尹守亮,常亞婧,鄧蘇萍,王清池,于文功,宮倩紅
中國海洋大學醫(yī)藥學院 海洋藥物教育部重點實驗室,青島 266003
群體感應 (Quorum sensing,QS) 是由Fuqua等1994年首先提出,是細菌根據(jù)自身細胞密度變化進行自我協(xié)調的一種群體行為[1]。細菌利用自身產(chǎn)生的小分子化合物,稱為信號分子或自誘導物(Autoinducers,AI) 作為群體間相互交流的“語言”。細菌在生長繁殖過程中不斷將信號分子釋放到胞外,隨著菌體密度增加,信號分子濃度隨之積累,當達到一定閾值時,信號分子與胞漿或細胞膜上的信號分子受體蛋白結合進而激活或抑制相關基因的表達[2]。QS系統(tǒng)控制著包括生物被膜形成、有害毒素產(chǎn)生、致病因子釋放、胞外多糖產(chǎn)生等一系列的細菌毒力行為和表型,這對病原菌的致病過程起了關鍵性的作用[3-8]。大量文獻證實缺失了QS系統(tǒng)的菌株其致病能力大大降低,因此,通過干擾致病菌的 QS系統(tǒng)來控制病原菌感染是一個非常有效的策
略[9-10]。
構建藥物篩選模型是現(xiàn)代藥物開發(fā)流程中檢驗和獲取具有特定生理活性化合物的一個關鍵步驟,近年來,隨著細菌QS調控機制的逐步闡明,國內外許多實驗室致力于 QS抑制因子的篩選與研究[11-12]。QSIS2篩選模型 (pUCP22NotI-PlaclasR-PlasB-sacB)是利用受銅綠假單胞菌Pseudomonas aeruginosa QS系統(tǒng)調節(jié)的基因 lasB的啟動子,和蔗糖致死基因sacB為報告基因構建而成;信號分子3-氧十二烷酰高絲氨酸內酯 (N-(3-Oxododecanoyl)- L-homoserine lactone,3-oxo-C12-HSL) 和受體蛋白 LasR結合后形成復合物,結合到lasB啟動子上,啟動下游sacB的表達,在有蔗糖底物存在的情況下,sacB編碼的蔗糖果聚糖酶將會合成對細胞有毒性的高分子量的果聚糖,造成細胞死亡,若存在 QS抑制因子如陽性對照物C30 (Furanone),致死作用則會得到補救[11]。TTC (2,3,5-氯化三苯基四氮唑) 可以作為呼吸鏈中吡啶-核苷結構酶系統(tǒng)的質子受體,能夠與活細菌體內的琥珀酸脫氫酶反應,生成紅色的甲瓚,而死細菌中無呼吸作用不顯紅色[13]。通過向培養(yǎng)基中加入TTC活菌染色劑,可以直觀地進行篩選和觀察,提高了模型靈敏度[11]。紫色桿菌 Chromobacterium violaceum是一種革蘭氏陰性細菌,當自身細胞密度達到一定臨界濃度時,向環(huán)境中釋放的信號分子(C6-HSL) 與胞內轉錄調節(jié)蛋白CviR結合,啟動紫色菌素基因的表達[14];若有 QS抑制因子存在,則能抑制紫色色素的產(chǎn)生,所以紫色桿菌常被作為一種簡便、直觀的篩選QS抑制因子的指示菌株[15]。
最早發(fā)現(xiàn)的 QS抑制因子來源于海洋紅藻Delisea pulchra,該紅藻分泌產(chǎn)生的呋喃酮化合物能夠阻止細菌粘附在自身表面[16],研究者在天然呋喃酮的基礎上進行化學修飾和改造,其中衍生物呋喃酮C30能夠顯著降低銅綠假單胞菌中受QS調控的毒性基因的表達[17]。德克薩斯大學通過對有機小分子化合物庫進行隨機篩選[18],發(fā)現(xiàn)4-[(苯胺基) 硫代甲基]氨基-N-苯基苯磺酰胺 (LED209) 能夠有效地干擾大腸桿菌 Escherichia coli、沙門氏菌Salmonella、弗朗西斯氏菌Francisella的QSeC群體感應調控系統(tǒng)[19]。海洋微生物是生物活性物質的巨大寶庫。特殊的海洋環(huán)境賦予海洋微生物以新的活性,高鹽度、高壓力、低溫及特殊的光照等復雜海洋生態(tài)環(huán)境可能使海洋微生物在物種、基因組成和生態(tài)功能上具有更大的多樣性,產(chǎn)生不同于陸地來源的特殊代謝產(chǎn)物。文中從海洋軟體動物體內分離真菌69株,利用QSIS2篩選模型和紫色桿菌CV026得到一株具有細菌QS抑制活性的青霉菌QY013,初步研究表明QY013發(fā)酵液粗提物能夠抑制銅綠假單胞菌 QS調控的綠膿菌素的產(chǎn)量和紫色桿菌紫色菌素的產(chǎn)量。
1.1.1 樣品
2010年1月從青島膠州灣附近地區(qū)采集野生海洋軟體動物海虹、蛤蜊、海蠣子,存放于無菌瓶中。
1.1.2 試劑和儀器
實驗中所用限制性內切酶、Taq DNA聚合酶、dNTPs、pMD18-T載體等均購買自大連寶生物(TaKaRa) 公司;慶大霉素、卡那霉素購自Amresco公司;2,3,5-氯化三苯基四氮唑 (TTC) 購自上海化學試劑總廠;苯胺藍染色劑購自中國上海標本模型廠;信號分子 N-hexanoyl-HSL (C6-HSL) 購于Cayman Chemical公 司 , N-(3-Oxododecanoyl)-L-homoserine lactone (3-oxo-C12-HSL) 和 furanone C30 (C5H2O2Br2) 由青島百德生物化學品有限公司合成,所用其他生化試劑均為分析純。VC750超聲破碎儀 (美國Sonics公司),旋轉蒸發(fā)儀 (鄭州長城科工貿有限公司),DU640紫外分光光度計 (美國Beckman公司),9700 PCR 儀 (美國 Applied Biosystem公司),熒光倒置相差顯微鏡 IX70 (日本Olympus公司)。
1.1.3 培養(yǎng)基
分離和斜面保存培養(yǎng)基(PDA)[20]:馬鈴薯200 g;蔗糖20 g;瓊脂20 g;馬鈴薯去皮后切成塊,煮沸30 min,4層紗布過濾后取濾液,最后用陳海水定容1 000 mL。121 ℃、1.01×105Pa滅菌20 min,臨用前分別加入青霉素、鏈霉素至終濃度各為30 μg/mL。
真菌發(fā)酵培養(yǎng)基:山梨醇20 g;麥芽糖20 g;谷氨酰胺10 g;KH2PO40.5 g;MgS04·7H2O 0.3 g;色氨酸 0.5 g;酵母粗提物 3 g;用陳海水定容為1 000 mL,調pH為6.5,121 ℃、1.01×105Pa滅菌20 min。
LB培養(yǎng)基:蛋白胨10 g;酵母粗提物5 g;NaCl 10 g;蒸餾水1 000 mL;pH 7.0,固體LB培養(yǎng)基加入15 g瓊脂,121 ℃、1.01×105Pa滅菌20 min備用。
1.2.1 海洋真菌的分離
用無菌海水浸泡樣品,75%酒精表面消毒,去掉貝殼取軟體,再次用75%酒精表面消毒,無菌海水沖洗 3次,用無菌的玻璃研磨器粉碎研磨,無菌海水梯度稀釋,涂布到分離培養(yǎng)基平板上,28 ℃培養(yǎng)6~10 d,將長出的菌落挑出劃線分離純化,觀察和排重。
1.2.2 真菌粗提物的制備
將上述分離純化好的真菌分別接種到含有15 mL發(fā)酵培養(yǎng)基的 50 mL 螺口管中,28 ℃、240 r/min振蕩培養(yǎng)6~10 d。將菌體及上清發(fā)酵液超聲破碎,加入15 mL乙酸乙酯萃取,充分振蕩后,靜置萃取過夜,6 000 r/min離心,取上層有機相,用旋轉蒸發(fā)儀低溫濃縮至干,干燥物用甲醇溶解至100 g/L,備用。
1.2.3 群體感應抑制活性篩選
QSIS2模型篩選方法:13.5 mL融化的固體LB 培養(yǎng)基冷卻至約40 ℃,加入 1.5 mL 60%的蔗糖、150 μL過夜培養(yǎng)的 QSIS2菌液、15 μL 200 μmol/L 3-oxo-C12-HSL、150 μL 5% (W/V) 的TTC和 24 μL 50 g/L 的慶大霉素,混勻后倒平板[11]。待平板凝固后,用打孔器打孔,每個孔內分別加3 μL上述制備好的真菌發(fā)酵粗提物,37 ℃培養(yǎng)箱恒溫培養(yǎng)16 h,觀察結果。紫色桿菌CV026篩選方法[14]:15 mL融化的固體LB培養(yǎng)基中加入150 μL過夜培養(yǎng)的紫色桿菌CV026菌液、3 μL 5 μmol/L的C6-HSL和15 μL 50 g/L的卡那霉素,混勻后倒平板。待平板凝固后,用打孔器打孔,每個孔內加入3 μL粗提物,于30 ℃培養(yǎng)箱培養(yǎng)16 h,觀察結果。
1.2.4 QY013粗提物對細菌生長的影響
將生長至對數(shù)期的 QSIS2菌液用新鮮液體 LB稀釋至OD600≈0.05,分裝4組,每組3個平行;每組分別加入終濃度粗提物為0、200、400、600 mg/L,空白用甲醇補足,37 ℃、240 r/min搖床培養(yǎng);每隔2 h分別測定各管OD600吸光值,直至對數(shù)后期;以培養(yǎng)時間為橫坐標,600 nm處的吸光值 (OD600)為縱坐標,繪制在粗提物 QY013作用下的 QSIS2的生長曲線。紫色桿菌生長曲線測定:用新鮮 LB將培養(yǎng)至對數(shù)期的CV026菌液稀釋至OD600≈0.05,分裝5組,每組3個平行;每組試管中加入粗提物至終濃度0、50、100、200、300 mg/L,每隔2 h測定OD600吸光值,檢測粗提物QY013對于紫色桿菌CV026生長的影響。
1.2.5 QY013粗提物對于野生型銅綠假單胞菌PAOI綠膿菌素產(chǎn)量的影響
挑取PAOI單克隆接種于新鮮LB培養(yǎng)基中,37 ℃、240 r/min生長至對數(shù)期;用新鮮LB將菌液稀釋至OD600≈0.05,分裝4組,每組3個平行;每組分別加入終濃度0、200、400、600 mg/L的真菌粗提物;相同條件下振蕩培養(yǎng)16 h。陰性對照為PAO MWI,PAO MWI為lasI rhlI信號分子缺失菌株不產(chǎn)綠膿菌素。綠膿菌素定量方法[21]:將菌液10 000 r/min離心除去菌體后,向5 mL離心上清液中加入3 mL氯仿進行抽提;抽提后,將氯仿層轉入新的離心管中,并加入1 mL 0.2 mol/L的鹽酸混合;充分混合萃取后,離心并收集粉紅色的上層水相,
紫外分光光度計在520 nm處測定其吸光值。
1.2.6 QY013粗提物對于紫色桿菌CV026紫色菌素產(chǎn)量的影響
將過夜培養(yǎng)的紫色桿菌CV026用新鮮的LB培養(yǎng)基稀釋到OD600≈0.05,加入C6-HSL至終濃度為1 μmol/L,分別分裝到5組試管中,每管2 mL,每組3個平行,每組分別加入終濃度0、50、100、200、300 mg/L的QY013粗提物,空白對照組:0 μmol/L的C6-HSL,0 mg/L QY013粗提物。30 ℃、240 r/min振蕩培養(yǎng)16 h。紫色菌素提取方法[22]:吸取1 mL上述培養(yǎng)好的菌液于1.5 mL Eppendorf管中,14 000 r/min 離心10 min,使紫色菌素和菌體充分沉淀。去掉上清液,加1 mL二甲亞砜 (DMSO) 于Eppendorf管中,渦旋,充分振蕩使紫色菌素溶解于
DMSO中。14 000 r/min再次離心10 min,沉淀菌體及碎屑。測定上清585 nm處的光吸收值。
1.2.7 菌株形態(tài)觀察
將純化的菌株接種于PDA培養(yǎng)基平皿上,28 ℃培養(yǎng)4~7 d,觀察菌株的形狀、顏色、尺寸等形態(tài)特征;用接種環(huán)挑取少量菌絲體于無菌載玻片上,滴加1滴乳酸酚-苯胺藍染色劑進行染色固定,蓋上蓋玻片,置于顯微鏡下觀察菌絲體和孢子的形態(tài)特征。
1.2.8 菌株種屬鑒定
提取真菌QY013基因組DNA作為PCR模板,18S rDNA基因克隆的PCR引物為NS1 (5′-GTAGT CATATGCTTGTCTC-3′) 和NS8 (5′-TCCGCAGGTT CACCTACGGA-3′)。PCR擴增條件:94 ℃預變性 5 min;94 ℃變性1 min,55 ℃退火30 s,72 ℃延伸2 min,35個循環(huán);最后72 ℃延伸15 min。得到的PCR產(chǎn)物與載體pMD18-T連接,轉化于大腸桿菌E. coli DH5α感受態(tài)細胞中,經(jīng)藍白斑篩選、菌液PCR及限制性內切酶酶切鑒定后,隨機挑選3個陽性克隆由上海生工生物工程公司對其進行測序。將所測得的18S rDNA序列與GenBank數(shù)據(jù)庫中的已有序列進行Blastn分析。
從海洋軟體動物海虹、蛤蜊、海蠣子中共分離到真菌69株,發(fā)酵液經(jīng)乙酸乙酯萃取,低溫旋蒸干燥,制得真菌發(fā)酵粗提物69份。
將69份真菌粗提物按照步驟1.2.3進行QS抑制活性篩選,發(fā)現(xiàn)編號QY010和QY013粗提物具有銅綠假單胞菌和紫色桿菌 QS抑制活性,其中QY013活性最強。QY013篩選結果:在信號分子和蔗糖底物存在的情況下,編號QY013粗提物能夠明顯地抑制QSIS2篩選模型中報告基因sacB的表達,與呋喃酮 C30相對照,QY013粗提物具有顯著的QS抑制活性,結果如圖1A所示,在平皿加樣孔的周圍呈現(xiàn)出紅色的活菌圈,并且菌圈直徑大小與加入粗提物樣品的濃度成正比,呈現(xiàn)濃度依賴性。紫色菌素在紫色桿菌中是受 QS嚴格調控的,紫色桿菌CV026為信號分子基因缺失突變株,外源加入信號分子C6-HSL后,能夠啟動QS調控的紫色菌素的產(chǎn)生,若有 QS抑制因子的存在,則能抑制紫色菌素的生成,在瓊脂板加樣孔周圍表現(xiàn)出渾濁但不透明的圓圈 (陽性對照 C30)。如圖 1B所示,QY013粗提物能夠顯著抑制紫色桿菌紫色菌素的生成。
近 20年來,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的許多天然的和合成的QS抑制因子主要有非肽類有機小分子、多肽以及酶 (含抗體),這些都能干擾細菌 QS系統(tǒng)及其 QS調控的各種細菌表型,但對細菌的生長不產(chǎn)生抑制作用[23]。測定不同濃度的 QY013粗提物對 QSIS2和紫色桿菌CV026生長的影響,結果如圖2所示,QY013粗提物在 0~600 mg/L范圍內對QSIS2的生長不產(chǎn)生抑制作用,紫色桿菌CV026生長曲線表明粗提物在0~300 mg/L濃度時對于紫色桿菌CV026的生長不產(chǎn)生影響。
綠膿菌素是銅綠假單胞菌分泌的一種重要的吩嗪類毒性產(chǎn)物。綠膿菌素進入細胞內可作為電子載體,增加受感染細胞的氧化壓力,使感染細胞中毒死亡,因此,綠膿菌素常與囊腫性纖維化病人的肺部感染有關[24]。而綠膿菌素的產(chǎn)量是受銅綠假單胞菌 QS系統(tǒng)嚴格調控的,我們在不抑制銅綠假單胞菌生長的濃度范圍內,檢測了QY013粗提物對于綠膿菌素產(chǎn)量的影響。圖3A結果顯示,QY013粗提物能有效降低銅綠假單胞菌綠膿菌素的產(chǎn)量,并且呈濃度依賴性。同時,我們檢測了粗提物對于紫色桿菌QS調控的表型的影響,在終濃度1 μmol/L信號分子 (C6-HSL) 存在的情況下,QY013粗提物明顯抑制了紫色菌素的生成 (圖 3B)。由生長曲線可知,在有效降低細菌表型的濃度范圍內,粗提物并不影響銅綠假單胞菌和紫色桿菌的生長,這表明粗提物對于細菌表型的抑制作用并不是影響了細菌的生長,而是干擾了細菌的 QS系統(tǒng),與模型的篩選結果一致。
圖1 群體感應抑制活性篩選Fig. 1 Screening for quorum sensing inhibitors. (A) Effect of different concentrations of QY013 extract on the model of QSIS2. 1: 3 μL methanol as negative control; 2: 0.15 mg extract; 3: 0.3 mg extract; 4: 0.45 mg extract; 5: 3.18 μg C30 as positive control. (B) Effect of different concentrations of QY013 extract on the model of CV026. 1: 3 μL methanol as negative control; 2: 0.05 mg extract; 3: 0.1 mg extract ; 4: 0.15 mg extract; 5: 1.91 μg.
圖2 QY013粗提物對細菌生長影響Fig. 2 Effect of QY013 extract on bacterial growth. (A) Growth curves of QSIS2 after treatment with different concentrations of QY013 extract. (B) Growth curves of CV026 after treatment with different concentrations of QY013 extract.
圖3 不同濃度QY013粗提物對細菌表型的影響Fig. 3 Effects of QY013 extract on bacterial phenotypes. (A) Inhibition of pyocyanin production by different concentrations of QY013 extract. (B) Inhibition of violacein production by different concentrations of QY013 extract.
菌株QY013在PDA培養(yǎng)平皿上28 ℃生長4~7 d后,菌落直徑達20~28 mm,菌落平坦,表面為暗灰綠色,中心氣生菌絲為白色,呈絨絮狀,向四周有放射性溝紋,大量粉狀孢子極易脫落,菌落外圈呈白色;菌落背面中心呈淺黃色,少量放射性溝紋,四周呈現(xiàn)棕色,外圈呈白色 (圖4);鏡檢特征如圖5:菌絲體呈帚狀,為典型青霉菌菌絲體特征,帚狀枝由2~4個輪生的略分散的?;M成,每個梗基上簇生2~4個密集平行的小梗,小梗上分生孢子成串狀或鏈珠狀,散落的單個孢子為球狀或近似球狀,非常光滑。
菌株QY013的18S rDNA測序后得到1 770 bp核酸序列,將菌株QY013的18S rDNA序列全部轉換為FASTA格式,用Clustal X (version 1.83) 軟件中的Alignment程序對所測得的18S rDNA序列和從GenBank中通過 Blastn檢索獲得的參考序列進行多重對位排列 (Multiple alignments),用MEGA (version 4.0) 軟件包進行系統(tǒng)發(fā)育分析和進化樹的構建,進化距離分析采用鄰位相連法 (Neighbor-joining,NJ)。系統(tǒng)樹的每個分支的統(tǒng)計學顯著性分析以自展法(Bootstrap) 進行檢驗,重復次數(shù)為1 000次,結果顯示,菌株 QY013與已經(jīng)報道的青霉菌屬親緣關系接近,其中與菌株Penicillium sp. SA29 (AB304918.1)最近,其次與Penicillium decumbens L-06 (EU273880.1)親緣關系較近 (圖6)。因此,依照文獻資料[25]和[26],結合形態(tài)學和 18S rDNA序列分析結果,初步鑒定QY013菌株屬于青霉菌屬Penicillium。
圖4 QY013菌落形態(tài)特征Fig. 4 Colony morphology of strain QY013. (A) Obverse. (B) Reverse.
圖5 QY013菌絲體和孢子形態(tài)特征Fig. 5 Morphological characteristics of mycelia and spores. (A) Mycelium. (B) Spores.
圖6 QY013及近緣屬種以18S rDNA序列為基礎構建的系統(tǒng)發(fā)育樹狀關系圖Fig. 6 Neighbor-Joining tree constructed showing the phylogenetic relaionships among QY013 and other related strains based on 18S rDNA sequence.
目前,臨床上使用的抗菌藥物大多是通過直接殺死或者抑制病原微生物的生長來達到抗感染的目的,但是在這種生存壓力的選擇下,極其容易使病原菌產(chǎn)生耐藥性或菌群失調等負面作用。病原菌耐藥性的出現(xiàn)和蔓延,已對人類健康構成了巨大威脅。例如,2010年南亞發(fā)現(xiàn)的攜帶NDM-1基因的“超級細菌”與傳統(tǒng)的“多重耐藥性菌株”(如耐甲氧金黃葡萄球菌) 相比,其耐藥程度已經(jīng)不再是僅僅針對幾種抗生素,而是對絕大多數(shù)抗生素均不敏感,稱為“泛耐藥性”(Pan-drug resistance,PDR)[27-28]。QS系統(tǒng)是大多數(shù)病原細菌產(chǎn)生致病性的重要機理之一,許多致病因子的產(chǎn)生都受到其直接或間接的調控。而針對細菌 QS系統(tǒng)開發(fā)的新型抗菌藥物與傳統(tǒng)的抗菌藥物的作用機制完全不同,只抑制細菌QS調控的致病行為,不影響細菌的生長,理論上不會導致細菌耐藥性產(chǎn)生。因此,細菌 QS系統(tǒng)的研究為確認特異性的細菌毒力因子控制位點,以及合理設計抗毒力藥物提供了靶點。同時 QS抑制因子和低劑量的抗生素聯(lián)合給藥相對于抗生素單獨用藥來說,也可能會起到更好的治療細菌感染的效果[14]。因此,對病原菌 QS系統(tǒng)的研究已經(jīng)成為當今研究的重點和熱點。毋庸置疑,信號分子在病原菌憑借群體感應系統(tǒng)發(fā)揮致病作用的過程中起了關鍵性作用,因此,阻斷細菌 QS主要有3條途徑:抑制信號分子的產(chǎn)生;降解信號分子;阻斷信號分子和受體蛋白的結合,而近年來大多數(shù)文獻報道的主要是阻斷信號分子和受體蛋白的結合,今后研究的重點應該更注重阻斷QS的另外兩條途徑。
隨著海洋活性物質研究的不斷深入,近年來,已從海洋微生物的發(fā)酵產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)了大量具有新穎化學結構和特異生理功能的化合物,其中許多具有良好的抗菌、抗病毒、抗腫瘤活性。海洋微生物通常人工條件易發(fā)酵培養(yǎng),并能夠提供穩(wěn)定的化合物來源,而且大多數(shù)正在使用的抗菌藥物都是通過對天然活性化合物的改造修飾而來。自然環(huán)境中,多種微生物為了爭奪營養(yǎng)物質和生存空間彼此之間存在著激烈競爭,在競爭過程中某些微生物可能會釋放一些次級代謝產(chǎn)物來抑制或干擾其它微生物的正常代謝活動。Rasmussens等[29]利用基因芯片技術發(fā)現(xiàn)由青霉菌 (P. radicicola和P. coprobium) 產(chǎn)生的青霉酸和棒曲霉素能夠抑制銅綠假單胞菌 QS調控的毒力基因的表達,但是這 2種化合物均證明對人體有細胞毒性。
本文在 QSIS2篩選模型的篩選方法上加以改進,在培養(yǎng)基中加入活菌染色劑TTC,使篩選結果易于檢測和觀察,從海洋軟體動物體內分離69株海洋來源真菌,制備發(fā)酵液粗提物,利用改進的QSIS2篩選模型和紫色桿菌CV026指示菌株對真菌粗提物進行QS抑制活性的篩選發(fā)現(xiàn)1株青霉菌QY013具有細菌群體感應抑制活性;進一步實驗檢測QY013的發(fā)酵粗提物在不影響細菌生長的濃度范圍內有效降低 QS調控的細菌毒力因子的產(chǎn)生。其中,該發(fā)酵粗提物中存在的抑制細菌 QS的有效化學成分正在進一步提取和分離中。
致謝:感謝Technical University of Denmark Michael Givskov教授提供的 QSIS2篩選模型,美國 Texas State University R.J.C.McLean教授提供菌株紫色桿菌CV026。
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