群體感應(yīng)對銅綠假單胞菌感染過程的調(diào)控作用

趙凈

摘 要 細(xì)菌群體感應(yīng)（Quorum sensing， QS）是在細(xì)菌性病原體中廣泛存在的細(xì)胞通訊方式。細(xì)菌的密度達(dá)到閾值時，將通過群體感應(yīng)來協(xié)調(diào)生理過程，包括多種毒力因子的產(chǎn)生，生物被膜的形成及運動能力等。已有研究表明，在動物及人類細(xì)菌感染過程中，QS可增強致病菌的感染毒力。本文整合了動物體外及體內(nèi)實驗，也包括一些臨床研究，針對性地介紹了銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）的群體感應(yīng)系統(tǒng)，綜述了其群體感應(yīng)系統(tǒng)與感染性疾病相關(guān)的研究。

關(guān)鍵詞 感染 群體感應(yīng) 銅綠假單胞菌

中圖分類號：Q935 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

細(xì)菌群體感應(yīng)（Quorum sensing， QS）是細(xì)菌細(xì)胞間的交流過程，細(xì)菌可分泌自誘導(dǎo)物（Autoinducer， AI），作為種內(nèi)及種間交流的信號分子，相應(yīng)的受體蛋白結(jié)合并感知信號分子，進(jìn)而調(diào)節(jié)自身菌體密度及毒力基因的表達(dá)。QS是細(xì)菌適應(yīng)環(huán)境變化并作出應(yīng)激反應(yīng)的重要通路，多種重要的致病細(xì)菌都利用QS系統(tǒng)來協(xié)調(diào)毒力因子的產(chǎn)生、生物被膜的形成及swarming運動等行為。近來研究發(fā)現(xiàn)，許多細(xì)菌的致病力與QS系統(tǒng)密切相關(guān)。在致病細(xì)菌中， QS調(diào)控的基因編碼不同的毒力因子，如蛋白酶，毒素類物質(zhì)及粘附素等。當(dāng)細(xì)菌密度達(dá)到閾值，群體感應(yīng)通路啟動，細(xì)菌將會釋放毒力物質(zhì)，協(xié)同攻擊宿主免疫系統(tǒng)，增大感染幾率，利于感染的擴散。本文介紹了導(dǎo)致醫(yī)院內(nèi)感染的一種主要致病菌--銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）的群體感應(yīng)系統(tǒng)，討論了細(xì)菌群體感應(yīng)與其感染能力的關(guān)系。

1銅綠假單胞菌及其群體感應(yīng)系統(tǒng)

銅綠假單胞菌是臨床上常見的革蘭氏陰性機會致病菌，擁有三套主要的群體感應(yīng)系統(tǒng)，其中兩種由?；呓z氨酸內(nèi)酯（N-acyl homoserine lactones ，HSL）信號分子介導(dǎo)，另外一種由喹諾酮類信號分子介導(dǎo)。Las系統(tǒng)由LasI合成酶合成信號分子3-oxo-C12-homoserine lactone （3-oxo-C12-HSL）。信號分子結(jié)合于受體蛋白LasR，形成二聚物，結(jié)合于包含las讀碼框的啟動子，開啟相關(guān)基因的表達(dá)。Rhl系統(tǒng)RhlI合成酶合成信號分子N-butyryl-L-homoserine lactone，結(jié)合于RhlR受體蛋白，調(diào)節(jié)下游基因表達(dá)。第三套群體感應(yīng)系統(tǒng)由喹諾酮（2-heptyl-3-hydroxy-4-quinolone）信號分子介導(dǎo)。pqsABCDEH基因合成信號分子，喹諾酮信號分子結(jié)合于PqsR受體蛋白。

P. aeruginosa的三套群體感應(yīng)系統(tǒng)彼此相互調(diào)節(jié)。Las系統(tǒng)首先被激活，進(jìn)而調(diào)節(jié)Rhl及PQS系統(tǒng)，PQS系統(tǒng)激活Rhl系統(tǒng)，而Rhl系統(tǒng)卻抑制PQS系統(tǒng)。另外，Las系統(tǒng)信號分子3-oxo-C12-HSL可功能性地結(jié)合于RhlR蛋白調(diào)節(jié)器，促進(jìn)其裂解及失活；Rhl系統(tǒng)還可以調(diào)控吩嗪綠膿菌素的產(chǎn)生，導(dǎo)致真核宿主細(xì)胞發(fā)生氧化性損傷，破壞宿主抗氧化防御系統(tǒng)；PQS系統(tǒng)可增強lasB彈性蛋白酶及綠膿菌素的生成。在細(xì)菌生長穩(wěn)定期，RhlR可替代缺失的LasR，促進(jìn)蛋白酶、綠膿菌素、PQS及3-oxo-C12-HSL的產(chǎn)生。因此，這三個群體感應(yīng)系統(tǒng)對于P. aeruginosa毒力的調(diào)節(jié)作用是重疊而又復(fù)雜的。

2群體感應(yīng)調(diào)控銅綠假單胞菌體內(nèi)感染模型

已有多種動物模型被用于研究QS在P. aeruginosa致病過程中發(fā)揮的作用，典型的有線蟲模型（Caenorhabditis elegans），果蠅模型（Drosophila melanogaster），斑馬魚模型（Danio rerio）及老鼠模型（Mus musculus）。實驗中主要通過兩種策略驗證群體感應(yīng)在感染過程中發(fā)揮的作用：（1）利用群體感應(yīng)基因缺失突變株；（2）使用群體感應(yīng)抑制劑（Quorum sensing inhibitor， QSI）。本文主要介紹線蟲模型及小鼠模型。

2.1線蟲體內(nèi)感染模型

線蟲模型被廣泛應(yīng)用于研究群體感應(yīng)與P. aeruginosa致病毒力之間的聯(lián)系， P. aeruginosa PA14可通過兩種機制導(dǎo)致線蟲死亡，一種是細(xì)菌在線蟲腸內(nèi)積累引發(fā)的感染導(dǎo)致的慢性死亡（Slow killing）；一種是QS調(diào)控產(chǎn)生的吩嗪類物質(zhì)增加了線蟲體內(nèi)的活性氧，引發(fā)的急性死亡（Fast killing）。第三種線蟲模型是致死性麻痹（Lethal paralysis）模型，這種作用是通過las及rhl系統(tǒng)相關(guān)基因表達(dá)產(chǎn)生的因子快速引發(fā)線蟲肌肉麻痹導(dǎo)致的。LasR缺失突變株感染后，可降低28%-100%的致死性麻痹；RhlR缺失突變株可100%降低麻痹死亡率。線蟲實驗的第四種表型是紅色死亡（Red death），特征是P. aeruginosa感染后在線蟲腸部由PQS與Fe3+產(chǎn)生的紅色沉淀，因此，模型中P. aeruginosa感染引起線蟲的死亡是由喹諾酮群體感應(yīng)系統(tǒng)介導(dǎo)的。Musthafa使用化合物2，5-piperazinedione可提高線蟲66%的存活率，化合物與HSL信號分子競爭結(jié)合于LasR蛋白的氨基酸殘基上，破壞了群體感應(yīng)通路。

2.2小鼠體內(nèi)感染模型

線蟲屬于無脊椎動物，沒有復(fù)雜的免疫細(xì)胞及獲得性免疫能力，因此，在脊椎動物模型上分析群體感應(yīng)對于P. aeruginosa致病能力也十分重要。在小鼠體內(nèi)，人們主要用三種模型確定了QS在P. aeruginosa感染過程中的作用。第一種模型是在小鼠背部進(jìn)行燙傷感染，隨后在傷口處感染銅綠假單胞菌，用野生型P. aeruginosa PA14進(jìn)行燙傷感染，僅有10%存活率，而用pqsA缺失突變株感染，存活率可達(dá)75%，表明銅綠假單胞菌毒力主要由QS調(diào)控；小鼠燙傷感染后使用QSI--鄰氨基苯甲酸類似物可抑制PQS信號分子的合成及PqsR介導(dǎo)的QS相關(guān)基因的表達(dá)，限制P. aeruginosa PA14在全身的擴散感染，降低小鼠死亡率。第二種是新生小鼠肺部感染模型，lasR缺失突變株可明顯降低細(xì)菌毒力，使肺部組織中的細(xì)菌無法增殖，控制了感染的擴散。第三種是小鼠體內(nèi)異物感染模型，通過向小鼠腹腔內(nèi)植入帶有P. aeruginosa的硅膠片造成感染，在植入感染7天后，硅膠片上的lasR- rhlR雙缺失菌株已被機體清除，而野生型P. aeruginosa PAO1可在硅膠片上定殖14-21天。另外小鼠植入感染后，腹腔注射QSI呋喃酮C30，可以有效提升細(xì)菌清除率。

3銅綠假單胞菌群體感應(yīng)與人體感染

研究人員從人體感染的臨床菌株中分離得到的大多數(shù)P. aeruginosa均利用群體感應(yīng)系統(tǒng)，這也凸顯了群體感應(yīng)系統(tǒng)在調(diào)控P. aeruginosa感染人體時的重要性。

Feltner JB 等人從囊胞性纖維癥病人體內(nèi)分離得到2000余株銅綠假單胞菌，其中絕大多數(shù)的菌株中存在HSL介導(dǎo)的群體感應(yīng)通路，可以分泌高濃度的HSL信號分子和由lasA及l(fā)asB基因表達(dá)產(chǎn)生的彈性蛋白酶；Garc€韆-Contreras R等人從囊胞性纖維癥病人體內(nèi)分離得50株銅綠假單胞菌，這些菌株產(chǎn)生的彈性蛋白酶、鼠李糖脂、氰化氫及綠膿菌素等毒力因子均可被群體感應(yīng)抑制劑C30抑制，也說明群體感應(yīng)對P. aeruginosa致病能力有調(diào)控作用。綜合以上這些獨立實驗，分離得到的絕大多數(shù)臨床感染銅綠假單胞菌都受HSL群體感應(yīng)調(diào)控。

盡管P. aeruginosa感染是由多種因素造成的，但群體感應(yīng)調(diào)控細(xì)菌向胞外分泌信號分子及毒力因子與細(xì)菌致病力密切相關(guān)。很多從囊性纖維病人痰液樣本中分離的P. aeruginosa均可分泌N-（3-oxododecanoyl）-HSL信號分子，除了作為細(xì)菌間的交流信號，還可抑制宿主淋巴細(xì)胞的增殖以及T淋巴細(xì)胞對 -腫瘤壞死因子、 -干擾素的分泌；QS調(diào)控分泌的堿性蛋白酶可與凝集素介導(dǎo)的補體激活通路，阻止吞噬細(xì)胞及中性粒細(xì)胞對細(xì)菌的清除作用；彈性蛋白酶通過破壞人體凝血酶，抑制宿主啟動炎性反應(yīng)，導(dǎo)致免疫逃逸；鼠李糖脂能夠破壞鈣調(diào)節(jié)途徑和蛋白激酶C活化，防止在人體角質(zhì)細(xì)胞中形成 -防御素-2；多糖藻酸鹽可以保護(hù)銅綠假單胞菌生物被膜細(xì)胞不被IFN- 介導(dǎo)的巨噬細(xì)胞殺死；P. aeruginosa中這些由QS調(diào)控產(chǎn)生的毒力因子在細(xì)菌感染過程中，對細(xì)菌本身及宿主免疫系統(tǒng)均發(fā)揮著不可或缺的作用。

4小結(jié)與展望

體外及體內(nèi)研究結(jié)果顯示，群體感應(yīng)系統(tǒng)調(diào)控銅綠假單胞菌的毒力，在其致病過程中發(fā)揮重要作用。這啟發(fā)我們，在不抑制細(xì)菌生長的前提下，阻斷致病菌群體感應(yīng)通路，既不給細(xì)菌造成生長壓力，又可降低細(xì)菌感染能力，可避免傳統(tǒng)抗感染治療的弊端，是治療細(xì)菌感染的新手段。

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