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类似物作为细菌群体感应系统促进剂的研究进展宋文涛 邢梦洁 蔺妍妍 姚慧慧 毛爱红 唐德平(.兰州交通大学 生物与制药工程学院甘肃 兰州.甘肃省医学科学研究院甘肃 兰州)摘 要 应用 酰基高丝氨酸内酯()介导的群体感应()系统调控生物膜形成和次级代谢物合成具有巨大的商业价值但自然界中许多微生物能够产生群体淬灭()酶 酶能够降解天然 信号分子使外源天然 信号分子的半衰期缩短限制了天然 信号分子的应用范围 化学合成的 类似物作为 促进剂通过与天然信号分子类似的结合方式形成转录二聚体激活下游基因表达但与天然 信号分子相比化学合成的 促进剂具有活性高、半衰期长等优点 综述了化学合成 类似物的设计思路、种类、作用机制及其在提高次级代谢物产量和生物浸矿方面的应用并讨论了 促进剂今后主要的研究方向以期为 促进剂的合成设计和实际应用提供参考关键词 群体感应信号分子 类似物群体感应促进剂次级代谢物生物浸矿中图分类号 文献标识码 文章编号 ():./.(.)()().().群体感应()是一种微生物之间普遍存在的依赖于菌体密度的沟通协调机制控制着细菌的生长、增殖及相关群体活动行为 参与调控生物发光、孢子形成、毒力产生以及生物膜形成 不仅细菌、真菌同种属之间可以通过 信号分子进行信息交流甚至可以进行跨界传递如细菌分泌的 信号分子对噬菌体和植物也具有调控作用 对致病菌的 系统及其作用机制和调控功能已经有大量的研究报道并且成功开发了对细菌不产生生存微生物学杂志 年 月第 卷 第 期 .压力的 抑制剂从而提高致病菌对抗生素或抗菌剂的敏感性但对群体感应促进剂的研究报道相对较少 群体感应促进剂能够正向调控 系统提高次级代谢物的产量、促进生物膜形成在废水处理、微生物燃料电池()、发酵工业、生物浸矿、益生菌等方面都具有广阔的应用前景 添加天然 信号分子能够提早激活 系统但环境中存在 信号分子降解酶包括 内酯酶、脱羧酶、酰基酶、脱氨酶前两种酶能够水解信号分子内酯环后两种能够裂解信号分子酰基侧链这导致了天然 信号分子的降解化学合成 促进剂能够有效解决这些问题 本文对添加化学合成的 促进剂对群体感应促进的生物膜形成及提高次级代谢产物产量方面的进展进行了整理和总结为今后基于化学合成的 促进剂的设计及研究方法提供参考 群体感应调控机制现在已知的 系统可分为以下四类:型信号系统:主要负责种内细菌间交流/分别是 型信号系统的信号分子合成酶和信号分子受体蛋白 小分子多肽()介导的 系统:革兰阳性菌通过分泌 进行细菌间交流金黄色葡萄球菌中的辅助基因调控()参与合成、识别 也是目前细菌中研究较为清楚的双组分调节系统之一 型信号系统:具有呋喃酮结构是由信号分子合酶 核糖同型半胱氨酸酶()和 腺苷同型半胱氨酸核苷酶()催化合成在革兰阳性菌和革兰阴性菌中都存在这种信号系统主要负责种间交流可在不同种微生物间传递信息并且只有对数生长期的细菌产生并分泌 而处于稳定期的细菌不再产生 型信号系统:的具体分子结构并未明晰其功能可用肾上腺素()或去甲肾上腺素()代替并且与 型信号系统存在偶联 由胃肠道菌群产生 膜结合蛋白()是最早在变形菌门发现的组氨酸传感器激酶它能与 相互作用激活下游基因表达.介导的群体感应系统 介导的群体感应广泛存在于自然界中在调控微生物生理状态中起着关键作用所有的 都含有一个酰基高丝氨酸内酯环其酰基链由于侧链长度和三号位取代基的不同从而表现出不同的功能 介导的典型 系统包括 合成酶和 受体 型合成酶的分布最广、研究最清楚它能够催化底物 腺苷甲硫氨酸()和酰基酰基载体蛋白()生成 合成酶对特定酰基 底物的偏爱性决定了产物的多样性 其相应的 受体为 型蛋白 型受体蛋白在结合信号分子后通常形成活性二聚体并作为转录因子诱导 调节基因表达 此外除 型受体蛋白外还有(铜绿假单胞首 )、(铜绿假单胞菌)、(根癌农杆菌)等受体蛋白.典型的细菌群体感应系统以铜绿假单胞菌为例对 系统进行阐述如图 所示该菌基因组编码 和 两个完整的酰基高丝氨酸内酯 系统 和 共同调节数百种基因的转录 另外存在一个群体感应转录抑制因子 蛋白()并且 与 共享 信号分子 除了控制自己的独立调节子外还抑制 和 系统 通过抑制 蛋白表达在一定程度上可以促进 蛋白活性这是群体感应促进剂作用的靶点之一 第三套 系统为 系统信号分子属于 喹诺酮类化合物()并且、和 都参与编码 的合成此外还存在一个具有争议的 系统以前认为(羟苯基)噻唑甲醛)信号分子是由一个非核糖体肽合成酶基因簇 参与合成的最近研究表明 酶负责一种抗代谢物氨基甲氧基反式丁烯酸()的合成不负责合成 并且提出 可能是铜绿假单胞菌螯铁蛋白的前体对 系统是否为典型的 系统提出疑问 年明确提出 是铜绿醛即螯铁蛋白生物合成或降解的副产物 系统不是铜绿假单胞菌的第四套 系 微 生 物 学 杂 志 卷统 综上所述 系统还存在诸多疑问有待进一步研究图 以 为受体蛋白的群体感应系统简明图.群体感应促进剂(类似物)的设计天然 信号分子由一个高丝氨酸内酯环与一个酰基侧链组成其中酰基侧链是由 个 原子组成的不饱和脂肪链 号位 上的 原子可以被 和 等官能团取代 第一个合成 的 促 进 剂 为()()并以此为基础合成并筛选了、和 促进剂这 种促进剂均保留了高丝氨酸内酯环将尾部酰基链用苯乙酰基代替并在 号位引入卤族元素用()()氨基丁内酯和 硝基苯乙酸在保护剂作用下反应生成在费氏弧菌中测定其半最大效应浓度()值 的 比天然信号分子低 倍并且促 进 活 性 群体淬灭酶能够从以下四个方向降解:内酯酶以水解的方式切割 的高丝氨酸内酯环 酰化酶不可逆地水解 分子的高丝氨酸内酯和酰基链之间的酰胺键 氧化还原酶通过氧化或还原靶向酰基侧链从而改变结构 羰基还原为羟基的酶其中含有氧化还原酶 天然信号分子由于群体淬灭酶存在所以半衰期较短对其改造能够增强水解稳定性半衰期可以提高两倍以上延长在细菌内发挥功能的时间 类似物根据天然信号分子结构特点如图 所示从三个方向对其结构进行改造以延长其半衰期改变 内酯环结构:将高丝氨酸内酯环用高半胱氨酸硫内酯环、五元环或苯环取代并可在环上加其他集团或卤族元素形成杂环结构 改变 酰基侧链:增加侧链 原子数将酰基侧链用三唑环、四唑环等取代并改变环上侧链 原子数目将酰基侧链 号位 原子之后任意位置 链用五元环、苯环等取代并改变取代基数目、种类和位置 两者同时改变图 类似物的设计思路.期 宋文涛等:类似物作为细菌群体感应系统促进剂的研究进展 化学合成的群体感应促进 剂(类似物)根据作用机制不同将这些促进剂分为两类.激活 型受体蛋白表 中.激活 受体蛋白并发现.促进率最高.促进剂与 蛋白结合并激活下游基因表达.为目前发现的最活跃的 蛋白促进剂.激活 同源物 受体 型受体蛋白与 信号分子通过氢键等相互作用后形成活性二聚体发挥功能对 同源蛋白进行比对筛选出了 个信号分子与 蛋白结合时发挥重要功能的氨基端残基(、和)分析氨基酸残基与 类似物之间相互作用能为设计新的 促进剂提供新方向硫代内酯类似物与受体蛋白的结合方式与天然信号分子非常相似具有相同的促进活性是由于它具有较大的环结构可以与 相互作用但结合位置存在差异环戊基类似物促进活性略低于硫代内酯类似物其原因是其未能与 形成氢键的残基进一步发现这种类似物与受体蛋白的结合取决于、和 当分子结构中没有 酮基的信号分子内酯和硫代内酯类似物与受体蛋白结合时主要取决于、和 这三个氨基酸残基和配体之间的相互作用与配体尾部是否有 酮基无关当酰基侧链被三唑环取代时 与内酯环的羰基官能团形成氢键、和 与三唑环部分氮原子形成氢键当酰基侧链被四唑环取代时该杂环可与 和 形成氢键结构激活受体蛋白并且只有在 连接时该类似物才是促进剂.抑制 蛋白表 中.在铜绿假单胞菌中 蛋白突变体具有高毒性这四种类似物能够抑制 蛋白活性并且.能够充当 蛋白的弱促进剂 在酰胺链后部用较大尺寸的环结构代替酰基链更有利于抑制 表 合成的群体感应促进剂化学结构及作用机制 编号化学结构作用机制靶标微生物文献来源.激活 型受体蛋白费氏弧菌()微 生 物 学 杂 志 卷续表 编号化学结构作用机制靶标微生物文献来源.激活 型受体蛋白费氏弧菌(.).激活 型受体蛋白大肠埃希菌().与 蛋白结合激活下游基因表达铜绿假单胞菌().与 蛋白结合激活下游基因表达铜绿假单胞菌(.).与 蛋白结合激活下游基因表达铜绿假单胞菌(.).与 蛋白结合激活下游基因表达铜绿假单胞菌(.).与 蛋白结合激活下游基因表达铜绿假单胞菌(.).与 蛋白结合激活下游基因表达铜绿假单胞菌(.).与 蛋白结合激活下游基因表达铜绿假单胞菌(.).与 蛋白结合激活下游基因表达铜绿假单胞菌(.).与 蛋白结合激活下游基因表达大肠埃希菌(.).与 蛋白结合激活下游基因表达大肠埃希菌(.).与 蛋白结合激活下游基因表达铜绿假单胞菌(.).激活 同源物 受体肠道沙门氏菌()期 宋文涛等:类似物作为细菌群体感应系统促进剂的研究进展 续表 编号化学结构作用机制靶标微生物文献来源.激活 同源物 受体肠道沙门氏菌(.).抑制 活性铜绿假单胞菌(.).抑制 活性铜绿假单胞菌(.).抑制 活性铜绿假单胞菌(.).抑制 活性并激活 蛋白铜绿假单胞菌(.)群体感应促进剂的实际应用.提前激活毒性基因表达植物自身能够合成信号分子类似物激活致病菌 系统产生致病因子侵染植物在致病菌尚不具备群体攻击能力之前就已经激活其防御系统从而提高植物的抗性 迷迭香酸()是迷迭香产生的一类 结构类似物能与铜绿假单胞菌()中的 受体蛋白结合诱导 产生弹性蛋白酶等毒力因子刺激细菌提早发生 反应预警植物免疫系统从而保护自身 等设计并合成了两种硫内酯 类似物(和)这两种促进性 类似物可以提前诱导毒性基因表达从而使免疫细胞能够提早识别并引发免疫反应降低病原菌危害.提高抗菌素产量由 系统调控产生的一些有机物具有抗肿瘤、抗植物致病菌及抗革兰阳性病原菌等活性脱氧紫色杆菌素()受紫色色杆菌()中/群体感应系统的调控能够抑制金黄色葡萄球菌()、大肠埃希菌等致病菌 马浩迪等以组氨酸结构为基础将组氨酸与正庚醛反应合成了一种 结构类似物命名为 该物质在紫色色杆菌群体感应系统中具有促进活性能够显著提高菌体中脱氧紫色杆菌素()的表达 绿脓菌素是由铜绿假单胞菌 系统调控的一种具有抗真菌药物活性的物质 在铜绿假单胞菌培养中添加 结构类似物能提高绿脓菌素产量并促进分泌并且还可以作为潜在的药物传递载体将抗生素与之偶联形成 类抗生素结合物与只添加抗生素相比能更有效地破坏铜绿假单胞菌成熟生物膜.生物浸矿中促进硫杆菌属生物膜形成 系统是调控生物膜形成的重要机制之一当菌体接收到外界刺激之后调节胞外多糖、黏附素、脂质蛋白、纤维蛋白等合成基因大量表达进而调控细菌生物膜形成 硫杆菌属(.)普遍存在于含硫和亚铁的酸性生态系统中并且是酸性矿山排水()和陆地温泉中嗜酸菌群结构中的优势菌群 浸矿细菌在矿石表面形成生物膜是生物浸矿的前提条件提高浸矿细菌被膜产量能够提高浸出效率 在嗜酸性氧化亚铁硫杆菌()中已经报道了一种 系统该系统包括 和 基因编码转录调节因子 和 合酶 并且 的转录水平在含有硫和硫代硫酸盐培养基生长的细胞中的基因表达高于含有亚铁离子的培养基中生长的细胞所以培养基不 同 会 影 响 系 统 类 型 此 外 在.的一个操纵子中发现了另一个潜 微 生 物 学 杂 志 卷在的酰基链合成酶()该操纵子包含四个共转录基因(、和)分别编码甘氨酸 合成酶的 和 亚基以及磷酸酶和酰基转移酶目前对 介导的 通路研究尚不清楚 或许可以作为一个潜在的促进剂作用靶点 有研究表明回加.天然信号分子(和)可 以 增 强.细胞的黏附、胞外多糖和单质硫的产生以及黄铁矿上生物膜的形成 等发现长酰基链的 信号分子可以更好地促进生物膜的形成和黏附 等将天然信号分子中酰胺链用三唑或四唑环取代发现四唑 可以作为费氏弧菌 促进剂 等将四唑 添加到.浮游细胞中检测发现表达差异最显著的基因是 表达量增加了 倍四唑 可正向调控 系统并与天然信号分子促进效率进行对比四唑 比天然 能更好地诱导.黏附 不是所有的浸矿细菌都有典型的 系统如氧化硫硫杆菌()和 喜 温 嗜 酸 硫 杆 菌()但有报道称添加 信号分子 或 可以诱导.生物膜的形成 这表明.存在一种未知的 受体蛋白它可以调节转录基因的表达并有可能作用于除 系统之外的其他代谢通路 等在.菌株中发现了一种复杂的由第二信使 介导的代谢通路此代谢通路控制多达 个鸟苷酸环化酶 和磷酸二酯酶 编码基因而且在少数嗜酸菌中也发现了胞外多糖 操纵子 等在研究信号分子调控 信号通路时发现在嗜酸硫杆菌生物膜形成过程中 信号分子与 基因的转录呈正相关 所以 促进剂不仅可以直接诱导 系统调控的糖脂类、蛋白质类基因大量表达并且间接作用于第二信使介导的信号通路然而形成生物膜结构有利有弊一方面能提高微生物抗逆性另一方面在处理、清除致病菌等时会增加治理难度 类似物和无机盐离子能够减少硫杆菌生物膜产量 通过化学合成法合成了 种 衍生物发现其中 种可以高效抑制.生物膜形成高浓度的 通过抑制 和 基因表达可减少.型菌毛形成减弱其附着能力从而减少生物膜的形成 铜绿假单胞菌为常见的临床致病菌 类似物作为 抑制剂能减少生物膜产量降低致病菌毒性 通过合成信号分子类似物干扰 信号调控群体感应系统是减少生物膜形成解决多重耐药性和 等问题的新靶点 展 望目前的研究表明群体感应促进剂能诱导细菌 系统做出反应由于 类似物结构不同和受体蛋白上氨基酸残基结合方式存在差异从而导致促进活性不同根据已报道的 类似物的设计思路、结构及其促进机理有望设计出更有效的群体感应促进剂 尽管已对群体感应系统有相对全面的认识但对群体感应系统调控方式的研究仍存在一定的局限性对群体感应促进剂的种类及作用机理的研究尚处于探索阶段因此鉴于前期研究成果今后可以从群体感应促进剂的设计思路、调控机理、转运机制、以及实际应用等几个方面开展系统研究:合成并设计新的群体感应促进剂:将高丝氨酸内酯环设计为多环结构并在环结构上引入卤族元素用多环结构代替酰胺基对植物天然产生的 类似物进行改造 群体感应促进剂的调控机理:一种细菌可能有多种 系统通过发掘不同调控系统之间的相互作用解析不同信号通路之间的关系进而实现群体感应促进剂对作用靶点的精准调控 群体感应促进剂及所需能量物质转运:将群体感应促进剂与质子通道蛋白激动剂偶联诱导的质子通道蛋白表达与激活使群体感应促进剂以及合成、麦芽糊精、胞外多聚物所需底物快速转运缩短响应时间 基于群体感应促进剂的应用:针对每种促进剂对 系统的调控特点开发调控技术提高反应效率优化应用手段 开发高活性、低毒性的群体感应促进剂需要有机合成、生物化学等多个学科的研究人员共同努力 解决上述存在的问题并明晰各调控网络、调控机制将有助于增进对群体感应系统的了解也进一步说明了研究细菌群体感应系统的 期 宋文涛等:类似物作为细菌群体感应系统促进剂的研究进展 必要性 相信基于群体感应促进剂调控细菌 系统的技术会更加完善在能源化工、发酵工业等领域将会有更多应用参考文献:郭冰怡董燕红.细菌群体感应抑制剂研究进展.农药学学报():.李晓萌姜威梁泉峰等.细菌群体感应系统在细胞间通讯中的应用及其合成生物学研究进展.合成生物学():.():.():.():.:./.():.:.赵晶权春善.微生物信号分子降解酶研究进展.中国生物工程杂志():.万佳宏常佳伟魏彦琴等.金黄色葡萄球菌 群体感应系统及其抗毒力治疗研究进展.中国病原生物学杂志():.:.:.():.:.():.:.():.():.:.():.:.():.():.():.():.():.曾桃花李文茹谢小保等.植物精油对铜绿假单胞菌群体感应系统的抑制作用研究进展.生物技术进展():.:():.():.():.():.():.():.():.微 生 物 学 杂 志 卷 .():.:.():.:():.():.():.宋水山赵芊.细菌群体感应及其信号分子介导的植物细菌跨界信息交流.微生物学杂志():.():.王海胜张晓霞卢元等.紫色杆菌素研究进展.化工进展():.马浩迪李莹肖红艳等.革兰氏阴性细菌群体感应信号分子 结构类似物的合成及活性研究.化学研究与应用():.():.:.:.():.():.():./.():.():.():.():.():.:.():.():.():.():.():.():.期 宋文涛等:类似物作为细菌群体感应系统促进剂的研究进展