韓翔鵬， 上官文丹， 李 堯， 劉 丹， 鐘青萍

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院 廣東省食品質(zhì)量安全重點實驗室 廣州510642）

細(xì)菌生長和繁殖的過程中會向外界分泌特定的信號分子——自誘導(dǎo)物（Autoinducer， AI）[1]。 隨著細(xì)菌菌體數(shù)量的增大，信號分子逐漸增多，當(dāng)其濃度達(dá)到最小臨界閾值時， 便可被相應(yīng)的胞外受體所感知，進(jìn)而啟動相關(guān)基因的表達(dá)，激活相應(yīng)的代謝通路，調(diào)節(jié)菌群的生理化特性，這種現(xiàn)象被稱為群體感應(yīng)（Quorum sensing， QS）[2]。 細(xì)菌的多種功能特性均受QS 調(diào)控， 包括生物被膜的形成、菌體的運動、毒素的分泌、抗生素以及細(xì)菌素的產(chǎn)生等[3]。

目前，在醫(yī)療衛(wèi)生、食品加工等領(lǐng)域防治有害菌污染的主要方式是使用消毒劑及抗生素，然而，長期過量使用這些制劑極易導(dǎo)致耐藥菌株的產(chǎn)生， 探尋新型有害菌防治策略顯得尤為重要。 QS系統(tǒng)可通過受體蛋白與信號分子結(jié)合而調(diào)節(jié)菌體的功能特性。鑒于此，干擾信號分子與受體蛋白之間的互作可作為有害菌防治的新靶點。 對細(xì)菌QS系統(tǒng)開展研究，既有助于抑制有害菌的生長，也有助于緩解耐藥菌株的產(chǎn)生給人們帶來的防治壓力。

群體感應(yīng)抑制劑（Quorum-sensing inhibitors，QSIs） 是一類能夠干擾細(xì)菌種間或種內(nèi)信息傳遞與交流的物質(zhì)，它不殺死有害菌，而是抑制QS 所調(diào)控的功能特性[4]。 由于信號分子在細(xì)菌QS 系統(tǒng)中作為重要信使存在， 因此QSIs 通過干擾QS 信號分子合成、 降解信號分子以及與信號分子競爭結(jié)合受體蛋白3 個途徑阻斷細(xì)菌QS 系統(tǒng)[5]。 QSIs的探究與挖掘己成為微生物領(lǐng)域研究的熱點，這將為開發(fā)新型抗菌劑開辟了新思路。

1 群體感應(yīng)系統(tǒng)

QS 系統(tǒng)一般由信號分子、特異性受體蛋白和下游調(diào)控蛋白3 部分組成，分為種內(nèi)和種間QS 系統(tǒng)[6]。基于信號分子種類的不同，可將QS 系統(tǒng)分為4 大類：存在于革蘭氏陰性菌種內(nèi)，由N-?；呓z氨酸內(nèi)酯類 （N-Acyl homoserine lactone，AHL） 及其衍生物類信號分子介導(dǎo)的QS 系統(tǒng)；存在于革蘭氏陽性菌種內(nèi)， 由寡肽類信號分子（Autoinducing peptides， AIP）介導(dǎo)的雙組分QS 系統(tǒng)；革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌中同時存在的，由自誘導(dǎo)物-2（Autoinducer-2， AI-2）信號分子介導(dǎo)的LuxS/AI-2 QS 系統(tǒng)； 普遍存在于大腸桿菌屬、沙門氏菌屬和克雷伯菌屬中由自誘導(dǎo)物-3（Autoinducer-3， AI-3）信號分子介導(dǎo)的AI-3/腎上腺素/去甲腎上腺素QS 系統(tǒng)[7-9]。

1.1 AHLs 介導(dǎo)的革蘭氏陰性菌QS 系統(tǒng)

AHLs 的典型特征是由一個高絲氨酸內(nèi)酯環(huán)和一個酰胺鏈組成， 酰胺鏈上的碳原子數(shù)為4～18，個別AHLs 在C-3 位有取代基（氫、羥基、羰基），自然界發(fā)現(xiàn)的最小的AHLs 為丁基高絲氨酸內(nèi)酯（Butyl-Homoserine lactone， C4-HSL），最長為C18-HSL， 其特異性由酰胺鏈的長度及酰胺鏈C-3 位上取代基團(tuán)的性質(zhì)決定[10]。 側(cè)鏈短、分子質(zhì)量小的AHLs 可以自由擴(kuò)散方式進(jìn)出細(xì)胞膜內(nèi)、外，然而當(dāng)側(cè)鏈碳基超過8 個時，需要借助載體蛋白轉(zhuǎn)運至胞外。 銅綠假單胞菌和費氏弧菌均是利用AHLs 來調(diào)控QS 的革蘭氏陰性菌， 而且它們QS 系統(tǒng)的調(diào)控通路與機(jī)制也探究的比較明晰，具有代表性，在本文作為革蘭氏陰性菌典型QS 系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

1.1.1 費氏弧菌QS 系統(tǒng) QS 系統(tǒng)最早是在費氏孤菌中發(fā)現(xiàn)，近年來，在大腸桿菌、根癌農(nóng)桿菌、胡蘿卜軟腐歐文氏菌、 綠膿假單胞桿菌等細(xì)菌中都發(fā)現(xiàn)有與之極為相似的QS 系統(tǒng)， 其由LuxI 和LuxR 兩種蛋白調(diào)控， 故被稱為LuxI/R-AHLs 型QS，其信號分子為3-oxo-C6-HSL[11]。 LuxI 是一類調(diào)節(jié)信號分子合成的胞內(nèi)蛋白酶， 可催化載體蛋白的側(cè)鏈?；cS-腺苷甲硫氨酸（SAM）上的高絲氨酸相結(jié)合，生成3-oxo-C6-HSL[12]。3-oxo-C6-HSL 是費氏弧菌特有的自誘導(dǎo)物， 具有水溶性且分子質(zhì)量小的特點，能夠自由地進(jìn)出于細(xì)胞膜，隨著細(xì)菌密度增加，3-oxo-C6-HSL 會逐漸增多，達(dá)到一定的濃度閾值后， 便結(jié)合到特異性受體蛋白上，激活轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子LuxR。 隨后，LuxR-HSL 蛋白復(fù)合體與luxICDABE 操縱子上游20 bp 長度的lux box 結(jié)合，激活luxICDABE 操縱子，從而啟動某些功能基因的表達(dá)，此外，LuxR-HSL 蛋白復(fù)合體還與luxR 啟動子結(jié)合，抑制luxR 的轉(zhuǎn)錄，間接下調(diào)luxICDABE 的表達(dá)[12-14]。 值得一提的是，在LuxI/R-AHLs 型QS 系統(tǒng)中，信號分子AHLs 具有特異性，這使得多種微生物共存的復(fù)雜環(huán)境中，每種細(xì)菌都能精準(zhǔn)識別自身特定的信號分子。然而，每一種細(xì)菌并不是僅有一套LuxI/R-AHLs， 而是含有多套LuxI/R-AHLs QS 系統(tǒng)， 它們各自負(fù)責(zé)亦或是共同調(diào)控某種功能， 并且也會和其它類型的QS 協(xié)同作用。

圖1 費氏弧菌LuxI/R QS 系統(tǒng)[13]Fig.1 The LuxI/R quorum sensing system of Vibrio fischeri[13]

1.1.2 銅綠假單胞菌QS 系統(tǒng) 銅綠假單胞菌的QS 系統(tǒng)是細(xì)菌生理代謝系統(tǒng)里最復(fù)雜的系統(tǒng)之一， 目前所知的主要有3 種：LasR-LasI、RhlRRhlI、假單胞菌喹諾酮信號（Pseudomonas quinolone signal， PQS）， 它們彼此獨立而又相互關(guān)聯(lián)[15]。 LasR-LasI 系統(tǒng)由轉(zhuǎn)錄激活因子LasR 和AHLs 合成酶LasI 組成，LasI 指導(dǎo)信號分子3OC12-HSL（PAI 1）的合成，信號分子合成后分泌到胞外，當(dāng)累積到一定的濃度后，能夠被LasR 感知并結(jié)合成形成復(fù)合物L(fēng)asR-3OC12-HSL， 激活靶基因的轉(zhuǎn)錄， 促進(jìn)毒力基因如lasB、lasA、aprA、toxA 和las I 的表達(dá)[16-17]。 RhlR-RhlI 系統(tǒng)由轉(zhuǎn)錄激活因子RhIR 和AHLs 合成酶RhlI 組成，RhlI指導(dǎo)信號分子C4-HSL（PAI 2）的合成，在細(xì)胞濃度較高時，C4-HSL 與RhlR 結(jié)合形成RhlR-C4-HSL 復(fù)合物激活靶基因的轉(zhuǎn)錄，促進(jìn)蛋白酶、彈性蛋白酶的合成以及綠膿菌素、幾丁質(zhì)、氰化物等毒素的分泌[17-18]。

PQS 是在2-庚基-3-羥基-4-喹諾酮（2-heptyl-3-hydroxy-4-quinolone， HHQ）的基礎(chǔ)上形成的，并且和LasR-LasI、RhlR-RhlI 系統(tǒng)的AHLs 的信號具有相似的化學(xué)結(jié)構(gòu)[19]。PQS-QS 系統(tǒng)由操縱子pqsABCDE、phnAB、pqsRH 組成， 對綠膿菌素、彈性蛋白水解酶、 細(xì)胞毒性凝集素的合成和生物膜形成以及鐵平衡起著重要的調(diào)節(jié)作用。 pqs-ABCDE 操縱子產(chǎn)生烷基-4-（1H） 喹諾酮類化合物【alkyl-4-（1H）-quinolones， AQS】，包括PQS 和HHQ。 phnA、phnB 基因編碼合成鄰氨基苯甲酸鹽（Anthranilate），其可被PqsA 激活，形成鄰氨基苯甲酰輔酶A， 這是啟動QS 系統(tǒng)合成AQS 的第一步[20]。 PqsB、PqsC 和PqsD 是載體蛋白合酶，它們能將苯甲酸轉(zhuǎn)化為HHQ；PqsH 是黃素依賴型單加氧酶，可將HHQ 的3’端氫化；PqsE 是一種硫酯酶，由pqsABCDE-phnAB 操縱子的第5 位基因編碼合成，可調(diào)控銅綠假單胞菌分泌主要毒素-綠膿桿菌素[21-22]。 當(dāng)信號分子達(dá)到一定濃度時，HHQ 與轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子PqsR（也稱MvfR）結(jié)合，隨后PqsRHHQ 復(fù)合體激活pqsABCDE-phn AB 操縱子的轉(zhuǎn)錄，編碼合成與AQS 形成相關(guān)的酶，從而觸發(fā)所有QS 系統(tǒng)的正向調(diào)控[23]。 pqsR 和pqsH 基因能夠 被LasR-3OC12-HSL 激活， 而pqsABCD 和pqsR 又能被RhlR-C4-HSL 抑制，PqsR-AQS 信號分子AQS 的分泌能夠進(jìn)一步上調(diào)rhlI 和rhlR 的表達(dá)[24-25]。 因此，PQS 系統(tǒng)與Las 和Rhl 系統(tǒng)是緊密聯(lián)系的。 3 套QS 系統(tǒng)之間的信號因子相互聯(lián)系，形成緊密而又高效的信號傳遞與交流的通路，共同調(diào)節(jié)菌體生理特性。

1.2 AIP 介導(dǎo)的革蘭氏陽性菌QS 系統(tǒng)

自誘導(dǎo)肽（Autoinducing peptides， AIPs）為革蘭氏陽性菌QS 的主要信號分子， 其大多為5～26個氨基酸殘基排列而成的直線狀或環(huán)狀結(jié)構(gòu)[26]。AIPs 具有體積小、高穩(wěn)定性、高保守性的特點，然而其不能自由穿過菌體的細(xì)胞膜，需借助ABC 轉(zhuǎn)運系統(tǒng)（ATP-binding-cassette）或其它膜通道轉(zhuǎn)運蛋白到達(dá)胞外發(fā)揮作用[27]。 金黃色葡萄球菌和糞腸球菌是革蘭氏陽性菌雙組分QS 系統(tǒng)的典型菌株，以下介紹其QS 系統(tǒng)及作用機(jī)理。

1.2.1 金黃色葡萄球菌QS 系統(tǒng) 金黃色葡萄球菌是一種常見的食源性致病菌， 作為革蘭氏陽性菌QS 系統(tǒng)的典型代表， 其輔助基因調(diào)控（Accessory gene regulator， Agr）QS 系統(tǒng)通過雙組分系統(tǒng)（Two component system， TCS），調(diào)節(jié)毒素的分泌以及生物膜的形成。Agr QS 系統(tǒng)所利用的AIPs信號分子，由AgrD 編碼后，經(jīng)過AgrB 修飾成包含8～9 個氨基酸和1 個硫代內(nèi)酯環(huán)的結(jié)構(gòu)， 隨后通過細(xì)胞膜上的ABC 轉(zhuǎn)運系統(tǒng)協(xié)助跨越細(xì)胞膜到胞外[28]。 當(dāng)胞外AIPs 積累到一定閾值時，就會被細(xì)胞膜上組氨酸激酶感應(yīng)器（AgrC）感知并結(jié)合，之后膜蛋白AgrC 磷酸化， 并使得反應(yīng)調(diào)控因子AgrA 發(fā)生磷酸化，磷酸化的AgrA-P 與Agr QS 中的主要靶啟動子P2 和P3 相結(jié)合，誘導(dǎo)RNAII 和RNAIII 轉(zhuǎn) 錄，RNAII 由agrABCD 4 個 基因組成，對金黃色葡萄球菌自身QS 循環(huán)起到正反饋調(diào)節(jié)，RNAIII 對金黃色葡萄球菌毒素的產(chǎn)生具有重要的調(diào)節(jié)作用，如溶血素、腸毒素、入侵相關(guān)的蛋白酶[29-31]。

圖2 銅綠假單胞菌Las-Rhl-PQS QS 系統(tǒng)[25]Fig.2 The Las-RHL-PQS quorum sensing system of Pseudomonas aeruginosa[25]

圖3 金黃色葡萄球菌Agr QS 系統(tǒng)及其4 種AIP 信號分子結(jié)構(gòu)[31]Fig.3 The Agr quorum sensing system and the molecular structures of the four AIP signals in Staphylococcus aureus[31]

1.2.2 糞腸球菌QS 系統(tǒng) 糞腸球菌是一種廣泛分布于自然環(huán)境、 人和動物胃腸道中的條件致病菌， 約占所有腸球菌感染的80%， 能引發(fā)尿道感染、腹部和盆腔感染以及外科術(shù)后的感染等[32]。 糞腸球菌致病性和毒素的產(chǎn)生與自身具有的糞腸球菌反應(yīng)調(diào)節(jié)器（Enterococcus faecalis system regulator， Fsr）QS 系統(tǒng)密切相關(guān)， 其QS 系統(tǒng)利用11個氨基酸組成的大環(huán)AIP-明膠酶生物合成信息素（Gelatinase biosyn thesis-activating pheromone，GBAP）來激活Fsr 依賴的基因，這種肽的特點是在Ser3 的側(cè)鏈與Met11 的羧基之間形成內(nèi)酯大環(huán)鍵[33]。 Fsr QS 系統(tǒng)由fsrABCD 4 個基因組成，fsrD 編碼FsrD 蛋白，F(xiàn)srD 蛋白經(jīng)過fsrB 編碼合成的膜蛋白FsrB 加工之后，形成成熟的GBAP 并釋放到胞外，隨著菌體數(shù)量的增加，GBAP 會逐漸在胞外積累，當(dāng)GBAP 濃度達(dá)到一定閾值時，會被傳感器組氨酸激酶FsrC 識別， 使其發(fā)生磷酸化，并進(jìn)一步使反應(yīng)調(diào)節(jié)器FsrA 發(fā)生磷酸化； 隨后，磷酸化的FsrA 與fsrB 及gelE 上游啟動子區(qū)域相結(jié)合，從而激活fsrB-fsrC 和gelE-sprE 轉(zhuǎn)錄，合成明膠酶和絲氨酸蛋白酶， 直接影響糞腸球菌黏附能力和生物膜的形成， 從而誘導(dǎo)QS 系統(tǒng)的正向調(diào)控；當(dāng)菌體數(shù)量減少，周圍GBAP 濃度低于特定值時，F(xiàn)srA 會抑制fsrB-fsrC 和gelE-sprE 基因的表達(dá)[34-36]。 糞腸球菌Fsr QS 系統(tǒng)涉及該菌多方面的生理特征：蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)、生物膜形成和毒素產(chǎn)生。

1.3 AI-2 介導(dǎo)的種間QS 系統(tǒng)

AHLs 和AlPs 在不同細(xì)菌間具有很強(qiáng)的特異性， 然而在革蘭氏陰性菌和陽性菌中還普遍存在一類AI-2 型信號分子，其結(jié)構(gòu)為呋喃酰硼酸二酯[37]。 細(xì)菌能夠以AI-2 為媒介來感知外界不同種類細(xì)菌的數(shù)量，從而調(diào)節(jié)自身的生理變化，即菌體間能通過AI-2 來傳遞種間的信息。目前研究的熱點集中在致病菌中AI-2 調(diào)控的QS 系統(tǒng)，隨著研究的深入， 發(fā)現(xiàn)在非致病菌和益生菌中也利用這種“通用”信號分子調(diào)節(jié)種間的交流并表達(dá)生理特性[38]，包括生物膜的形成、毒素的分泌、生物發(fā)光以及細(xì)菌素的合成等。 AI-2 雖在各類細(xì)菌中的合成路徑大致相同， 但信號傳遞和感知的機(jī)制卻有很大的差別，當(dāng)前研究證實的AI-2 受體蛋白為沙門氏菌和大腸埃希氏菌的LsrB 蛋白以及哈維氏弧菌的LuxP 蛋白[39]。

圖4 糞腸球菌Fsr QS 系統(tǒng)[33]Fig.4 The Fsr quorum sensing system of Enterococcus faecalis[33]

圖5 AI-2 合成途徑[44]Fig.5 The synthesis pathway of AI-2[44]

1.3.1 AI-2 合成途徑 AI-2 是S-腺苷甲硫氨酸（S-Adenosylmethionine， SAM） 循環(huán)的代謝產(chǎn)物，其合成依賴LuxS 和S-腺苷同型半胱氨酸核苷酶（S-Adenosylhomocysteine nucleosidase， pfs）的作用[40]。 在AI-2 合成過程中，SAM 在甲基轉(zhuǎn)移酶的催化下去除一個甲基形成S-腺苷同型半胱氨酸（S-Adenosylhomocysteine， SAH），SAH 有2 種 代謝去向：1）在SAH 水解酶的作用下，一步反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為同型半胱氨酸（Homocysteine），此過程不產(chǎn)生AI-2；2）SAH 在Pfs 的作用下， 降解為S-核糖同型半胱氨酸 （S-Ribosylhomocysteine， SRH）和腺嘌呤，隨后，再由LuxS 催化SRH 中的硫醚鍵斷裂，生成4，5-二羥基-2，3-戊二酮（DPD）和同型半胱氨酸，DPD 是AI-2 的前體分子， 具有高活性，能夠自身環(huán)化形成AI-2，而生成的同型半胱氨酸在S-腺苷甲硫氨酸合成酶F/K（MetF/K）催化下得到甲基重新生成SAM 再次進(jìn)入代謝循環(huán)[41-43]。

1.3.2 哈維氏弧菌QS 系統(tǒng) 哈維氏弧菌QS 系統(tǒng)主要有3 種酶調(diào)控：LuxM、LuxS 和CqsA， 分別負(fù)責(zé)合成自誘導(dǎo)劑HAI-1 即3-羥基丁酰高絲氨酸內(nèi)酯 （N-[3-hydroxybutanoyl]-homoserine lactone）、AI-2（呋喃酰硼酸二酯）和CAI-1【（Z）-3-aminoundec-2-en-4-one，Ea-C8-CAI-1】，3 種不同的AIs 具有不同的信息傳遞功能：HAI-1 主要由哈維氏弧菌產(chǎn)生， 用于種內(nèi)交流；AI-2 介導(dǎo)種間的信息交流；CAI-1 在多種弧菌中均能產(chǎn)生，對弧菌間的QS 起重要作用[45-46]。 自誘導(dǎo)劑可以被細(xì)胞表面相應(yīng)的受體蛋白 （LuxN、LuxQ 和CqsS）所識別[47]。在低密度細(xì)胞水平，受體蛋白（LuxN、LuxQ和CqsS）自磷酸化，觸發(fā)LuxU 介導(dǎo)的LuxO 磷酸化， 磷酸化的LuxO 與σ54 結(jié)合， 促進(jìn)sRNAs（Qrr1-5）的轉(zhuǎn)錄，sRNAs 與Hfq 共同作用，破壞和降解主調(diào)控因子LuxR 的mRNA，從而阻止轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子LuxR 的表達(dá)；在高密度細(xì)胞水平，自誘導(dǎo)劑被相應(yīng)的受體蛋白（LuxN、LuxQ 和CqsS）感知并結(jié)合， 使得受體蛋白從激酶向磷酸酶的狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)變， 導(dǎo)致LuxO 去磷酸化， 轉(zhuǎn)變?yōu)椴荒艽龠M(jìn)sRNAs 轉(zhuǎn)錄的非活性形式， 從而降低了AphA 的產(chǎn)生， 增加了主調(diào)節(jié)因子LuxR 的合成， 誘導(dǎo)QS系統(tǒng)所調(diào)控的各種功能基因的表達(dá)[48-50]。

1.4 AI-3/腎上腺素/去甲腎上腺素介導(dǎo)的QS 系統(tǒng)

近年來有研究發(fā)現(xiàn)，在LuxS 蛋白發(fā)生突變的大腸桿菌中，雖不能合成AI-2 信號分子，卻產(chǎn)生了一種不同于AI-2 的新型信號分子——AI-3，以維持種間信息的交流，其結(jié)構(gòu)目前尚不明確，但發(fā)現(xiàn)腎上腺素 （Epinephrine， EPi）/去甲腎上腺素（Norepinephrine， NE） 能促進(jìn)腸出血性大腸桿菌毒素的分泌， 即腎上腺素和去甲腎上腺素能夠替代AI-3 行使功能[51]。 因此可以推斷：AI-3 在結(jié)構(gòu)上與腎上腺素/去甲腎上腺素相似。 大腸桿菌利用不同的QS 系統(tǒng)來調(diào)控生物膜的形成、菌體的運動以及毒素的分泌， 除AI-2/LuxS QS 系統(tǒng)外，AI-3型QS 系統(tǒng)可通過腎上腺素、 去甲腎上腺素以及QseABCEF 操縱子來調(diào)節(jié)QS[52]。

AI-3 一般存在于腸致病性大腸桿菌（Enteropathogenic Escherichia coli， EPEC）、 腸出血性大腸桿菌 （Enterohemorrhagic E. coli，EHEC）、克雷伯菌屬 （Klebsiella sp.）、 沙門氏菌屬（Salmonella sp.）和志賀氏菌屬（Shigella sp.）等致病菌中[53]。以EHEC 的AI-3/腎上腺素/去甲腎上腺素介導(dǎo)的QS 系統(tǒng)為例： 組氨酸激酶感受器QseC是EHEC 的全局調(diào)控因子，調(diào)控細(xì)胞新陳代謝、毒素分泌、運動性以及應(yīng)激反應(yīng)。 當(dāng)EPi/NE/AI-3 被QseC 感知后，促使反應(yīng)調(diào)節(jié)器（Response regulator， RR）QseB、QseF、KdpE 磷酸化，QseB 激活編碼鞭毛和菌毛基因的轉(zhuǎn)錄，QseF 協(xié)調(diào)編碼黏附脫落（Attaching and effacing， AE）損傷和應(yīng)激反應(yīng)基因的轉(zhuǎn)錄，KdpE 調(diào)節(jié)編碼鉀攝取、 滲透壓濃度和AE 損傷基因的轉(zhuǎn)錄[52，54]；QseE 感知Epi 和NE，以及環(huán)境中的磷酸鹽和硫酸鹽， 卻不能感知AI-3，QseC 激活QseE/F 的轉(zhuǎn)錄。在EPi/NE/AI-3 的信號級聯(lián)中，QseE 位于QseC 的下游，QseE/F 調(diào)節(jié)參與應(yīng)激（SOS）反應(yīng)和志賀毒素分泌基因的表達(dá)，以及編碼其它TCS 基因的轉(zhuǎn)錄；QseA 由AI-3/EPi/NE 信號級聯(lián)激活，其在提高腸出血性大腸桿菌的毒力方面起重要作用，QseA 激活轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子、sRNAs、AE 損傷以及EHEC 特有染色體區(qū)域——O 島[55-56]。

圖6 哈維氏弧菌QS 系統(tǒng)[48]Fig.6 The quorum sensing system of Vibrio harveyi[48]

圖7 出血性大腸桿菌中腎上腺素/NE/AI-3 QS 系統(tǒng)[52]Fig.7 The epinephrine/NE/AI-3 quorum sensing system in hemorrhagic Escherichia coli[52]

2 群體感應(yīng)淬滅

QS 是細(xì)菌通過釋放、識別和響應(yīng)信號分子來進(jìn)行信息交流的一種方式[57]。 許多研究表明，浮游菌體一旦形成生物膜后， 細(xì)菌對傳統(tǒng)抗生素的抵抗能力最高可提升1 000 倍， 這是因為細(xì)菌生物膜產(chǎn)生的胞外多聚物基質(zhì)（多糖、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、DNA）可以形成一道天然的屏障，再加上自身分泌的毒素以及抗生素， 保護(hù)細(xì)菌在外界環(huán)境發(fā)生不利變化的情況下依然能夠生長和繁殖， 這使得致病菌和腐敗菌的防控變得極其困難[58]。 阻止致病菌和腐敗菌QS 信號分子的產(chǎn)生和積累，阻止其被受體蛋白識別和結(jié)合，就可以干擾QS 系統(tǒng)，防止其形成生物膜，抑制其毒素產(chǎn)生。 因此，具有群體感應(yīng)淬滅（Quorum quenching， QQ）作用的QSIs逐漸被發(fā)掘，并成為有害菌防控研究的熱點[59-60]。

QSIs 根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同可分為呋喃酮類、 內(nèi)酯類、取代的HSL 類、AIP 類等。 根據(jù)來源的不同可以分為天然QSIs 和人工合成QSIs， 而天然QSIs包括：非肽類小分子化合物、AIP 類似物的肽類化合物和QS 淬滅酶，其來源可分為動物類、植物類、原核生物類、海洋生物類以及真菌類[61-62]。 目前常用的QSIs 為人工合成類，其主要優(yōu)點是具有很強(qiáng)的QS 信號通路干擾能力， 缺點是大多具有毒性，有些甚至具有致癌性， 不能用于食品生產(chǎn)過程中致病菌和腐敗菌的防治。 從天然食材或藥食同源性材料中提取QSIs， 以及從微生物的次生代謝產(chǎn)物中挖掘QSIs，將是未來QSIs 在食品生產(chǎn)中防控有害菌的發(fā)展方向。

QSIs 與抗生素相比， 可有效緩解細(xì)菌耐藥性的問題， 這是因為其可以擾亂致病菌毒力因子的正常表達(dá)， 特異地抑制致病菌的致病性且不殺死細(xì)菌，不會對菌體造成選擇性的壓力[63]。QSIs 主要有3 種作用機(jī)制[64-65]：一是阻斷QS 信號分子合成， 可通過清除底物或降低信號分子合成酶的活性等方式來實現(xiàn)；二是降解QS 信號分子，使其在胞外難以達(dá)到受體蛋白所能感知的濃度閾值；三是抑制受體蛋白的活性， 引入信號分子類似物與信號分子競爭結(jié)合位點，阻斷QS 通路。 以AHLLuxI/LuxR 調(diào)控機(jī)制為例，如圖8 所示。

圖8 QSIs 作用機(jī)制[65]Fig.8 The mechanisms of quorum sensing inhibitors[65]

2.1 阻斷QS 信號分子合成

QS 信號分子的合成需要多種酶的參與，如AI-2 合成依賴LuxS 和pfs 兩種酶的作用，AHLs的合成依賴?；d體蛋白 （Acyl carrier protein，ACP）、烯基-?；d體蛋白還原酶和AHL 合成酶的作用[66]。 因此，在信號分子的合成過程中，只要降低相關(guān)蛋白或酶的活性，便可阻斷信號分子，淬滅QS 系統(tǒng)。 Cui 等[67]研究發(fā)現(xiàn)甲殼乳桿菌ZHG2-1 發(fā)酵液粗提物對銅綠假單菌生物膜有明顯的清除作用，RT-qPCR 分析表明， 粗提物下調(diào)信號分子合成基因lasI/R 和rhlI/R 表達(dá)，抑制蛋白酶、幾丁質(zhì)酶、綠膿桿菌素、鼠李糖脂等毒素的產(chǎn)生。 Li等[68]探究L-香芹酮對蜂房哈夫尼菌QS 的影響，經(jīng)L-香芹酮處理之后，菌體運動、群集能力、生物膜形成、AHLs 產(chǎn)量下降， 研究證實L-香芹酮與LuxI 蛋白和LuxR 蛋白具有很強(qiáng)的結(jié)合能力，結(jié)合后抑制其活性，干擾信號分子AHLs 合成，淬滅QS 系統(tǒng)。

2.2 降解QS 信號分子

QS 淬滅酶是一類能夠降解信號分子，防止信號分子在胞外積累的酶。 目前，AIPs 和AI-2 降解酶的種類很少，而AHLs 降解酶種類卻極為豐富，主要分為3 類：AHL 內(nèi)酯酶水解內(nèi)酯環(huán)， 產(chǎn)生N-酰基高絲氨酸；AHL 酰胺酶水解AHL 的酰胺鍵，并將其分解成脂肪酸和高絲氨酸內(nèi)酯；AHL 氧化還原酶氧化或還原酰胺鍵， 氧化主要發(fā)生在?；湹膚-1、w-2、w-3 位的碳上， 還原是將C3 位的羧基還原為羰基[69]。 Pan 等[70]從海洋細(xì)菌中篩選出具有AHLs 降解能力的假交替單胞菌MQS005，通過全基因組學(xué)測序發(fā)現(xiàn)PvdQ 型酰胺酶基因APTM01， 構(gòu)建含該基因的大腸桿菌BL21 表達(dá)宿主， 該酶能 降解C10-HSL、C12-HSL 和OC12-HSL。Anandan 等[71]在蘇云金芽孢桿菌KMCL07 中發(fā)現(xiàn)一種屬于金屬-β-內(nèi)酰胺超家族的QS 淬滅酶——AiiA 內(nèi)酰胺酶，該酶與C4-HSL、C6-HSL、3-oxo-C12-HSL 具有很強(qiáng)的親和力， 與AHLs 信號分子結(jié)合并使其失活， 顯著抑制銅綠假單胞菌PAO1 生物膜形成和毒素的分泌。 目前，降解信號分子的酶具有活性不穩(wěn)定、專一性不高的缺點，因此，需進(jìn)一步分離鑒定穩(wěn)定性強(qiáng)的酶，或通過分子工程提高其性能。

2.3 QS 信號分子類似物競爭結(jié)合受體蛋白

修飾AHLs 酰基側(cè)鏈和內(nèi)酯后形成的AHLs類似物、AIPs 類似物、AI-2 和DPD 類似物， 可與天然信號分子競爭結(jié)合受體蛋白， 抑制下游調(diào)控蛋白，淬滅QS 系統(tǒng)[63]。Liu 等[72]設(shè)計合成新型L-高絲氨酸內(nèi)酯類似物， 其對銅綠假單胞菌PAO1 生物膜形成、菌體運動、毒素分泌等QS 表觀特征具有不同程度的抑制作用， 該類似物與信號分子3OC12-HSL 競爭性結(jié)合LasR， 抑制了lasR、rhl、PQS 系統(tǒng)相關(guān)基因的表達(dá)，從而淬滅QS 系統(tǒng)。 Li等[73]研究鄰氨基苯甲酸甲酯對溫和氣單胞菌QS淬滅作用， 發(fā)現(xiàn)其與信號分子C4-HSL 具有相同的蛋白結(jié)合位點-LuxR，與LuxR 形成的復(fù)合物穩(wěn)定，可作為信號分子競爭性抑制劑。 Park 等[74]設(shè)計合成3-（二溴甲基） 異苯并呋喃-1 （3H）-酮【3-（dibromomethylene）isobenzofuran-1 （3H）-one】衍生物，對牙周病原體信號分子AI-2 活性和生物膜形成具有顯著的抑制作用，這種化合物與AI-2 具有相似的環(huán)狀結(jié)構(gòu)， 與AI-2 競爭性結(jié)合受體蛋白，進(jìn)而淬滅QS 系統(tǒng)。

3 群體感應(yīng)的應(yīng)用與展望

1） 利用群體感應(yīng)防治腐敗菌 在牛奶、水果、蔬菜等食品加工、貯藏、運輸過程中所發(fā)生的腐敗變質(zhì)的現(xiàn)象大多有QS 系統(tǒng)的參與，其調(diào)控與食品腐敗變質(zhì)有關(guān)的微生物的蛋白質(zhì)分解酶、脂肪水解酶、纖維素酶、果膠酶以及生物膜的形成。因此，使用QSIs 如QS 淬滅酶，從抑制腐敗菌生物膜形成、 淬滅腐敗相關(guān)酶的活性等多方面阻礙食品腐敗進(jìn)程，這為提高食品質(zhì)量、保障食品安全提供了新的思路。

2） 利用群體感應(yīng)防控致病菌 目前因長期使用抗生素已經(jīng)導(dǎo)致大量致病菌形成的耐藥性，這對未來致病菌感染的治療與防控是極其不利的。 隨著對QS 系統(tǒng)機(jī)理研究的深入和全面，可利用天然產(chǎn)物或人工合成具有強(qiáng)大QS 淬滅能力的新型QSIs，有效抑制致病菌分泌的致病毒素、破壞致病菌生物膜的形成以及改善受感染者自身的免疫系統(tǒng)，更為重要的是，QSIs 可緩解傳統(tǒng)抗生素對致病菌施加的選擇性生存的壓力， 從而防止耐藥性菌株的出現(xiàn)。

3） 利用群體感應(yīng)調(diào)控生物合成 以生物合成的方式進(jìn)行食品原輔料的生產(chǎn)與加工是未來大量生產(chǎn)目的產(chǎn)物最為經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的方式。在生物合成過程中，人工代謝通路的設(shè)計與構(gòu)建，可使發(fā)酵工程菌高效合成大量的重組蛋白，然而，如果對生物反應(yīng)的代謝通路過度改造， 比如在發(fā)酵起始就啟動蛋白的表達(dá)， 將會對菌體的生長繁殖帶來很大的壓力，菌體無法正常生長，甚至?xí)鸲舅氐姆置?，影響了產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。在工程途徑中引入QS 系統(tǒng)，通過對周圍環(huán)境中菌體濃度進(jìn)行實時的感知，全面且高效地調(diào)節(jié)目的基因的表達(dá)，能夠?qū)w生長繁殖過程中所發(fā)生的變化進(jìn)行及時有效的調(diào)控，具有動態(tài)性和通用性的優(yōu)點。 因此，在生物合成技術(shù)的研究中，將QS 系統(tǒng)與發(fā)酵工程相融合的思路，開辟了一個全新的微生物研究方向。

QS 是微生物研究的新興研究方向，未來充滿著機(jī)遇與挑戰(zhàn)，現(xiàn)階段對于許多種細(xì)菌QS 系統(tǒng)的機(jī)制，尚未得到全面而深入的研究。 另外，雖然目前研究所得到的QSIs 種類很多，然而其穩(wěn)定性以及QS 淬滅效果并不理想，尤其是人工合成的QSI具有毒性，難以應(yīng)用在食品領(lǐng)域，因此，未來研究趨向于從天然食材或藥食同源性材料、 微生物的次生代謝產(chǎn)物中挖掘QSIs， 以及建立新型高效的QSIs 篩選體系，從而得到QS 淬滅性強(qiáng)、無毒、無污染的新型QSIs。相信在未來隨著組學(xué)、分子生物學(xué)和合成生物學(xué)等技術(shù)的成熟，我們將會對QS 系統(tǒng)有全新的認(rèn)識和應(yīng)用。