牛雪可， 康穎倩*

(1.貴州醫(yī)科大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院 微生物學(xué)教研室， 貴州 貴陽 550025； 2.貴州省微生物與人類健康關(guān)系研究人才基地暨貴州省普通高校病原生物學(xué)特色重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 貴州 貴陽 550025)

生態(tài)競(jìng)爭(zhēng)是指某個(gè)生物體為自身生存需要而減少其他生物體生存或繁殖的過程，這種競(jìng)爭(zhēng)可以分為剝削競(jìng)爭(zhēng)及干擾競(jìng)爭(zhēng)[1-2]。剝削競(jìng)爭(zhēng)是間接發(fā)生的，表現(xiàn)為一個(gè)生物體消耗另一個(gè)生物體的資源，剝削競(jìng)爭(zhēng)也發(fā)生在微生物中，當(dāng)它們聚集并形成致密的群落(例如生物膜)時(shí)尤其強(qiáng)烈，主要表現(xiàn)為營養(yǎng)限制，在相同基因型和不同基因型的細(xì)胞間發(fā)生強(qiáng)烈的剝削競(jìng)爭(zhēng)[3-4]。干擾競(jìng)爭(zhēng)是指?jìng)€(gè)體間直接互相傷害時(shí)產(chǎn)生的競(jìng)爭(zhēng)[2]。在微生物中則是指?jìng)ζ渌?xì)胞的代謝產(chǎn)物的分泌，包括抗生素化合物及窒息聚合物的分泌[5-6]。共培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明，這些分泌因子往往決定了哪些基因型能在混合群落中占據(jù)優(yōu)勢(shì)[6]。在細(xì)菌群落中普遍存在剝削和干擾競(jìng)爭(zhēng)，強(qiáng)烈影響細(xì)菌的多樣性結(jié)果[1-2]。目前，細(xì)菌已經(jīng)進(jìn)化出可直接檢測(cè)和響應(yīng)生態(tài)競(jìng)爭(zhēng)的方法，在細(xì)菌應(yīng)激反應(yīng)中表現(xiàn)為細(xì)菌間的相互作用，并調(diào)節(jié)一系列對(duì)其有利的行為(如繁殖)，被稱之為細(xì)菌的群體感應(yīng) (quorum sensing,QS)[7]。QS是一種社會(huì)特征[8]，QS通過調(diào)節(jié)細(xì)胞外公共產(chǎn)品的生產(chǎn)以控制細(xì)菌數(shù)量及多樣性[8-9]，包括調(diào)節(jié)有益公共產(chǎn)品和調(diào)節(jié)有害的公共產(chǎn)品。本文就近年來微生物群落多樣性與QS的相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 QS的研究概況

QS首次發(fā)現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，有研究發(fā)現(xiàn)肺炎鏈球菌(Streptococcuspneumoniae)的遺傳及兩種海洋細(xì)菌的發(fā)光能力的成分均屬于它們非自身產(chǎn)生的細(xì)胞外成分[10]。至20世紀(jì)80年代來自海洋細(xì)菌費(fèi)氏弧菌(Vibriofischeri)的發(fā)光基因被鑒定出來，luxI和luxR所需的基因被用于控制lux基因轉(zhuǎn)錄[11]；而來自費(fèi)氏弧菌的QS信號(hào)被確定為N-3-氧代己?；?1-高絲氨酸內(nèi)酯[12]。隨后，來自肺炎鏈球菌的QS信號(hào)顯示信息素[13]，金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)使用的小環(huán)肽信息素[14]，均被證明是可以激活產(chǎn)生細(xì)胞外毒素的基因。以上發(fā)現(xiàn)表明通過不同的化學(xué)信號(hào)顯示的QS在革蘭陽性和革蘭陰性細(xì)菌中均有發(fā)生。而混合微生物群落中的許多物種的細(xì)胞則通過自誘導(dǎo)劑(AI-2)進(jìn)行QS感知一般細(xì)菌種群的密度[15]。有研究發(fā)現(xiàn)真核微生物(如念珠菌或組織胞漿)及病毒的QS系統(tǒng)[16]，提供了QS與自然選擇驅(qū)動(dòng)的社會(huì)特征的進(jìn)化動(dòng)力學(xué)趨同進(jìn)化的證明。

2 QS與有益的公共產(chǎn)品

QS通過調(diào)節(jié)有益的公共產(chǎn)品以限制作弊者來調(diào)節(jié)群落中微生物種類和數(shù)量，從而對(duì)微生物多樣性產(chǎn)生影響。有益的公共產(chǎn)品受到QS和產(chǎn)生者的共同監(jiān)管，以便在滿足微生物數(shù)量上限及充足養(yǎng)分供應(yīng)這兩個(gè)條件時(shí)生產(chǎn)公共產(chǎn)品。由于公共產(chǎn)品的生產(chǎn)成本很高，因此會(huì)被非生產(chǎn)性作弊所利用[17-18]，這種作弊利用導(dǎo)致了細(xì)菌的社會(huì)困境。為此QS調(diào)節(jié)有益的公共產(chǎn)品使公共產(chǎn)品直接供應(yīng)給生產(chǎn)細(xì)胞，利用剝削競(jìng)爭(zhēng)中的營養(yǎng)限制以限制作弊者，同時(shí)生產(chǎn)細(xì)胞在維持微生物類群間的合作者及其親屬間進(jìn)行合作產(chǎn)生，依靠合作產(chǎn)品維持群落的緊密空間結(jié)構(gòu)，兩者協(xié)作從而解決了細(xì)菌的這一社會(huì)困境[19]。例如空間結(jié)構(gòu)化群體-表面相關(guān)的微生物群落生物膜的結(jié)構(gòu)有助于限制作弊者的入侵[20]。

生物膜被定義為高密度細(xì)菌簇，常附著于細(xì)胞表面并包裹在細(xì)胞外聚合物基質(zhì)中[21]。20世紀(jì)80年代有學(xué)者開始研究生物膜群落中的QS，最常使用的實(shí)驗(yàn)室生物膜系統(tǒng)為流動(dòng)池，研究時(shí)在有小通道的流動(dòng)池(將營養(yǎng)培養(yǎng)基通過小通道連續(xù)泵送供給生物膜)覆蓋蓋玻片，使用共聚焦掃描激光顯微鏡對(duì)在撥片上生長的生物膜進(jìn)行成像[22]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)QS可以影響生物膜結(jié)構(gòu)及生物膜耐受抗菌治療的能力[23]。QS對(duì)于生物膜的構(gòu)建及拆卸至關(guān)重要，在對(duì)QS與生物膜形成之間的聯(lián)系、評(píng)估微生物社會(huì)行為如何影響其增長模式的研究中，發(fā)現(xiàn)這種聯(lián)系取決于環(huán)境條件，即環(huán)境條件和細(xì)胞通信之間存在相互作用。一些天然存在的微生物生物膜含有數(shù)百至數(shù)千個(gè)細(xì)胞，由微米級(jí)聚集體組成[24]。微流體和激光打印技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)直徑約25 μm的聚集體表現(xiàn)出強(qiáng)烈的QS，而直徑<10 μm的聚集體表現(xiàn)出較少的QS依賴性基因表達(dá)[25]。如銅綠假單胞菌，當(dāng)被限制在8 μL捕集器內(nèi)時(shí)，至少500個(gè)銅綠假單胞菌細(xì)胞產(chǎn)生 QS控制的外源性綠膿菌素，證明這種大小的聚集體能夠在開放系統(tǒng)中啟動(dòng)社會(huì)行為[26]。天然聚集體與實(shí)驗(yàn)室生物膜研究均證明生物膜能增強(qiáng)微生物群落的抗菌耐受性，得出了QS參與聚集體形成的假設(shè)。這一假設(shè)通過對(duì)菠蘿泛菌(Pantoeaananatis)、球形紅細(xì)菌(Rhodobactersphaeroides)、伯克氏菌(Burkholderiathailandensis)及大腸桿菌(E.coli)的研究得到了證實(shí)[16]。

3 QS與有害的公共產(chǎn)品

生態(tài)競(jìng)爭(zhēng)的應(yīng)激反應(yīng)通常與毒素的釋放有關(guān)，因?yàn)樵诩?xì)菌群落中，生態(tài)競(jìng)爭(zhēng)通常存在外來基因型和進(jìn)化的基因型。而細(xì)菌群體則通過毒素的作用來描述QS在調(diào)節(jié)微生物多樣性中的作用。細(xì)菌產(chǎn)生的毒素會(huì)引起細(xì)菌損傷，細(xì)菌通常會(huì)釋放殺死其它細(xì)菌的毒素，來分解其它基因型的單細(xì)胞[27]。毒素在辨別進(jìn)化功能中特別有用，它已經(jīng)進(jìn)化到能夠影響其它細(xì)菌活動(dòng)，最終殺死其它細(xì)菌，如針對(duì)其他細(xì)菌的窄譜抗生素細(xì)菌素、對(duì)代謝和營養(yǎng)產(chǎn)生多種潛在影響的綠膿菌素[28]。毒素調(diào)節(jié)的微生物多樣性表現(xiàn)為，一方面細(xì)菌通過由QS介導(dǎo)的與群落中微生物數(shù)量相關(guān)的信息來感受生態(tài)競(jìng)爭(zhēng)，其中自我細(xì)胞的密度是調(diào)節(jié)關(guān)鍵因素，毒素的作用通過QS調(diào)節(jié)群落微生物數(shù)量，以QS調(diào)節(jié)確保群落中有足夠的與自身具有相同基因型的細(xì)菌來分泌毒素或促進(jìn)生長產(chǎn)物；另一方面QS信息也可以預(yù)測(cè)生態(tài)競(jìng)爭(zhēng)的強(qiáng)度，微生物群落的多樣性潛力 - QS意味著種群密度信息不僅作用于自身，也可能是自我細(xì)胞檢測(cè)其它人產(chǎn)生的特定信號(hào)的基因型，信號(hào)分子的高度特異性有可能區(qū)分種群密度信息，因?yàn)樗梢宰R(shí)別特定的菌株或物種是進(jìn)化的競(jìng)爭(zhēng)者，例如奇異變形桿菌(Proteusmirabilis)可以檢測(cè)物種中的其它基因型菌株并識(shí)別未來的競(jìng)爭(zhēng)者，或者存在具有群體感應(yīng)受體的菌株它們不產(chǎn)生的分子，如LuxR因子。

AHLs信號(hào)分子由 LuxI 型蛋白合成酶合成，它伴隨細(xì)菌密度的增加濃度不斷增大，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定程度能被轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白 LuxR 型蛋白所感知，調(diào)控特定基因的表達(dá)[29]。LuxR型轉(zhuǎn)錄因子由兩個(gè)結(jié)構(gòu)域組成，即N-末端信號(hào)結(jié)合結(jié)構(gòu)域和C-末端DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域。通過對(duì) LuxI/LuxR 為基礎(chǔ)的QS進(jìn)行了研究發(fā)現(xiàn)，銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)等多種致病菌均有該套群體感應(yīng)系統(tǒng)，以控制自身毒力基因的表達(dá)。通過對(duì)鼠傷寒沙門氏菌(Salmonellatyphimurium)基因組的比對(duì)發(fā)現(xiàn)了第1個(gè)LuxRsolo同源物。鼠傷寒沙門氏菌的基因組具有稱為sdiA的luxR同源物，但它不具有l(wèi)uxI型基因，且鼠傷寒沙門氏菌也不產(chǎn)生AHLs[30]。在鼠傷寒沙門氏菌中，sdiA基因可以響應(yīng)其他細(xì)菌產(chǎn)生的AHL 信號(hào)分子，從而能導(dǎo)致特定基因的激活[31]。在大腸桿菌中也有sdiA基因，大腸桿菌SdiA對(duì)AHL和哺乳動(dòng)物宿主產(chǎn)生的小分子有反應(yīng)[32]。事實(shí)上，許多革蘭陰性菌具有l(wèi)uxR型基因并且不具有l(wèi)uxI型基因。但LuxR及其同源物能響應(yīng)群落中其他基因型的AHLs信號(hào)，識(shí)別競(jìng)爭(zhēng)者，調(diào)控包括生物被膜形成、發(fā)光、毒力因子釋放、泳動(dòng)能力和蛋白酶活性基因的表達(dá)等，通過干擾競(jìng)爭(zhēng)減少其它基因型菌株數(shù)量，最終調(diào)節(jié)微生物群落中不同基因型數(shù)量級(jí)種類，達(dá)到調(diào)節(jié)群落中生物多樣性的目的。

4 展望

微生物群落中的干擾和剝削競(jìng)爭(zhēng)，是影響微生物對(duì)微生物多樣性的關(guān)鍵因素，它通過QS調(diào)控信號(hào)表達(dá)來實(shí)現(xiàn)，QS具體機(jī)制尚未完全清楚，還有很多需要研究。闡明QS在自然生態(tài)系統(tǒng)中的作用和功能，需要對(duì)微生物群落的復(fù)雜性并引入系統(tǒng)生態(tài)學(xué)原理來繼續(xù)研究。目前細(xì)菌QS活動(dòng)研究領(lǐng)域繼續(xù)擴(kuò)大，哺乳動(dòng)物腸道微生物組的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)QS如何影響微生物組的物種組成，許多細(xì)菌物種產(chǎn)生的AI-2分子促進(jìn)Firmicutes對(duì)擬桿菌的腸道定殖，并且腸道共生細(xì)菌產(chǎn)生AI-2可以限制霍亂弧菌(Vibriocholerae)感染[33-34]。盡管哺乳動(dòng)物腸道中細(xì)菌的相互作用復(fù)雜，但研究已經(jīng)涉及QS參與這些微生物群落可以提供干預(yù)腸道失調(diào)的機(jī)會(huì)、宿主生物如何通過進(jìn)化機(jī)制來影響細(xì)菌QS從而塑造其微生物組方面。有學(xué)者正嘗試使用化學(xué)或使用益生菌的方法影響QS進(jìn)而操縱微生物群落，調(diào)控這些在人類腸道和人類慢性感染等多種環(huán)境中的微生物群落，作為一種治療細(xì)菌感染的途徑。因此對(duì)細(xì)菌群體感應(yīng)與多樣性關(guān)系研究具有巨大的研究意義和研究前景。