胡金樹,朱一堂 綜述,趙建宏 審校

(1.滄州市中心醫(yī)院檢驗科,河北滄州061001;2.河北醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院河北省臨床檢驗中心,河北050000)

多年來,細(xì)菌被認(rèn)為是簡單的有機(jī)體,相互間的聯(lián)系只限于新陳代謝方面,即一個細(xì)菌利用另一細(xì)菌的代謝產(chǎn)物。然而近十多年的研究發(fā)現(xiàn)細(xì)菌間能互相溝通交流,這個過程就是密度感應(yīng)(quorum sensing,QS)。1994年Fuqua[1]等提出QS的概念:細(xì)菌通過感知周圍“同伴”的存在和其群體的密度,并在達(dá)到一定的密度時來調(diào)控自身特定的基因活化與表達(dá),進(jìn)而表現(xiàn)出一系列行為。

1 QS的概念

密度感應(yīng)系統(tǒng)(quorum sensing,QS)是一種細(xì)胞密度依賴性的細(xì)菌胞間信號傳遞系統(tǒng),通過這種機(jī)制細(xì)菌可以協(xié)調(diào)基因的表達(dá),從而使細(xì)菌可以適應(yīng)環(huán)境、產(chǎn)生毒力因子等,使細(xì)胞的活動具有組織性,成為類似于多細(xì)胞生物的群體性活動。

密度感應(yīng)以細(xì)菌自身合成、可擴(kuò)散的小分子物質(zhì)為信號分子,其濃度隨細(xì)菌密度的增加而增加,當(dāng)達(dá)到閾值濃度時,激活了靶位的傳感激酶或應(yīng)答調(diào)節(jié)器,導(dǎo)致相關(guān)基因表達(dá),在此過程中群體的基因表達(dá)得到了強(qiáng)化[2]。

2 QS的作用機(jī)制

QS作為細(xì)菌間交流的工具語言,精密地調(diào)節(jié)著細(xì)菌間的行為?；魜y弧菌的信號傳遞路徑中包括4個同源小分子 RNAs(sRNAs),分別為密度調(diào)節(jié)RNAs 1-4(Qrr1-4)。這四個sRNAs在功能上相對重疊,每個都具有執(zhí)行密度感應(yīng)的功能。其中兩個反饋環(huán)具有協(xié)同作用,一個包括sRNA的激活劑LuxO,一個包括sRNA的靶標(biāo)HapR。在四個Qrr基因中,通過基因劑量補(bǔ)償效應(yīng)調(diào)節(jié)著四個 sRNA池,使Qrr1-4維持在一定水平,基因劑量補(bǔ)償機(jī)制十分敏感,即使Qrr有微小的波動,也能起作用。這一機(jī)制對于由密度感應(yīng)控制的靶位基因在特定時間、特定模板的表達(dá)方面有重要作用[3]。

哈維弧菌的密度感應(yīng)網(wǎng)有三個自誘導(dǎo)子(autoinducer),每個都能編碼獨(dú)特的生物信息,通過實驗得知了密度感應(yīng)輸入輸出環(huán)路間的關(guān)系。為了排除輸入信號間的干擾,在細(xì)菌信號整合網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)上附加嚴(yán)格的限制條件,通過自誘導(dǎo)子產(chǎn)物的操縱和受體數(shù)目比例的反饋來盡量減少干擾[4]。用單細(xì)胞熒光顯微鏡研究哈維弧菌的QS,量化了發(fā)送信號的自誘導(dǎo)子,分析了多個自誘導(dǎo)子的整合,證明兩個不同的自誘導(dǎo)子AI-1和AI-2共享一個磷酸途徑,從而整合在一起。由此推斷:多個自誘導(dǎo)子參與時,當(dāng)細(xì)菌在不斷增多的情況下,在不同發(fā)展階段可同時進(jìn)行基因表達(dá)[5]。

3 QS在生物界的作用

許多與密度感應(yīng)相聯(lián)系的基因存在于可傳播的質(zhì)粒或致病島中。密度感應(yīng)調(diào)節(jié)網(wǎng)控制的基因是細(xì)菌基因組的5%到25%不等。密度感應(yīng)調(diào)節(jié)著廣泛的生理過程和多種信號分子,包括次級代謝、共生、質(zhì)粒傳遞、生物被膜形成和許多細(xì)菌的毒力等。

細(xì)菌生物被膜產(chǎn)生的信號分子當(dāng)被有生殖能力的綠色海草游動孢子發(fā)現(xiàn)后,其游動速率減弱,在有高絲內(nèi)酯氨酸的區(qū)域聚集后,鈣離子流入游動孢子,導(dǎo)致其它生理活動的發(fā)生[6]。密度感應(yīng)系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)細(xì)菌的群體行為,最好例子是生物被膜的形成。密度感應(yīng)行為的變化和慢性生物被膜疾病有關(guān),生物被膜中各種力量的平衡關(guān)鍵在于密度感應(yīng)的變化[7]。革蘭陽性細(xì)菌的短肽是密度感應(yīng)的信號分子。Dunny描[8]述了由密度感應(yīng)控制的抗生素耐藥質(zhì)粒pCF10的傳播,其中信號分子短肽控制的調(diào)控環(huán)路參與了保持質(zhì)粒和細(xì)菌毒力。

密度感應(yīng)能抑制宿主的先天免疫應(yīng)答,通過用銅綠假單胞菌的野生株和不能產(chǎn)生4-hydroxy-2-alkylquinolines(HAQs)的兩個突變株培養(yǎng)物的提取液進(jìn)行試驗,發(fā)現(xiàn)突變株的提取液具有對腫瘤壞死因子A和白細(xì)胞介素6等細(xì)胞分裂產(chǎn)物很強(qiáng)的刺激活性,而野生株的提取物中未發(fā)現(xiàn)該作用。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)與結(jié)合點(diǎn)的結(jié)合力降低,而且減少了NF-kappaB靶位基因的表達(dá)[9]。QS的信號分子對精子有影響,白色念珠菌和銅綠假單胞菌的3-oxododecanoyl-l-homoserine lactone通過鈣離子依賴機(jī)制誘發(fā)精子的多種損傷,如活動力下降、死亡和對受精有重要作用的精子帽狀結(jié)構(gòu)丟失等[10]。

4 QS的臨床潛在價值

細(xì)菌與真核微生物緊密聯(lián)系大約10億到20億年了,密度感應(yīng)不但在同種細(xì)菌間、不同種細(xì)菌、而且在細(xì)菌和高等生物間也存在。通過對QS的深入研究,可以治療密度感應(yīng)相關(guān)疾病。許多細(xì)菌利用密度感應(yīng)機(jī)制在宿主中生存并感染宿主,據(jù)此就可能找到一種消滅引起人類、動物和植物疾病的新方法。

當(dāng)細(xì)菌的密度感應(yīng)基因有缺陷時,細(xì)菌的毒力會大大減弱。根癌土壤桿菌的密度感應(yīng)基因缺陷減少了植物破損處冠嬰瘤的形成[11]。

隨著細(xì)菌耐藥性的增加,現(xiàn)急切需要一種替代品去消滅病原菌。所以有人[12]建議通過抑制包括密度感應(yīng)在內(nèi)的信號分子、滅活酶的活性來治療感染疾病。當(dāng)銅綠假單胞菌以生物被膜的形式存在時,臨床上治療非常困難。研究已經(jīng)闡明了有很多影響毒力的因素,涉及到許多受環(huán)境條件影響的成分。其中密度感應(yīng)是一個關(guān)鍵的調(diào)節(jié)系統(tǒng),降解密度感應(yīng)信號分子N-酰基高絲氨酸內(nèi)酯(N-acylhomoserine lactone,AHL)將成為治療銅綠假單胞菌的新觀點(diǎn)[13]。細(xì)菌病原體用密度感應(yīng)語言去決定什么時候攻擊宿主,因此利用合成人工信號分子來干擾細(xì)菌之間的交流過程已成為研究熱點(diǎn)[14]。Bjarnsholt等發(fā)現(xiàn)了一些天然化合物能高效阻斷密度感應(yīng)系統(tǒng),雖不能殺死細(xì)菌,但能減弱細(xì)菌感染[15]。QS的抑制因子包括天然的和人工合成的物質(zhì),分為三類:非肽類小分子、肽類和蛋白質(zhì)。這些物質(zhì)通過抑制信號產(chǎn)生、阻斷信號接收和干擾QS的信號起作用,對多重耐藥菌是很好的治療思路[16]。

總之,隨著對QS的深入研究,人類對細(xì)菌的生存方式和與感染性疾病關(guān)系的認(rèn)識越來越廣泛,理解越來越深刻。在此基礎(chǔ)上,將會有跟多治療疾病的新觀點(diǎn)出現(xiàn),QS在疾病中的作用日益突出,圍繞著QS,將會有更多的問題等待有興趣的人來研究。

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