全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第22卷 第9期
2010年9月
Vol. 22, No. 9
Sep., 2010
文章编号 ：1004-0374(2010)09-0886-10
收稿日期：2010-03-11；修回日期：2010-06-21
基金项目：国家自然科学基金项目(30760096); 云南省
自然科学基金项目(2006C0009M)
*通讯作者：E-mail：taolu2000@yahoo.com；Tel：
13888538590
LuxR 家族调控蛋白的结构及功能
郑世超1，罗 瑛1，鲁 涛2*
(1 昆明理工大学生命科学与技术学院，衰老与肿瘤分子遗传学实验室，昆明 650224 ；2 云南大学，云南省微生物研究
所，昆明 650091)
摘　要：LuxR 家族调控蛋白是一类在革兰氏阴性细菌群体感应中起重要作用的调控蛋白，它们参与由
酰基高丝氨酸内酯介导的多种生物学过程，调控细菌生物发光、质粒转移、生物膜形成以及多种胞外
酶、毒力因子和次生代谢产物的合成。L u x R 家族蛋白的研究在医学、环境监测、生物防治和微生物
发酵等方面具有巨大的应用潜力。该文综述了 LuxR 家族调控蛋白近期的研究进展、存在问题及应用前
景。
关键词：L u x R ；调控蛋白；群体感应
中图分类号：Q936; S476.1 文献标识码： A
The structure and function of LuxR-family regulators
ZHENG Shi-chao1, LUO Ying1, LU Tao2*
(1 Laboratory of Molecular Genetics of Aging and Tumor, Faculty of Life Science and Technology, Kunming University
of Science and Technology, Kunming 650224, China; 2 Yunnan Institute of Microbiology, Yunnan University, Kunming
650091, China)
Abstract: The LuxR-family regulators play important roles in acyl-homoserine lactones-mediated quorum sensing
in Gram-negative bacteria, regulating many bacterial physiological processes such as bioluminescence, plasmid
transfer, biofilm formation, and the production of extracellular enzymes, virulence factors, and secondary
metabolites. LuxR protein-related studies have huge application potential in medicine, environmental monitoring,
biocontrol, and microbial fermentation. Herein we reviewed the recent progress in the research on LuxR-family
proteins, remaining questions, and the perspectives of their application.
Key words: LuxR; regulator; quorum sensing
细菌在生长繁殖过程中分泌一些被称为自主诱
导物(autoinducers, AI)的化学信号分子，这种信号
分子从胞内扩散到胞外，当达到一定阈值时(通常
是在高细胞浓度时)，它们就会启动或协调某些基
因的表达，这一过程称为群体感应(quorum sensing,
Q S ) 。细菌的很多生理过程都与此类感应机制有
关。LuxR 家族蛋白是在酰基高丝氨酸内酯(acyl-
homoserine lactones, AHLs或acyl-HSL)介导的细菌
群体感应机制中研究较多的一类重要的转录调控蛋
白。它们是一类膜相关蛋白，能够与 AI 结合并参
与细胞之间的感应[1]。对LuxR蛋白的研究不但有助
于了解细菌群体之间的信号传递和细菌与外界环境
的相互作用，而且在医学、环境监测、农业病虫
害防治和微生物发酵等方面具有重要的应用价值。
本文综述了AHL介导的细菌群体感应机制中，LuxR
型转录调控蛋白的结构、功能和调控机理等方面的
研究进展，并展望了其在生物技术领域中的应用前
景。
887第9期 郑世超，等：L u x R 家族调控蛋白的结构及功能
1　细菌群体感应
群体感应现象最早是在一种海洋发光细菌费希
尔弧菌(Vibrio fischeri)中发现的，是细菌对信号传
递分子(即激素样有机化合物AI)的应答过程。这种
应答过程呈剂量依赖模式，是细菌细胞之间信号传
递的重要机制，被认为是细菌的“语言”。A I 可
由同一菌种或不同菌丛的细菌分泌产生，调控细菌
的多种生理活动如生物发光、质粒转移、生物被膜
形成、胞外蛋白酶产生、抗生素合成以及致病菌毒
力因子合成等，使细菌以多细胞体系行使单个细胞
无法完成的功能[2-12]。
根据细菌合成的信号分子和感应机制不同，
QS 系统主要分为三种。第一种QS 系统是革兰氏阴
性菌中的LuxR/I系统。细菌之间的信息交流是通过
产生酰基高丝氨酸内酯(AHL)作为信号分子，以受
体蛋白进行信号传递[3](图1a)。其中LuxI型蛋白是
AHL 合成酶，以 S- 腺苷甲硫氨酸(SAM)为底物；
LuxR 型蛋白是AHL 受体。第二种QS 系统存在于革
兰氏阳性菌中。细菌之间的信息交流通过寡肽作为
信号分子来完成，信号的产生与双组分磷酸化机制
有关[13]。此系统的AI 是寡肽，不能自由穿越细胞
膜，需ABC 转运蛋白等膜通道蛋白协助完成跨膜。
外膜感应因子(通常为激酶)通过磷酸化激活应答调节
因子，后者结合于 DNA 的特定靶位，进行转录调
控(图1b)。此类AI特异性强于AHLs，非同族AI及
受体不能相互结合产生调控作用，同时同一细菌不
同亚群产生的AI还可能通过竞争性结合抑制其他亚
群的基因表达[14]。第三种QS 系统主要用于不同菌
种间交流，多种革兰氏阴性菌及革兰氏阳性菌都使
用，包括LuxS/AI-2和AI-3/肾上腺素/去甲肾上腺
素信号传递系统[15]。
目前在细菌群体感应信号系统中研究较多的是
以革兰氏阴性菌费希尔弧菌(V. fischeri)为模式生物的
LuxR/I 信号通路。迄今为止已发现70余种LuxR/I
系统，除了哈氏弧菌(V. harveyi)和黄色黏球菌
(Myxococcus xanthus)，其余细菌中的群体感应都与
费氏弧菌中由LuxR/I 蛋白调控的群体感应系统相
似，故称之为LuxR/I 型群体感应。LuxR 家族调控
蛋白是此系统中的枢纽蛋白，调控许多其他蛋白的
表达，从而影响整个群体感应过程。
图1 细菌的群体感应信号系统
a：革兰氏阴性细菌LuxR/I 信号通路。LuxI 是自体诱导物合成酶，催化合成信号分子(AHL)，信号分子可以自由地穿过细
胞膜到达胞外，当信号分子达到一定阈值后，Lu x R 蛋白与自体诱导物结合，该复合体进而与目的基因的转录起始区域结
合，启动转录；b：革兰氏阳性细菌寡肽/ 双组分蛋白信号通路。革兰氏阳性细菌核糖体合成的自体诱导肽经过修饰与加
工，成为稳定且具有活性的寡肽信号分子，通过ABC型转运系统(ATP-binding-cassette)或其他膜通道蛋白作用达到胞外，
随浓度增大，激活膜上的组氨酸蛋白激酶(H)，其通过磷酸化作用(P)进一步激活应答调节蛋白(D)，使其与目的基因结合，
进而调控目的基因的表达
888 生命科学 第22卷
2　LuxR 家族蛋白的结构和种类
2.1　LuxR的结构特点
LuxR 型蛋白是由约252 个氨基酸组成的肽链，
N 端为信号分子AHL 的结合区域，占整个蛋白的三
分之二；C端含有保守的螺旋-转角-螺旋(helix-turn-
helix, HTH)结构，能够与目的基因特异结合。虽然
LuxR 的高级结构大体相同，但是LuxR 的一级结构
却存在较大的差异。通过对在NCBI 上已发表的部
分LuxR 蛋白的氨基酸序列进行分析发现，不同属
的微生物之间，其LuxR 的氨基酸序列有较多的替
代，差异较大。图2是21 种不同种菌株的LuxR 的
氨基酸序列分析，它们在进化树中分为四类，其
中I、II和III类中除了Burkholderia cenocepacia
(β- 变形菌)外均为 α- 变形菌，而第IV类为 γ- 变形
图2 21种不同微生物LuxR的氨基酸序列同源性比较
菌，这与它们的分类地位大致相符。该结构表明
LuxR家族蛋白在进化过程中起源较早，与Lerat等[16]
的分析一致。通过序列对比发现虽然以上四组
LuxR 的氨基酸序列有较大差异，但是在 70~100、
120~150、200~260 三个区间具有一些相同的氨基
酸，这些氨基酸在不同的 LuxR 分子中一直存在，
因而这些氨基酸可能对于 LuxR 蛋白的功能至关重
要。前两个区中的不变氨基酸可能与 AHL 结合有
关，而第三个区中的不变氨基酸可能与分子和下游
目的基因结合有关。每一类 LuxR 型蛋白中的前两
个区相同，不同类间不同，说明在不同类中，这
两个区可能与不同的 AI 结合。总体来讲，四类菌
的LuxR 氨基酸序列相似性不高，甚至在同一聚类
中的微生物的 LuxR 氨基酸序列也有较大的差异。
889第9期 郑世超，等：L u x R 家族调控蛋白的结构及功能
但是，从二级结构方面的分析中我们看到，其C端
的HTH结构是一直保留的。这说明在漫长的进化过
程中，微生物为了适应周围环境产生了具有各自特
点、符合其生存需求的调控机制。这些不同的
LuxR 蛋白变化后如何适应诱导物AI 的诱导及如何
保持其 DN A 结合特性等问题尚有待研究。
而对同属不同种微生物中的LuxR家族蛋白分析
表明，LuxR 蛋白氨基酸序列的同源性远高于不同
属的微生物，如链霉菌属(Streptomyces)不同种中
LuxR蛋白虽然存在变异，但是幅度较小(图3)，因
而链霉菌属内不同菌种对AI信号的感应机制应该大
致相似。
图3 Streptomyces属LuxR蛋白氨基酸序列比较
Streptomyces coelicolor：NP_624539.1；Streptomyces lividans：ZP_05528683.1；Streptomyces ghanaensis：ZP_04684142.1；
Streptomyces sviceus：ZP_05021051.1；Streptomyces viridochromogenes：ZP_05535119.1；Streptomyces hygroscopicus：
ZP_05512509.1；Streptomyces clavuligerus：ZP_05008669.1；Streptomyces sp.：ZP_04996993.1； Streptomyces flavogriseus：
ZP_05801896.1；Streptomyces albus：ZP_04705479.1
890 生命科学 第22卷
2.2 LuxR 与 AHL 的结合
对根癌土壤杆菌(Agrobacterium tumefaciens)中
TraR的结构分析表明，它具有AHL结合区域(图4)[17]。
此区域由相连的五个反向平行的 β片层折叠与三个
α螺旋组成。AHL 通过四个氢键与TraR 蛋白结合，
这四个氢键分别在AHL的3-酮基基团和水分子(图4
①)、Tyr53 和 1-酮基基团(图4 ②)、AHL 的酮基
环和残基Trp57(图4 ③)和残基Asp70和亚氨基团之
间(图4 ④)。其中Thr129和Ala38用来稳定第一个
氢键(图 4 ①)。在与AHL 形成氢键的氨基酸残基
中，Trp57 和 Asp70 在 LuxR 型蛋白家族中严格保
守。AHL 的酰胺侧链与 β片层折叠平行，通过疏水
作用与Leu40、Thr51、Tyr53、Tyr61、Phe62、
Val72、Trp85和Ile110作用进一步稳定。在这些与
酰胺侧链相互作用的氨基酸残基中，由于酰胺侧链
长度的可变性和 L u x R 家族蛋白的多样性，只有
Tyr61 和 Trp85 严格保守。在TraR中，Phe62 主要
负责酰胺侧链末端与配体结合后的封闭作用，所以
AHL 能够不可逆地与TraR 结合。而在其他的LuxR
型蛋白中Phe62 不保守，且在相应的位置比Phe所
占空间小，导致 AHL 结合位点打开，所以 AHL 与
其他 LuxR 蛋白的结合是可逆的。
所有LuxR型蛋白都通过理想配比值1∶1的比
例与AHL分子结合[18,19]。但是，调控蛋白与其配体
结合的稳定程度存在一定的区别。比如，V.fischeri
LuxR-3-oxo-C6-HSL 复合物可通过稀释法可逆地分
离开来，证明AHL 与 LuxR 蛋白的结合并不非常紧
图4 TraR与AHLs的结合区域
A H L 与 T r a R 结合形成氢键的简图。虚线框中的分子式为
AHLs 的基本结构，①②③④为AHLs 与TraR 蛋白结合的四
个氢键。
密[20]。而另外一种LuxR家族蛋白TraR则与其信号
分子结合的十分紧密[21]。
2.3　LuxR 与目的基因的相互作用
LuxR蛋白的C端含有保守的螺旋-转角-螺旋
结构，能够以二聚体形式特异性结合目的基因转录
调控区被称为lux box的序列(5-ACC TGT AGG ATG
GTA CAG G-3)，进而调控该基因的转录[22]。虽然
LuxR 家族蛋白与其靶基因结合的位点相似，但是
它们也包含一些细微的区别，例如铜绿假单胞菌
(Pseudomonas aeruginosa)中LuxR家族的两个成员
LasR和 QscR的结合位点都包含20 bp的保守序列，
其中15 bp 是必需的，但是两者与靶基因结合时不
能交换结合[23]。
LuxR 家族蛋白大部分为激活子，LuxR 蛋白与
DNA 作用会诱导 RNA 聚合酶与目的基因启动子结
合，进而启动转录。在这一过程中，AHL 与 LuxR
蛋白的结合是LuxR与目的基因结合的先决条件[21]，
如果没有AHL，N 端会遮盖C 端的DNA 结合域，干
扰 DNA 与 LuxR 结合；如果 AHL 存在，就会促使
LuxR 的 DNA 结合域暴露。一些LuxR 蛋白则为抑制
子[24,25]，这些LuxR 蛋白与AHL 的结合会导致C 端
的构象变化，使 LuxR 蛋白与DNA 解离；但是 AHL
与LuxR蛋白的结合是如何导致C端构象变化的还有
待进一步研究。
此外，某些LuxR 家族蛋白与DNA 的结合表现
出协同性，如伯克氏菌Burkholderia cenocepacia中
的CepR在凝胶阻滞实验(EMSA)中与cepI和aidA基
因的启动子结合表现出协同作用[26]，这种协同作用
使得受CepR调控的基因只有在细胞内CepR蛋白的
水平达到一定阈值时才高效表达，有利于在必要时
行使细菌群体移动、生物膜形成等功能。而另外一
些却没有协同性，如LuxR[20]和 TraR[27]。此外，还
有一些与不同的目的基因结合表现出不同的协同
性，如Pseudomonas aeruginosa中的LasR蛋白[19]，
这使得受LasR调控的基因能够在不同时期或不同条
件下表达以行使不同的功能。通常，如果目的基因
启动子包含保守的lux box，则不会表现出协同作
用；如果目的基因启动子相对保守的lux box 有变
化的序列，则会表现出协同性[19]。
2.4　LuxR在细菌中的分布
L u x R 蛋白广泛存在于各种细菌中。在产生
AH L 的细菌中，胡萝卜软腐欧文氏菌(E r w i n i a
carotovora subsp. betavasculorum)中的ExpR[28]、铜
891第9期 郑世超，等：L u x R 家族调控蛋白的结构及功能
绿假单胞菌(P. aeruginosa)中的LasR蛋白[29]和RhlR
蛋白[30]、豌豆根瘤菌(Rhizobium leguminosarum bv.
viciae)中的 BisR 蛋白[31 ]、草木樨中华根瘤菌
(Sinorhizobium meliloti)中的SinR蛋白[32]等均属于
LuxR 蛋白。还有很多不产生 AHL 信号分子的细菌
也含有LuxR蛋白，比如水稻白叶枯菌(Xanthomonas
oryzae pv. oryzae)中的OryR蛋白[33]以及大肠埃希氏
杆菌(Escherichia coli)中的SdiA蛋白[34]等。对265种
变形菌门(Proteobacteria)的基因组分析表明，至少
68种变形杆菌中含有LuxI和 LuxR蛋白类似物，而
另外45 种只有LuxR 蛋白，缺少LuxI 蛋白(AHL 合
成酶)[35]。在没有LuxI蛋白的细菌中，有些可能通
过其他途径产生AHL，或者不产生AHL 的细菌能够
通过本身的LuxR蛋白监测到其他微生物产生的信号
分子并作出应答反应[36]。目前对这类不产AHL细菌
中的 LuxR 蛋白研究较少。总之无论细菌合成 AHL
与否，Lu x R 在细菌中都广泛存在。
3　LuxR 家族蛋白的调控机理
3.1　在细菌发光中的调控
发光细菌是一类在正常的生理条件下能够发射
可见荧光的细菌，这种可见荧光波长在 450~490
nm 之间，在黑暗处肉眼可见。研究人员最早在海
洋细菌费氏弧菌(V. fiseheri)和哈维氏弧菌(V. haveryi)
中发现了由细菌群体感应控制的生物发光现象。V.
fischeri群体感应系统由调控蛋白LuxR蛋白、合成
自体诱导物的合成酶LuxI蛋白和信号分子三部分组
成。其中LuxI蛋白负责产生群体感应信号AHL，并
催化其生成N-3-氧 -已酰高丝氨酸内酯(N-3-oxo-
hexanoyl-L-homoserine lactone，简称3-oxo-C6-
HSL)。在高细胞浓度时，自主诱导物可穿越细胞
壁扩散至环境中，当积累到一定的阈值后，3-oxo-
C6-HSL自主诱导物会与LuxR蛋白结合形成LuxR-3-
oxo-C6-HSL 复合物，该复合物促使荧光酶转录，
激活发光基因操纵子lux (luxICDABEG)和其他17种
基因，进而使细菌发光[37 ]。
3.2　在胞外酶产生中的调控
胡萝卜软腐欧文氏菌(Erwinia carotovora subsp.
betavasculorum)的主要致病机理是可协同分泌很多高
水平的酶类，包括果胶酶、纤维素酶、蛋白酶等，
这些酶可以降解植物细胞壁，释放出养分以供细菌
生长使用。软腐欧文氏菌胞外酶的产生受到 LuxR
家族蛋白类似物ExpR和 ExpI蛋白的调控，两者根
据细菌细胞密度变化来控制胞外酶的表达[28]。AHL
是软腐欧文氏菌亚种产生胞外酶所必需的，之前的
研究证明AHL 不足会引起一种胞外酶产生的负调控
子——一种RNA 结合蛋白RsmA 的高水平表达，而
ExpR 蛋白可以激活RsmA 的产生[38]。这说明LuxR
家族蛋白在细菌群体感应中也有负调控效应。
3.3　在毒力因子产生过程中的调控
铜绿假单胞菌(P. aeruginosa)中存在众多由LuxR
家族蛋白调控产生的毒力因子。在该菌中存在两套
群体感应系统，LasI/R和RhlI/R。LasI/R系统包括
转录激活蛋白LasR和acyl-HSL合成酶LasI及3-氧
癸酰基-L-高丝氨酸内酯(3-oxo-C12-HSL)。lasI基
因位于lasR基因的下游，其产物参与合成铜绿色假
单胞菌的自体诱导物(PAI)3-oxo-C12-HSL。RhlI/R
系统包括调节子RhlR和acyl-HSL合成酶RhlI及其对
应的丁酰基-L-高丝氨酸内酯(C4-HSL)。这两套系
统密切相关，共同参与调控众多的毒力因子[39,40]。
LasR 调控铜绿假单胞菌多个毒力因子基因的表达，
包括lasA、lasB、aprA和toxA。RhlI/R需在LasI/R
调控下进一步激活其他目的基因，参与产生毒力因
子及某些次级代谢产物。
此外，Malott等[41]在伯克氏菌(B. cenocepacia)
中发现了LuxR类似的蛋白CepR2，能够调控毒力因
子的产生，所有的B. cenocepacia菌株中都含有这
种蛋白。
3.4　在质粒接合转移中的调控
细菌质粒能在细胞中自我复制，并随细菌分裂
稳定地传递给后代。多数细菌的质粒具有传递和遗
传交换能力，能在不同细菌间转移。在豌豆根瘤菌
(R. leguminosarum bv. viciae)共生质粒pRL1JI上存
在两个调控接合转移的基因bisR和traR，它们与质
粒转移操纵子traI-trbBCDEJKLFGHI相邻，分别编
码LuxR型调控蛋白BisR和TraR。pRL1JI的受体菌
细胞利用自身产生的自体诱导物N-(3-hydroxy-7-cis-
tetradecenoyl)-l-homoserine lactone (3-OH-C14:1-
HSL)，对供体菌体内BisR 蛋白进行诱导。BisR 进
一步诱导traR基因产生TraR蛋白，该蛋白作用于
traI-trb操纵子，在它们的协同作用下，促使质粒
发生接合转移[31]。此外，BisR还参与豌豆根瘤菌的
生长抑制作用，但机制尚不清楚。
3.5　在次级代谢产物中的调控
LuxR蛋白在微生物的次级代谢产物合成中也起
着重要的调控作用，例如 He 等[ 42 ]从吸水链霉菌
892 生命科学 第22卷
(Streptomyces hygroscopicus) 17997中克隆了格尔德
霉素(Geldanamycin, Gdm)生物合成酶基因簇，通过
生物信息学分析发现了两个 L u x R 家族调控基因
gdmR Ⅰ和gdmR Ⅱ。基因阻断和回复实验证明这两
个基因表达的蛋白对格尔德霉素的产生具有正调控
的作用。
我们从自溶链霉菌(Streptomyces autolyticus)的次
生代谢产物中发现了一个新的格尔德霉素结构类似
物，称为自溶霉素(autolytimycin)。自溶霉素被证
实具有很好的生物活性，具有成为新型抗肿瘤药物
的良好前景。我们对自溶霉素生物合成基因簇中两
个LuxR家族蛋白AlmRI 和 AlmRII 的研究表明，携
带almRI基因或almRII基因的多拷贝载体质粒经接
合转移导入到自溶霉菌中可以提高自溶霉素的产
量。同时，实时定量 PC R 测定表明，产量较高的
菌株中almRI 基因或almRII 基因的表达也相对较
高，说明almRI基因和almRII基因在自溶霉素生物
合成中起到了正调控的作用(未发表数据)。对这些
基因的进一步研究可以使我们了解自溶霉素生物合
成的调控机制，为将来对产生菌进行遗传工程改良
以提高自溶霉素产量奠定基础。
许多假单胞菌属(Pseudomonas spp.)细菌能够产
生抗生素环脂肽，具有重要的生物学意义。系统发
生学分析显示假单胞菌属中的环脂肽生物合成受
LuxR 型蛋白调控。在多数假单胞菌属中环脂肽的
产生仅由一个 L u x R 家族的蛋白调控，而在 P .
fluorescens SBW25中由两个LuxR家族蛋白调控黏液
菌素的合成。在P. fluorescens SBW25菌株中对编
码LuxR型调节蛋白的两个基因中的任何一个进行定
点突变，都会导致环脂肽抗生素黏液菌素产量为
零，表明这两个LuxR 蛋白都参与了环脂肽抗生素
黏液菌素的合成[43]。
3.6　与宿主的相互作用
LuxR蛋白在细菌与宿主的相互作用之间也占有
重要地位。Alonso-Hearn等[44]通过研究LuxR蛋白对
分枝杆菌(Mycobacteria)细胞膜组成的影响，发现
LuxR调控蛋白与寄生菌侵入宿主有关。Ferluga等[33]
在一种能够导致植物叶片枯萎的水稻白叶枯菌
(Xanthomonas oryzae pv. oryzae)中发现了LuxR家族
蛋白，并命名为OryR 蛋白，它是宿主与病原菌之
间交流的重要调控蛋白。实验证明水稻白叶枯菌没
有 LuxI 家族 AHL 合成酶，不产生 AHL 信号分子，
在这种情况下OryR会与另外的一种未知信号分子结
合，而这种信号分子是由植物本身产生的小分子物
质，他们将这种分子命名为水稻信号分子(RSM)。
当水稻白叶枯菌感染水稻时，O r y R 蛋白浓度增
加，表明LuxR 家族蛋白也可以检测到真核生物产
生的非 AH L 信号物质。
LuxR家族蛋白在细菌与植物的共生或联合共生
中同样起到重要作用。植物细菌天山根瘤菌
(Mesorhizobium tianshanense)中LuxR的类似物MrtR
对于根瘤菌和宿主植物的共生十分重要，其与N-乙
酰高丝氨酸内酯形成二聚体，结合到DNA区域，激
活下游基因表达[45]。草木樨中华根瘤菌(S. meliloti)
中的Sin/ExpR细菌群体感应系统在它与宿主植物紫
花苜蓿(Medicago sativa)之间联合共生时也起着重要
的作用[46]。有趣的是，S. meliloti Rm1021编码四
个额外的可能的LuxR 类似物，这几个调控蛋白具
有 LuxR 家族蛋白的特征，N 端有自体诱导物调控
区，C 端有螺旋- 转角- 螺旋区域，其中一个LuxR
型调控蛋白NesR会影响S. meliloti的甲基化循环。
当S. meliloti遇到高渗透压、营养缺乏等恶劣的环
境时，NesR能够提高S. meliloti的适应能力，由
此提高该植物在根际胁迫时的存活机率[47]。
3.7　LuxR家族蛋白调控总结
虽然LuxR家族蛋白识别信号分子并对其作出反
应的机理并不复杂，即不同的LuxR 家族蛋白与特
定的信号分子特异结合，发生构象变化，然后与靶
基因启动区的特异序列结合或分离，调控靶基因的
表达。但是在多种细菌群落共存的复杂环境条件
下，由于存在不同细菌类群分泌的众多相似的信号
分子，每一特定细菌种群必须能够识别其自身的群
体感应信号并作出反应。同时，在很多情况下同一
细菌中存在多种LuxR 蛋白，需要对多种不同的信
号分子作出反应，这些不同反应途径之间的协调与
平衡是一个非常复杂的过程。不同的信号反应途径
既可以以级联的形式存在(如铜绿假单胞菌中LuxR家
族蛋白LasI/R和RhlI/R对毒力因子产生的调控[39,40])，
也可以平行存在(如哈维氏弧菌针对三种不同信号分
子的相互协同反应途径[48])。LuxR 家族蛋白在这些
反应途径中的作用大多数是正调控，但在一些情况下
也可以是负调控，如Pantoea stewartii中的EsaR[24]、
Serratia marcescens 中的 SpnR[25]、Erwinia
chrysanthemi中的ExpR[49]和E. carotovora中的VirR[50]
等。L u x R 参与的调控途径通常都受到精细的控
制，在一些情况下细菌通过不同的调控蛋白来达到
893第9期 郑世超，等：L u x R 家族调控蛋白的结构及功能
这种精细控制，如铜绿假单胞菌中的 QscR 蛋白就
对LasI/R和RhlI/R介导的QS起到负调控作用[23,51]。
在另外一些情况下则通过不同的调控机制来实现。
如根癌土壤杆菌(A. tumefaciens)中，Ti质粒编码的
TraM 蛋白能够控制 TraR-AHL 复合物活性，使得
TraR-AHL只有在达到一定阈值时才会发挥功能[52] ；
同时，根癌土壤杆菌(A. tumefaciens)还通过一种与
TraR结构类似的调控因子TrlR与 TraR结合，使之
失活或稀释AHL，从而对TraR行使的生理功能进行
负调控[53]。此外，不同的信号系统之间也存在相互
干扰，如细菌与其寄生的宿主植物之间，宿主细胞
的信号分子会对寄主 AHL 介导的 QS 产生抑制[54]。
总之，细菌细胞之间的信号交流是一个非常复杂的
过程，诸多 LuxR 家族蛋白调控的信号途径之间既
有相互协同，也存在相互拮抗。在自然界特定的微
环境中，各种不同的细菌群落通过这些信号系统进
行交流，使得它们能够协调各自种群的行为，而整
个细菌群体则在协同与胁迫中适应环境、共同生
存。
4　LuxR 家族蛋白研究的应用前景
人们对LuxR 蛋白的研究在环境监测、农业病
虫害防治、医学和微生物发酵等方面具有广泛的应
用前景。例如在环境监测和食品检测方面，将发光
细菌中的群体感应系统导入合适的噬菌体中，利用
噬菌体对宿主菌的侵入作用，检测宿主菌的数量活
性等数据，可以作为环境微生物检测的方法[55]; 利
用转入发光基因的发光乳杆菌可以检测牛奶中的抗
菌素或其他对细胞代谢有害的物质[56]。在农业上可
以将LuxR/I系统导入植物根瘤菌中，通过发光检测
设备对工程菌产生光线进行监测，对细菌侵入植物
的整个过程实施实时在线监测[57]; 培育能够合成AHL
的转基因植物可以防止病虫害，如在植物叶绿体中
表达Yersinia enterocolitica的yenI基因可以促进P.
aureofaciens的共生，而其由PhzR/I群体感应系统
调控分泌的吩嗪抗生素可以防止真菌感染[58]。在医
学方面，可以通过酶、抗体或结构类似物来干扰细
菌群体感应信号，如使用天然呋喃酮及其他一些
AHL 分子类似物抑制LuxR 介导的QS，从而利于被
感染宿主对致病菌的清除[59,60]; 也可以通过抑制LuxR
家族蛋白的功能来达到降低细菌致病力的目的，
如敲除P. aeruginosa的lasR rhlR可以降低其致病
力[61]。此外通过生物技术手段，可以使产生LuxR
蛋白的基因过表达，从而大规模生产抗生素。还可
以根据LuxR型家族蛋白细菌群体感应的作用原理应
用于发酵工业方面，采用基因工程手段改造发酵菌
株，建立集细胞生长、代谢、基因表达等于一体
的模式系统，构成缜密、精确控制的调控网络，将
更加有利于基因工程菌的高效率生产。总之，随着
对LuxR 家族蛋白研究的不断深入，对细菌群体感
应的人为控制将具有非常良好的应用前景。
5　结语与展望
LuxR型家族蛋白是一类在细菌群体感应机制中
起重要作用的调控蛋白，随着对LuxR 家族蛋白研
究的不断深入，对细菌群体感应的人为控制具有非
常良好的应用前景。目前细菌群体感应的研究已逐
渐进入了一个多种细菌混合群体的新阶段，弄清楚
L u x R 类蛋白的功能地位至关重要。虽然现在对
LuxR 家族蛋白的研究已经取得了一些进展，认识
了该蛋白的晶体结构和化学特性，也了解了一些
LuxR 型蛋白的结构与功能的关系，但是仍有许多
问题有待进一步研究。例如：LuxR 家族蛋白在与
自体诱导物及DNA结合后的构象变化如何，这些构
象变化与其功能之间存在何种联系；处于多种
AHLs环境中的不同细菌群体之间是如何通过不同的
信号系统相互作用的；诸多不产生 AH L 的细菌中
LuxR 家族蛋白的功能及系统进化关系如何；细菌
群体行为是否存在局限性；其预感和判断周围环境
的群体行为标准是否统一等等。对这些问题的深入
研究不但有助于了解细菌群体之间的信号传递和细
菌与外界环境的相互作用，而且能够促进对细菌群
体感应系统的人为控制，使细菌的生理过程达到人
们的特定需要。
[参　考　文　献]
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