandez 和 Olmos[ 13]
利用 PCR 探针和随机扩增多态 DNA ( RNA)的方
法,分离出对虾致病的哈氏弧菌( V. harv ey i )。Na
kayama等人则通过构建一个由自身诱导肽、受体激
酶和反应调节子构成的保守群体感应基因盒,利用
PCR方法从链球菌( Entor ococcus) , 梭状芽孢杆菌
( Clostr idium)和乳糖菌( L actobacil lus)等物种中扩
增出很多与群体感应相关的基因 [ 14] ,这种高通量的
研究方法有助于研究不同种群间信号分子的功能。
Potvin
[ 15]利用特征标记突变法( ST M )和高通量筛
选法研究铜绿假单胞菌突变株对小鼠模型的感染
力,结果表明,在菌株生长稳定期后期,有 222个基
因与之无关, 450个基因与群体感应有关。
从生物技术角度出发, 人们更期望筛选、鉴定出
更多的能够降解 AHL 的微生物, 进而开发设计生
物性高效抗菌剂。Jaf ra和 Vander 利用表达 LuxR/
LuxIGFP 融合蛋白的重组大肠杆菌为指示材料,
从马铃薯的根基中分离出很多可以降解 AHLs 的
菌株[ 16]。我们从不同环境中分离出几株能利用几
种 AHL 为惟一碳源的菌株, 其中一株可能谓酵母
菌(资料带发表)。
4 细菌群体感应的应用
4. 1 病虫害的生物防治
病虫害的生物防治是目前细菌群体感应控制技
6 生物技术通报 Biotechnology Bullet in 2006年第 1期
术应用的主要方面。
亚葡萄球菌属,如抗二甲氨基苯青霉素的金黄
色葡萄球菌( Staphy lococcus. aur eus) , 目前仍是最
为常见的条件致病菌之一。其群体感应系统在其毒
性基因表达,菌体生物膜的形成中发挥重要的作用。
而菌体生物膜又可以使病原菌更加耐受逆境中的冲
击和抗生素的攻击。Balaban 等人发现, 在培养基
中加入一种群体感应抑制剂 RIP(一种 RNAIII 型
抑制肽)可以抑制 S. aur eus[ 17] 和上皮葡萄球菌 [ 18]
( Stap hy lococcus ep idermid is )的生长和发育, 干扰
毒性基因 ap r 的表达,同时病原菌合成生物膜的能
力降低。实验表明, 将 RIP 和抗生素结合注入小鼠
体内可以显著提高抗生素的功效[ 17] 。
苏云金芽孢杆菌( Baci llus thur ingiensi s , 简称
Bt)对病原菌的生防能力部分源于它产生的 AHL
lactonase, 这种酶可水解 AHL 的内酯键, 使病原菌
的群体信号机制失活 [ 19]。研究表明, Bt 并不抑制
E . carotov or a本身的生长, 而是抑制它的致病力。
Molina等人将编码 AHLlactonase 基因 aiiA 导入
荧光假单胞菌, 重组的荧光假单胞菌因此具备了抑
制细菌病害发生的能力。本实验室也从 Bt 中克隆
出编码 AHLlactonase 的 ai iA 基因[ 20] , 并且发现
表达 aiiAGST 融合基因的重组大肠杆菌可以显著
抑制欧文氏菌引起的病症,转 aiiA 基因的转基因拟
南芥的抗病性鉴定也取得了积极的结果(资料待发
表)。
抑制有害水生菌的生长也是群体感应控制技术
的潜在的应用领域。Pasmore 和 Losterton [ 21] 从
Tozmazios海湾中筛选出多种能降解 Cymnodinium
catenatum 的菌株,其中包括可生成 AI2的 Pseud
omonas ssp (然而在此 AI2的生成与细菌的抗真菌
活性无关)。Valle[ 22] 等人研究表明,活性污泥法处
理工业废水时, 细菌群体感应可改变污水的化学特
性,向活性淤泥中加入 AHL 后,其苯酚降解能力有
所提高。然而, 又有证据表明, AI2和 AHL 都与食
品中革兰氏阴性菌的生物膜合成无关, 上述研究表
明群体感应机制是复杂的,有时甚至是矛盾的,尤其
是在生防方面。
4. 2 重组基因的表达
在生物工程领域,人们正致力于开发利用群体
感应机制控制原核和真核表达系统中蛋白质合成的
技术策略。Bulter 等人在大肠杆菌中构建了一种由
群体感应控制的人工蛋白表达系统[ 23] ,该系统由受
磷酸乙酰诱导的启动子 g lnAP2和重组绿荧光蛋白
( GFP)构成, 将其导入编码磷酸转乙酰酶基因 pta
缺失的 E. col i 突变株。由于该突变株中 p ta的失
活,其发酵液中乙酸的浓度只与菌体密度相关, 乙酸
相当于群体感应中的信号分子, 当细胞密度达到一
定值时,当培养液中乙酸浓度到达阈值 0. 4mM, 此
时级联反应被激活,进一步激活 glnAP2 启动子,启
动 GFP 的表达。如向培养基中添加适当浓度的乙
酸,可提前启动 GFP 的表达。而当 p ta的表达不受
抑制时,乙酸还起着细胞间交流因子的作用,作者认
为在这种情况下, 乙酸浓度将不再反应细胞密度,而
是反映细胞的代谢情况,这一模式系统将细胞生长、
代谢、胞间通讯和基因表达整合为一体,构成一个精
确控制的调控网络, 将有利于基因工程菌生产有用
外源产物的调控和高效率生产。
图 1 构建的两种基因表达控制系统
Nedderman[ 24] 构建了一个由配体和群体感应
蛋白 T raR 的 DNA 结合域构成的真核反式激活蛋
白(图 1a) , 并转染 Hela细胞。当培养基中补充适
当浓度的 3oxoC8HSL, 报告分子碱性磷酸酶
( SEAP)可被诱导表达。另外, 人们将天蓝色链霉
菌 ( Strep tomyces coeli colour ) 的群体感应受体
( ScbR)与哺乳动物细胞的反式激活域 ( VP16)融
合,用来控制重组哺乳动物细胞中 SEAP 和促红细
72006年第 1期 李承光等: 细菌群体感应系统研究进展及其应用
胞生长素的表达 [ 25] (图 1b)。实验表明,构建的上述
体系对 SEAP 表达的控制能力和 SV40启动子系统
的相似, 通过添加丁酸内酯, 反式激活蛋白可从
SEAP 启动子上分离,其合成能力减弱。因此,利用
细菌群体感应的调节, 可对哺乳动物细胞的蛋白表
达进行严格的控制。
5 结论
虽然取得了一些进展,但总的来讲,我们对群体
感应的了解还很有限。我们可以阻断群体感应, 并
利用克隆的基因片断进行转基因操作, 促进相关蛋
白的表达,但我们还不能将群体感应机制全方面的
用于生物技术领域中。要想全方位开发其应用价
值,还需要加强对群体感应机制等各方面的研究。
怎样利用微生物中广泛存在的群体机制全面控制,
细菌的生理过程达到我们的特定需要; 在原核生
物 真核生物互作过程中, 谁在细菌感染和细菌共
生中起主要作用,细菌群体行为有何局限性, 这种可
以预感和判断周围环境的群体行为是否存在统一的
标准,要解决这些问题,我们需要付出更多的努力。
参 考 文 献
1 Bassler BL, Wrig ht M , Show alter RE , et al. M ol M icrobiol,
1993, 9: 773~ 786.
2 宋水山,贾振华,等. 微生物学通报, 2004, 31( 2) : 117~ 120.
3 L enz DH , Mok KC, Lil ley BN, et al. Cell , 2004, 118: 69~ 82.
4 Bu rton . E, Read. H , Pel lit t eri. C. Appl Environ M icrobiol, 2005,
71: 4906~ 4909.
5 C vitk ovitch DG, Liu YH , Ellen RP. J Cl in Inves t, 2003, 112:
1626~ 1632.
6 ArevaloFerro C, Buschmann J, Reil G, Gorg A, et al . Pro
t eomics, 2004, 4: 1241~ 1246.
7 Webb JS, Givskov M , Kjelleberg S . Curr Opin M icrobiol, 2003,
6: 578~ 585.
8 Zhu J, M ekalanos JJ. Dev C ell, 2003, 5: 647~ 656.
9 Dow JM, C rossman L, Findlay K, et al. Proc Natl A cad Sci
USA, 2003, 100: 10995~ 11000.
10 Ren DC, Bedzyk LA, Ye RW, et al. Appl En vi ron Microbiol ,
2004, 70: 2038~ 2043.
11 Stevenson B, von Lackum K, Wat t ier RL, et al . M icrobes In
f ect , 2003, 5: 991~ 997.
12 H ang L, John M, Asaduzz aman M , et . Al. Proc Natl Acad Sci
USA, 2003, 100: 8508~ 8513.
13 H ernandez G, Olm os J. Appl M icrobiol Biotechnol, 2004, 63:
722~ 727.
14 Nakayama J, Akkerm ans ADL, De Vos WM. Biosci Biotechn ol
Bioch em, 2003, 67: 480~ 489.
15 Potvin E, L ehoux DE, KukavicaIbrulj I, et al. En viron Micro
biol, 2003, 5: 1294~ 1308.
16 Jafra S, van der Wol f JM . J Microbiol M ethods, 2004, 57: 415
~ 420.
17 Balaban N, Gov Y, Bitler A et al. Kidn ey In t, 2003, 63: 340~
345.
18 Balaban N, Giacomet t i A , Ci rioni O, et al. J Infect Dis , 2003,
187: 625~ 630.
19 Dong YH , Gu st i AR, Zhang Q, et al . Appl En vi ron Microbiol ,
2002, 68: 1754~ 1759.
20 宋水山,马宏,等. 生物技术, 2005, 15( 1) : 7~ 10
21 Pasmore M , Costerton JW. J Ind Microbiol Biotechnol, 2003,
30: 407~ 413.
22 Valle A, Bailey MJ, Whiteley AS, et al . Environ Microbiol ,
2004, 6: 424~ 433.
23 Bulter T, Lee SG, Woirl WWC, et al. Proc Nat l Acad Sci
USA, 2004, 101: 2299~ 2304.
24 Neddermann P, Gargioli C, Muraglia E, et al. EMBO Rep,
2003, 4: 159~ 165.
25 Weber W , Schoenm ak ers R, S pielm ann M, et al. Nu cleic Acids
Research, 2003, 31: e71.
8 生物技术通报 Biotechnology Bullet in 2006年第 1期