细菌的群体感应系统
感染性疾病是临床最为常见也是最难解决的疾
病，抗生素是治疗感染的主要手段。抗生素的广泛
使用，使得耐药率持续增加，感染成为人们面临的一
种越来越难治疗的疾病。当细菌以群体形式存在
时，如细菌生物被膜的产生，可使得细菌的生长模
式、代谢状态和耐药性发生显著的变化，是造成难治
性医院感染的主要原因。过去认为单个细胞对外界
环境刺激的反应仅来源于周围环境中的化学信号，
现在认为这种细菌学的观点过于简单化，因为细菌
之间可以通过细菌本身释放的激素样有机化合
物—— 自诱导物(autoinducter，AI)来交流，从而改
变胞内遗传物质的转录和翻译，调节细菌的生长代
谢，并导致细菌毒力、耐药性的变化，此被称为群体
感应(quorum sensing，Qs)信号系统，简称Qs系
统。QS现象是于1977年在一种海洋发光细菌
Vibrio fischeri中首次发现的l1]，是细菌通过分泌可
溶性信号分子来监测群体密度并协调细菌生物功能
的信息交流机制，经过近十年的研究表明，Qs系统
在细菌的许多生理功能方面都有重要的作用，此系
统包括AI的产生、释放和检测l2]，通过检测周围细
菌的密度，当细菌密度达到一定的阈值时，细菌可以
通过调整相应的基因表达而改变自身生长方式及行
为，从而维持这种多种群社区的稳定，甚至在种内或
种问产生冲突时，也发挥一定作用 ]。其功能涉及
如生物发光，生物被膜的形成、游走，毒力因子的表
达，抗生素的产生，DNA的摄取，细菌的生存和致病
能力，这些已逐渐成为医学界研究的热点。
1 革兰阴性菌QS系统
费氏孤菌是最早发现并进行Qs系统研究的革
兰阴性菌，虽然每种革兰阴性菌所产生的群体感应
机制不同，但其调控蛋白具有高度同源性，目前研究
的大多数革兰阴性菌都存在与之相同的Qs系统，
被称之LuxI—AHL型Qs系统 ]。脂肪酰基高丝氨
酸内酯(acyl homoserine lactones，AHL)，是一类特
殊的小分子水溶性化合物，可作为Qs系统中的自
诱导剂，LuxI是一类可催化合成AI的胞内蛋白酶。
LuxI类蛋白酶可催化带有酰基的载体蛋白的酰基
侧链与s一腺苷蛋氨酸上的高丝氨酸结合生成
AHL。不同革兰阴性菌的LuxI—AHL型Qs系统
有所差别，其AHL类自诱导剂都是以高丝氨酸为
主体，差别只是酰基侧链的有无及侧链的长短不同
J
。作为革兰阴性菌特有的自诱导剂AHL可自由
出入于细胞内外 ]，随着细菌密度的增加，当细胞外
周环境中的细菌分泌的AHL积聚到一定浓度阈值
时，可与细胞质中的作为受体的I uxR蛋白的氨基
残端结合，激活所调控的基因表达。
在以AHL为自诱导剂的革兰阴性菌QS系统
中，信号传导途径具有多样性，目前以铜绿假单胞菌
研究最为成熟，它主要包含四套Qs体系：第一套
lasR／lasI体系，由转录激活因子LasR和乙酰高丝
氨酸内酯合成酶LasI蛋白组成，lasI能指导AI N一
3一氧代十二烷酰一高丝氨酸内酯(3-OXO—C 一HSL)的
合成，并以主动转运的方式分泌到胞外，达到一定的
阈浓度时可结合LasR，并激活转录，增强包括碱性
蛋白酶、外毒素A、弹性蛋白酶在内的毒力因子的基
因转录，可以使铜绿假单胞菌毒力基因的表达增高。
第二套Qs体系rhlR／rhlI系统，rhlR是转录调节
子，rhlI可编码AHI 合成酶，该系统产生的一种结
构为C HSL的高丝氨酸内酯类自体诱导物，可自
由通过细胞膜，调控大量基因的表达，如指导鼠李糖
脂溶血素、几丁质酶、氰化物、绿脓菌素等物质的产
生。2一庚基一3一羟基一4一喹诺酮(pseusomonas
qinolone signal，PQs)是近期发现的铜绿假单胞菌
第三套Qs系统—— 喹喏酮信号系统的信号分子，
具有抗菌活性Ⅲ ，不溶于水，关于它如何行使菌问信
号转导的机制尚不明确，可能是通过一种“胞吐”样
转运机制在细菌间传导PQS信号l8]。PQS可以连
接Las和Rhl两个系统，一方面Las和Rhl控制着 PQS生成，另一方面PQs又影响着Las和Rh1的
基因表达，两者之间存在着微妙的平衡关系。此外
PQS还在调整细菌密度及释放毒力因子方面起着
一定的作用。除上述三种QS系统，最近还发现了
另一种铜绿假单胞菌Qs辅助系统GacS／GacA系
统，且已证明在提高细菌游走能力、释放可可碱醋酸
钠、促进生物被膜形成中发挥重要作用 ]。
2 革兰阳性菌QS系统
革兰阳性菌QS系统主要是用小分子多肽(oli—
gopeptide)作为自诱导物(autoinducter peptide，
AIP)，不同的细菌其AIP分子大小也不同，不能自
由穿透细胞壁，需通过ABC转运系统(ATP—bind—
ing—cassette)或其它膜通道蛋白作用，到达胞外行
使功能。位于膜上的AIP信号识别系统与AIP结
合后，激活膜上的组胺酸蛋白激酶，促进激酶中组氨
酸残基磷酸化，磷酸化后的受体蛋白能与DNA 特
定靶位点结合，从而激活一种或多种靶基因而行使
功能 j。AIP不仅能检测细菌密度，影响生物被膜
的形成，而且还能调控不同菌种之间的关系。以表
皮葡萄球菌的自体诱导物与4株金黄色葡萄球菌的
QS相互作用，结果有3株受到干扰；但相反，这4株
菌的AIP对表皮葡萄球菌的Qs却均无影响u川。
3 菌种间的信号传导
自然界中细菌所处的小生态环境是相当复杂
的，通常在一个很小的空间内有多种细菌共存，细菌
间既有共生关系又有竞争关系，若细菌只能在同种
之间进行信息交流，就很难建立一个在菌种数量上
有一定比例、功能上有一定分工的多细菌群落，很难
形成一个稳定的小生态环境。菌种间的信号传导是
通过I uxS信号系统完成的，以LuxS蛋白作为关键
酶，合成前体分子DPD(4，5 dihydroxy一2，3-pen—
tanedione)。DPD经催化生成信号分子自体诱导物
AI一2。AI一2是一种呋喃硼酸二酯分子，介导不同细
菌间相互交流。因为大多数革兰阴性菌和革兰阳性
菌都能产生AI一2，有人把它称为细菌之间的世界
语 12,13]，如果细菌的LuxS蛋白失活则不能产生AI一
2～ j
。LuxS基因在大多数细菌的基因中是一段相
对保守的序列，不同细菌的DPD由于经过自发重排
会产生差异，形成具有一定特异性的AI一2分子。细
菌可识别自身生成的AI一2分子，也能识别由其他细
菌生成的AI一2[15]。在一项混合多种细菌共同培养
研究中发现，当大肠杆菌产生过多AI一2时，周围的
其它细菌启动Qs系统，相应的控制增加细菌的行
为来保持微环境的稳态 。
4 结束语
目前认为密度感知信号系统与生物被膜的形成，
细菌毒力因子的释放及致病力有密切的关系，似乎有
望为感染的治疗提供新的途径。如何干扰细菌Qs
信号系统，防止生物被膜的产生及减弱致病力，缓解
耐药成为目前研究的热点。一种方法是研发可降解
信号分子或受体蛋白的药物，使其不能相互结合，从
而破坏细菌的Qs体系。另一种方法是通过合成一
些AI的结构类似物的拮抗剂，与相应的受体蛋白竞
争性结合。此外利用其它非致病菌来干扰致病菌Qs
系统也是一种值得研究的方法口 。现阶段对细菌
Qs系统的研究大多还局限在体外，其机制还不是很
明确，涉及的菌种还很少，仅对铜绿假单胞、大肠埃希
氏菌、金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌有了一定了解，
它对细菌生物被膜及致病力的影响也得到了证实。
因此，为能应用到临床是今后的努力目标。
细菌的群体感应及其信号分子细菌利用信号分子，或称为自身诱导物(auto—
inducers，AIs)作为相互交流的“语言”。它们在繁
殖过程中不断分泌信号分子到胞外，并检测其浓
度从而感知群体密度的变化，当其密度达到某个
阈值时，就会启动某些基因的表达，这个过程称为
群体感应(quorum—sensing)[卜d1。群体感应使单细胞
的细菌能模仿多细胞生物体，进行一些它们作为
单细胞个体所做不到的行为。
群体感应过程的发现源于费氏弧菌(Vibrio
fischeri)的生物发光现象：费氏弧菌(I／．． cheri)可
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I／． cheri也获
得一个营养丰富的生存环境 。很多细菌的行为都
属于群体感应，例如根癌土壤杆菌(Agrobacterium
tumefaciens)Ti质粒的转化【5—1、胡萝卜欧文氏菌
(Erwiaia carotovora)[gJ、铜绿假单胞菌(Pseudomonas
aeruginosa)[ Ol等病原菌的毒性基因表达、致黄假单
胞菌(P aureofaciens)[111、胡萝卜欧文氏菌( ．
carotovora)中抗生素的产生调控【9 21、液化沙雷菌
(Serratia liquefaciens)的游动【】31以及粘质沙雷菌
(．s．marce$cen$)色素的产生【】41等。细菌的群体感应
现象非常普遍，但是，不同类群的细菌之间却存在
着差异。随着人们对细菌信号分子研究的不断深
入，发现大多数的细菌可能都是靠分泌一种化学
分子来进行交流和协调群体行为。根据细菌群体
交流的化学信号分子(即自诱导剂)的种类，大体可
以分为三大类。通常，革兰氏阴性菌以酰化高丝氨
酸内酯(AHL)作为自诱导剂，而革兰氏阳性菌则
使用修饰的寡肽作为沟通用语，第三类是兼具了
上述两种群体感应系统的部分特征，是一种杂合
型“多语言”的群体感应。
1 细菌群体感应的类型
1．1 G一细菌的群体的AHL—Luxl／LuxR信号感应
1983年，Engebrecht和Silverman发现 ．
cheri群体感应的调控机制需要两种组分的参
与：LuxI蛋白与LuxR蛋白【】5】。其中，LuxI蛋白负责
信号分子N一酰基高丝氨酸内酯(N—
acylhomoserine lactones，AHLs)的合成，而LuxR蛋
白则结合AHLs并激活荧光素酶基因的转录旧。他
们发现当V．fischeri菌体浓度上升的同时，会伴随
着AIILs分子浓度的增加，而当AHLs浓度达到微
摩尔级范围的时候，就会与LuxR蛋白结合，结合
复合物再去激活荧光素酶基因的启动子转录【】51。
多年以来，V．fischeri的LuxI／LuxR双元件系统一
直被视为群体感应的经典【】q。
至今，已发现超过25种G一细菌之间交流方式
与 ． cheri相同，很多的生理过程都是采用这种
LuxI／LuxR系统模式 (图1)。LuxI家族蛋白酶通
过将酰基一酰基载体蛋白(acyl—ACP)上的酰基侧链
结合到S一腺苷甲硫氨酸(SAM)的高半胱氨酸基团
上，产生特异的酰化HSL分子【15-阍，这种酰化的
HSL分子再进一步内酯化变成acyl—HSL(AHLs)。
AHLs分子可以任意地穿越细胞膜，因此它们可以
在胞外随着菌体浓度增加而累积【2‘31。不同的细菌
产生不同的AHIJs，但差异只在于其酰基侧链的长 度与结构，高丝氨酸内酯部分都是相同的。AHLs似
乎是“专一”的信号分子，没有其他确切的功能【l9J。
LuxR家族蛋白的功能与LuxI截然不同，其N一端
区与AHEs分子结合，而C一端区域则参与寡聚化
以及启动子DNA的结合 。在一些更为复杂的特
殊例子中，我们还可以看到象人类条件致病菌铜
绿假单胞菌(P ／"~g／ZOSa)利用两套群体感应系
统来调节毒性因子和生物膜的形成(LasI／LasR和
RhlI／RhlR双系统) ，在此不作介绍。
图1 fischer／细菌在宿主器官中进行的群体感应ldj
小圆点为AHLs分子，椭圆形为LuxR蛋白
1．2 G 细菌的寡肽“语言”
G 细菌利用一套不同于G一细菌的群体感应来
调控一系列生理过程。它们所用的信号分子是经
修饰过的寡肽【“】。目前还没有发现G 细菌产生
AHLs的例子，跟AHLs一样，寡肽同样能分泌到
细胞外并累积。
图2 G 细菌的群体感应过程。粗短线为寡肽信号分子圜
H和D表示双组分检测元件
如图2所示，前导肽合成并被加工修饰成成
熟的寡肽信号分子。这种成熟肽通过A11P一结合盒
(ATP—Binding Cassette，ABC)转运复合物分泌到
细胞外【2】】。当寡肽在胞外达到某一特定浓度时，双
组分的感应识别元件(图中H和D)就会探测到这
种信号分子。寡肽信号分子的检测系统是传感激
酶，它识别信号分子并在自身一个保守的组氨酸残
基(H)上进行磷酸化，然后再将磷酸基团信号传给
下游的反应调节蛋白(response regulator)的一个
保守天冬氨酸残基(D)上。磷酸化的反应调节蛋白
结合特异的目的启动子，从而调控某些基因的表
达。这种反应调节蛋白是一种DNA结合蛋白，其
代表作用是诱导受密度调控的目的基因表达㈣。
1．3 细菌的“多语言”信号交流
除了种内的特异性交流，细菌还拥有另一种
用于种间交流的非特异语言。这表明细菌不但可
以估计自身群体密度的变化，甚至还可以感知周
围其他种细菌的浓度。而且，细菌在种间和种内产
生信号分子的反应不同，这使细菌能根据它们在
环境中的浓度(强势群体还是弱势群体)来恰当地
调节自身的行为。
细菌的种间交流起源于哈氏弧菌(V．harveyi)
的研究[20,22,：Z31。V．~rveyi与l／．． cheri非常相似，
但是它们并不与高级的生物共生。相反，V。harveyi
自由地生活在海水、浅滩沉积物中，或者在各种海
洋动物肠道的里面和表面 。尽管生活方式不同，
但是V．harveyi与V． c ri一样，也能利用群体
感应来调控生物发光，只是跟V． cheri和其他的
G一细菌相比，V．harveyi并非使用常规的LuxI／LuxR
型信号机制，而是集合了G+细菌和G一细菌的特点。
V．harveyi使用与G一细菌信号分子类似的AHLs，
但是信号检测和传递双元件蛋白则与G 细菌系统
的相似。而且，V．harveyi分泌一种新的自身诱导
物信号分子用于种间的细胞间交流【17】。
V．harveyi产生两种自身诱导物，分别为AI一1
和AI-2。AI-1是一种AHIJs，但是它的合成并不依
赖于LuxI蛋白，而是luxLM。luxLM 与LuxI家族
的AHLs合成酶没有任何的同源性吲。尽管如此。
V．harveyi利用SAM 和特异acyl—ACP合成AI一1
的过程很可能是一样的。而另一个信号分子AI一
2，是一种呋喃，它的合成需要LuxS蛋白 。
如图3所示，LuxN和LuxPQ传感器分别识别复合物再与LuxQ反应并将AI一2信号传递给它。
LuxN和LuxQ都是双组分的杂合传感激酶，反应
调节器蛋白。它们的使命是将磷酸基团信号传递
给LuxU，LuxU再将信号传给终端反应调节蛋白
LuxO。LuxO是一种依赖0-54的转录活化子，它的
功能可能是诱导荧光素酶结构操纵子(1uxCDABE)
抑制物的表达。这种抑制物在图中暂且命名为x。
LuxCDABE的表达同样需要转录活化子L似R的
协助。但是，V．harvey／的LuxR 并不同于V．
fischeri和其他G一细菌。在菌体密度较低并且不存
在AI-1和AI一2时，LuxN和LuxQ都是自主磷酸
化激酶，将磷酸传给LuxU。LuxU再交给LuxO。
LuxO经磷酸化被激活后与0"54结合，并激活x的
转录，然后X再抑制luxCDABE的表达，因此，在
低浓度下，V．harveyi并不发光。在细菌密度较高
时， AI一1和AI一2累积并分别与LuxN和LuxPQ
的反应，诱导LuxN和LuxQ从激酶模式转为磷酸
酶模式。在磷酸酶模式下，LuxN 和LuxQ通过
LuxU从LuxO处得到一个磷酸导致脱磷酸的
LuxO失活，这样，抑制物x不能转录，LuxR蛋白
激活luxCDABE的转录。因此，在高密度细菌条件
下，V．harveyi会发光【2l·zs]。
2 信号分子的作用
细菌利用信号分子作为竞争武器，不管细菌
使用的是何种信号分子，种内的群体感应都会协
调地进行。这个过程使细菌获得一些与多细胞生
物相似的特征。同样，不管是否使用AI一2或者其
他一般的信号分子，种问的细菌交流都会使群体
中的每个种同步行动，从而提高整个群体的生存
能力。
然而，一种细菌并非总是与宿主或者其他细
菌和平共处。我们现在知道，除了共生关系的建
立，细菌的群体感应对于侵染真核宿主的致病过
程同样重要。另一方面，生活在自然环境中的细菌
会跟其他种的细菌争夺有限的资源，展开激烈的
竞争。因此，分泌抗菌物质来干扰其他菌种信号分
子的产生或者检测，对于一些细菌来说无疑会给
它们带来更多的好处。有很多这样的例子，例如，
某些植物细菌产生的信号分子会诱导
aureofaciens的抗生素产生，这也许是因为
aureofaciens察觉到竞争者的存在并试图杀死对方
[~；Bacillus．subtilis产生一种能使E carotovora的
AHLs失活的酶，名为AiiA[ ；而且编码AiiA的基
因广泛存在于芽孢杆菌属中[261。另外，土壤细菌
Variovorax paradoxus利用AHLs分子作为唯一的
碳源和氮源[z0。还有另外一个真核生物特异性地
干扰细菌群体感应过程的例子：海藻(Delisea
pulchra)能产生卤化的Furanones和Enones用于
阻断群体感应病原菌液化沙雷菌(．s．妇uefac／ens)
的游动以及侵染。Furanones在结构上与高丝氨酸
内酯相近，它结合LuxR类蛋白并阻止信号分子的
结合[281o
3 展望
细菌利用信号分子感知群体密度的变化从而
调节自身的行为，细菌之间的信号交流不仅发生
在种内，也发生在种问，这些交流行为使细菌能协
调不同的生理活动，看起来与多细胞生物很相似。
在一些细菌和真核宿主的共生过程中，拥有一套
增加有益细菌的群体感应能力的机制。同样地，有
些细菌和宿主拥有另一套能阻断竞争细菌群体感
应或者分泌抗菌物质杀死竞争者的机制。这种自
然的破坏群体感应现象现在被用于生物防治[1,ll】。
例如，晏立英等 从大白菜根际中分离到了6株
产生AHLs的细菌对油菜菌核病菌、立枯丝核菌
等病原菌有不同程度的拮抗作用。不管如何，群体
感应的确是一个很奇妙的现象，也吸引了不少科
学家的注意。虽然现在对于它的研究只处于初级阶段，但是相信在不久的将来就能应用到人们的