1983年，Engebrecht等找到了费式弧菌群体感应的相关 基因和群体模型
群体感应的研究进展
20世纪90年代初，QS研究开始 大部分细菌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
QS调节细菌的生理功能：如生物发光、毒素的产生、质 粒的转移、根瘤菌的结瘤、抗生素合成
群体感应的定义
QS信号分子分类
(1) 革兰氏阳性菌中多肽AIP (2) 革兰氏阴性菌的AHL/AI-1型
(3) LuxS/AI-2型
(4) AI-3/ 肾上腺素/去甲肾上腺素
群体感应的研究进展
1970年，Nealson等首次发现费式弧菌（Vibrio fischeri） 的生物发光现象
V. fischeri与某些海生动物共生，宿主利用其发光扑获食 物、躲避天敌，同时V. fischeri获得营养丰富的环境
群体感应的定义
群体感应调节示意图
信号分子 临界浓度
基因表达
生物行为调节
群体感应的定义
QS信号分子特点
分子量小：如酰基-高丝氨酸内酯(AHL)衍生物、寡肽等，能自由进 出细胞或通过寡肽通透酶分泌到环境
种属特异性：一种细菌调节蛋白能响应多种信息素，已建立多种革 兰氏阴性菌信息素检测系统
龋齿周围生物膜形成参与的菌种，所有细菌均参与群体感应
Nature Reviews, Biotechnology
群体感应的研究意义
通过人为干扰或促进微生物群体感应而调控某种功能， 在环境科学和工程研究中意义重要
群体感应可以促进胞 外聚合物(EPS)中胞外 DNA (eDNA)的大量释 放，产生的eDNA促进 细胞间和细胞与表面 的互联，促使生物膜 有效形成
群体感应调节
细菌释放自诱导物质 (Auto-inducer, AI) 的信号分子 临界浓度时，AI能启动菌体相关基因的表达，调控细菌的生
物行为（产生毒素、生物膜、抗生素、孢子、荧光等），使 其调节自身行为以适应环境变化 感应现象在细菌密度达到一定阈值 后发生，这一现象也被称为细胞密 度基因表达 (cell density dependent control of gene expression)
QS调控细菌的多种生活习性：如质粒的接合转移、生物 膜形成、孢子形成、细胞分化、运动性、胞外多糖形成
QS参与致病菌的毒力因子诱导、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
群体感应的研究意义
了解单细胞微生物的信息交流与行为特性关系，建立化学 信号物质和生理行为的联系，例如：
第六章 微生物群体感应系统及其应用
课时：4 学时 授课方式：讲授＋讨论 开课时间：2014年秋季学期
主要内容
群体感应的概念 群体感应的研究历史 群体感应的分子机制 群体感应的生物效应
群体感应的应用
群体感应的定义
群体感应 (quorum sensing, QS)
微生物间通过分泌、释放一些特定的信号分子，感知浓度变 化， 监测菌群密度、调控菌群生理功能，从而适应环境条 件的一种信号交流机制，又称细胞交流或自诱导 (Auto-induce)
双组份信号交换系统： Two-component signal transduction system, TCSTS)
群体感应的分子机制
革兰氏阳性菌QS系统—AIP-TCS三组分系统
AIP通过细胞膜的方式：ABC（ATP binding cassette） 转运系统
群体感应的分子机制
革兰氏阴性菌QS系统—LuxI-AHL型
AHL可自由出入细胞体内外 细胞达到一定密度，信号分子接近浓度阈值 信号分子通过细胞膜的方式：自由扩散
群体感应的分子机制
革兰氏阴性菌QS系统—LuxI-AHL型
AHL-LuxR复合物作为转录因子，激活目标基因的表达 还可激活LuxI的表达，形成级联放大正反馈反应
依赖生长期和细胞密度：对数期或稳定期在环境中积累达到较高浓 度，其所调节的基因表达量最大
细菌感染调控：许多信息素产生菌是动植物致病菌或共生菌，它在 细菌和宿主之间的相互作用中起着重要的调控作用
兼具抗生素活性：Lactococcus lastis产生的乳链球菌素nisin，既作为 信息调节细胞生物合成和免疫基因的表达，也拮抗其他微生物；植 物乳球菌 (L. plantarum) 产生的植物乳杆菌素A也有信息素和抗生素 的双重活性
群体感应的分子机制
革兰氏阴性菌QS系统—LuxI-AHL型
AHL合成及LuxR结合作用示意图
群体感应的分子机制
革兰氏阴性菌QS系统—LuxI-AHL型
不同革兰阴性菌的LuxI-AHL型QS系统有所差别，其 AHL类自诱导剂都以高丝氨酸为主体，差别只是酰基侧 链的有无、侧链的有无及侧链的长短不同
群体感应的分子机制
革兰氏阴性菌QS系统—LuxI-AHL型
自诱导分子：脂肪酰基高丝氨酸内酯（acyl homoserine lactones, AHL）
AI合成蛋白（LuxI蛋白酶）：可催化带有酰基载体蛋白的酰基 侧链与S-腺苷蛋氨酸上的高丝 氨酸结合生成AHL
受体（LuxR蛋白酶）：AHL与 IuxR蛋白结合为浓度依赖型； 无AHL时，LuxR无活性， 且很快被降解掉
研究表明，可通过有 效抑制破坏胞外聚合 物的eDNA，抑制生物 膜形成
Environmental Microbiology Reports (2013) 5(6), 778–786
群体感应的分子机制
QS 系统分类
群体感应 (quorum sensing, QS)
种内QS系统 种间QS系统
G-菌QS系统 G+菌QS系统
费式弧菌 LuxI-LuxR 型QS系统 示意图
群体感应的分子机制
革兰氏阴性菌QS系统—LuxI-AHL型
常见的AHL分子及其功能
群体感应的分子机制
革兰氏阳性菌的QS系统—AIP-TCS三组分系统
信号分子：AIP（autoinducing peptides， 自诱导肽）
AIP前体肽经转录一系列修饰加工， 在不同细菌中形成长短不同、 稳定 Nhomakorabea异的AIP