群体感应

群体感应抑制剂控制微生物污染的研究进展近年来，微生物污染在医疗、食品、饮用水等领域成为一个备受关注的问题，同时也引起了严重的卫生和经济问题。

传统方法常使用化学药剂对微生物进行控制和消除，但随着对环境保护意识的提高，该方法的应用范围越来越受到限制。

而群体感应抑制剂的出现，为控制微生物污染提供了新思路。

本文通过综述国内外有关群体感应抑制剂控制微生物污染的研究进展，以期为相关学科的研究提供借鉴和参考。

一、群体感应抑制剂的定义和作用机制群体感应抑制剂是一类能够抑制微生物群体感应的物质。

群体感应是微生物细胞间的一种细胞信号传递系统，具有在同一群体内调节基因表达、控制生长和代谢等生理功能的作用。

而群体感应抑制剂则可以干扰这种信号传递系统的正常运作，从而抑制微生物的群体感应和生长。

群体感应抑制剂可以通过多种途径干扰微生物的群体感应系统，例如：（1）光化学物质——例如紫外线、光敏剂等；（2）植物提取物——例如咖啡因、香草酸等；（3）海洋生物——例如藻类、海绵体等；（4）化合物合成——例如多肽、二元素等。

通过上述途径干扰微生物的群体感应系统，可以达到控制微生物生长和繁殖的目的，从而实现对微生物污染的控制。

二、群体感应抑制剂在医疗领域的应用在医疗领域，微生物的感染容易导致严重的健康问题。

传统的抗生素治疗方法存在多种局限性，例如抗生素对特定微生物的敏感性、多重耐药等问题。

群体感应抑制剂作为一种新的治疗方法，可以提供一种替代性的治疗方案。

目前已有多种群体感应抑制剂被应用于医疗领域。

1、肽类群体感应抑制剂肽类群体感应抑制剂是一种与肽类抗生素相近的化合物，具有广谱的抑菌作用。

例如已有报道表明，培养基中添加巴西牛樟脑（HD-034）、庆大霉素类似物（NSTA-4）等肽类群体感应抑制剂，可以抑制病原性菌种的生长、繁殖和生产外毒素等。

2、天然产物群体感应抑制剂天然产物群体感应抑制剂是利用植物、动物等自然界的资源，通过提取和化学合成等方法获得的有效成分。

费氏弧菌Vibrio fischeri 群体感应系统首先是在海洋细菌费氏弧菌，费氏弧菌定殖于夏威夷鱿鱼的发光器官内，当细菌达到一定的密度后，就会诱导发光基因的表达。

细菌的生物发光为鱿鱼提供光源，掩盖其影子来保护自身。

同时，细菌也获得一个合适的栖息场所。

Nealson等在1970 年首次报道了该菌菌体密度与生物发光呈正相关,该发光现象受细菌本身的群体感应调节系统(Quorum-Sensing System ,简称QS 系统) 所控制。

通用语言呋喃硼酸二酯Peptides呋喃硼酸二酯高丝氨酸内酯γ-丁酸内酯synthesizesautoinducer homoserine Autoinducer diffuses into the medium where it accumulates. At thresholdconcentration AI diffuses back into the cell and binds to activator protein LuxR.酰基高丝氨酸内酯(AHL)的结构AHL 由LuxI 类蛋白酶催化脂肪酸代谢途径中的酰基-酰基载体蛋白(acyl-ACP)的酰基侧链与S-腺苷甲硫氨酸中高丝氨酸部分的接合, 并进一步内酯化而生成的不同的细菌产生不同的AHLs ，差异只在于酰基侧链的长度与结构，高丝氨酸内酯部分是相同的。

以及与启动子DNA的结合The genesencoding the AHL synthaseregulatory protein, respectively. In thepresence of sufficient AHL signal, the Rregulatory protein is activated, possiblyby dimerization. The activated Rregulatory protein binds to a specificbinding site and stimulates (orrepresses) transcription initiation byRNA Polymerase holoenzyme•LuxR型蛋白也有特殊的酰基结合框，在有多种细菌存在的环境下，存在许多种AHL分子，每一种细菌都能对其自身的群体感应信号识别、监控、作出反应除了链霉菌中调控抗生素合成的γ黄色粘球菌肺炎链球菌枯草芽孢杆菌金黄色葡萄球菌Staphylococcus aureus uses a two -component response system (TCRS) to mediate quorum sensing (QS). The regulation of QS involves the productio increase in its concentration, expression of RNAIII and the subs genes. S. aureus produces an autoinducing and activates the TCRS. The TCRS involves signal recognition by (1), followed by histidine phosphorylation Regulation of the two quorum-sensing systems of Staph. aureusThe first quorum-sensing system, consisting of the peptide autoinducer protein, TRAP, is regulated by the accessory gene regulator (agr comprises two units (RNAII and RNAIII) that are divergently transcribed, whose transcription is under control of the P2 and P3 promoters respectively. A threshold concentration of RAP triggers the activation of TRAP, which activates the transcription of RNAII. The RNAII unit encloses four genes: agrB , agrD , agrC and agrA . AgrB and AgrD 呋喃硼酸二酯AI-2细菌可以利用这类信号分子感知其它细菌数量来调控自身的行为。

细菌群体感应系统功能
细菌群体感应系统是一种细菌激发细胞间相互作用的机制，通过该系统细菌能够感知并响应外界刺激，调节自身生长和行为，实现一种集体行为。

细菌群体感应系统包含以下功能：
1. 信息传递：细菌通过释放化学信号物质（自动诱导物质、群体感应激素等），使周围细菌感知到外界环境的变化。

这些信号物质可以通过扩散或分泌到周围环境中，也可以直接通过细胞间连接的纤毛或细胞间通道传递。

2. 群体行为：细菌感知到外界环境的变化后，能够通过群体行为来响应和适应。

例如，一些细菌在感知到相对高密度的环境后会进行群体聚集，形成生物膜或菌落。

这种群体行为可以提供保护、资源共享和传递信号等功能。

3. 调控基因表达：细菌群体感应系统能够影响细菌内部的基因表达，通过调节特定基因的转录和翻译过程来实现对环境的适应。

这些基因可能与细菌的生长、生存、毒力等相关。

4. 抗生素生产和耐药性：一些细菌群体感应系统能够诱导或抑制细菌对抗生素的产生。

此外，一些感应系统还能够调节细菌对抗生素的敏感性，从而实现对抗生素的耐药性。

细菌群体感应系统的功能使细菌能够在群体中实现一种高效的信息传递、协作和适应性，为它们在复杂的生态环境中生存和繁衍提供了竞争优势。

这种系统在医药、环境保护、生物工程等领域都有重要的应用潜力。

e42-1 群体感应
群体感应是指某个菌体能够感应到周围环境中同种细菌的其他成员的存在并做出反应的现象。

在上个世纪60年代后期，J.Woodland Hastings等人发现，某些海洋发光细菌只有在达到临界数量后才会发光，而在细菌数量不足时就保持黯淡。

对此他们认为，细菌释放了一种叫自诱导物（autoinducer）的信号分子，来对生物荧光进行调控，同时用它来监测同种细菌的密度。

直到1981年，他们才首次纯化并确定自诱导物是一种脂酰高丝氨酰内酯（acylated homoserine lactone，AHL）。

目前已知具有群体效应的菌体会持续地释放出自诱导物，随着群体扩展，更多自诱导物被增殖的细菌制造，并释放到菌体周围，其浓度也因此渐渐上升。

一旦自诱导物浓度达到一个临界值，细菌便可感应到群体数目的变化，一些细胞行为也会因此改变，如生物荧光、接合作用、转化作用、孢子生成、生物薄膜（biofilm）形成、抗生素和毒素的合成。

迄今为止，具有群体感应的菌种已达数十种，其中，革兰氏阴性菌有两类自诱导物——AHL和呋喃糖硼酸二酯（furanosyl borate diester），革兰氏阳性菌则以寡肽为自诱导物。

以AHL为自诱导物的系统是由luxI和luxR两个结构基因组成，分别编码AHL合酶和AHL反应调节蛋白。

产生的自诱导物分子需要和反应调节蛋白结合，才能控制与群体感应有关的多个基因的表达（图e42-1），例如Vibrio fischeri及V. harveyi的生物荧光基因。

图e42-1 细菌群体感应的LuxI/LuxR系统。

群体感应1.群体感应概念细菌分泌一种或者几种小分子量的化学信号分子促进细菌个体间相互交流，协调群体行为，该现象称为群体感应( quorum sensing ，QS)。

细菌利用信号分子感知周围环境中自身或其他细菌的细胞群体密度的变化，并且信号分子随着群体密度的增加而增加，当群体密度达到一定阈值时，信号分子将启动菌体中特定基因的表达，改变和协调细胞之间的行为，呈现某种生理特性，从而实现单个细菌无法完成的某些生理功能和调节机制。

20世纪70年代，QS系统首先是在海洋细菌费氏弧菌(Vibrio fiscberi)中发现的，V. fiscberi 可以与某些海生动物共生，宿主利用其发出的光捕获食物、躲避天敌以及寻觅配偶，而V.fiscberi也获得了一个营养丰富的生存环境。

对细菌的QS 研究始于20 世纪90 年代初. 从已有的研究成果看: 其一, 大部分细菌一般均有两套群体感应系统, 一套用于种内信息交流, 一套用于种间信息交流; 其二, QS 对细菌的许多生理功能都有调节作用, 如生物发光、毒素的产生、质粒的转移、根瘤菌的结瘤、抗生素的合成, 等等.群体感应参与调控细菌的多种生活习性以及各种生理过程,如生物发光、质粒的接合转移、生物膜与孢子形成、细胞分化、运动性、胞外多糖形成等[ 1 , 3],尤其致病菌的毒力因子的诱导、细菌与真核生物的共生、抗生素与细菌素合成等与人类关系密切的细菌生理特性相关。

因此, 细菌QS系统研究,深受医学、生物工程、农业和环境工程、食品科学等领域研究者广泛关注。

当前, 对致病菌的QS系统及以其为靶点的新型疗法和抗菌药物研究、根瘤菌QS系统及其在根瘤菌与植物互作中的作用研究、植物病原菌QS系统及寻找生物技术防治细菌病害的新靶点研究较为深入意义：一方面有助于人们了解单细胞微生物的信息交流与行为特性的关系，建立起化学信号物质和生理行为之间的联系；另一方面则可通过人为地干扰或促进微生物的群体感应系统从而调控其某种功能，以达成其在实际意义上的应用。

最新：群体感应调控细菌耐药的机制（全文）细菌的抗菌素耐药已成为威胁人类健康的重大问题，亟需新策略阻控细菌耐药。

群体感应是微生物细胞间交流的一种机制，当环境中群体密度达到阈值后群体感应即被激活，调控下游基因转录。

群体感应已被证实可调控生物膜、外排泵、细菌分泌系统等抗菌素耐药机制，有望成为耐药调控靶点。

目前已有多种群体感应抑制剂通过降解信号分子、干扰信号分子与受体蛋白的识别和结合、阻断群体感应信号的合成等方式干扰群体感应。

群体感应抑制剂有望成为阻控微生物耐药的新方法。

近年来，随着抗菌素的广泛使用，细菌的抗菌素耐药已成为威胁人类健康的重大问题。

研究者们试图通过研究微生物耐药靶点、研发新型药物等方法攻克抗菌素耐药这一世纪难题，但细菌耐药率仍逐年攀升。

因此，迫切需要从新的角度研究抗菌素耐药问题。

最近，一些研究揭示了群体感应（quorumsensing）系统在细菌耐药中的作用，并深入探索了群体感应调控细菌耐药的机制，这些研究成果有望为阻控抗菌素耐药提供新的方法和靶点。

本文围绕群体感应对细菌抗菌素耐药的调控机制及干预手段进行综述。

一.细菌耐药机制目前，抗菌素的作用机制主要包括以下4个方面：（1）阻碍细胞膜合成；（2）增强细胞膜通透性；（3）影响蛋白质合成；（4）干扰DNA的复制和转录〔】】。

相应地，细菌发展出以下5种主要抗菌素耐药机制：（1）降低细胞膜对抗菌素的通透性；（2）利用外排泵排出抗菌素；（3）基因突变或修饰抗菌素靶向基因；（4）对抗菌素的直接修饰或降解；（5）形成生物膜1W。

为克服细菌耐药，新药研发、药物联用已成为常见手段，但罕有从细菌群体角度出发制定的策略。

基于此，深入研究细菌群体感应系统，从中寻找新的耐药阻控手段已刻不容缓。

二、群体感应简介20世纪70年代，Nea1son和Eberhard等【2,3］发现费氏弧菌（Vibiofischeri）和哈维弧菌（Vibioharveyi）的发光现象可由菌群密度所调控,这是最早关于群体感应现象的文献报道。