真菌群體感應(yīng)信號(hào)分子的研究進(jìn)展

李 婷， 劉朝暉

作者單位：首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京婦產(chǎn)醫(yī)院婦科，北京 100026。

早在1977年，Nealson對海洋細(xì)菌費(fèi)氏弧菌（Vibrio fescheri）監(jiān)控自身群體密度產(chǎn)生的自誘導(dǎo)生物發(fā)光現(xiàn)象進(jìn)行報(bào)道[1]。而群體感應(yīng)（quorum sensing，QS）是由Fuqua等[2]于1994年首次提出的一種密度依賴性微生物細(xì)胞間通訊機(jī)制，即通過分泌群體感應(yīng)信號(hào)分子（quorum sensing molecules，QSM）或自誘導(dǎo)調(diào)節(jié)分子（autoinducer，AI）作為小擴(kuò)散信號(hào)分子，與轉(zhuǎn)錄激活蛋白相互作用，將基因表達(dá)與細(xì)胞密度偶聯(lián)在一起。

QS現(xiàn)象在細(xì)菌細(xì)胞間通訊是十分常見并被廣泛認(rèn)可的，主要包括4個(gè)步驟：① 細(xì)菌產(chǎn)生QSM；② QSM通過主動(dòng)運(yùn)輸或者被動(dòng)運(yùn)輸方式分泌到胞外；③ 當(dāng)QSM水平達(dá)到一定閾值后，被特定受體所識(shí)別；④ 啟動(dòng)相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄與表達(dá)[3]。QS現(xiàn)象不僅存在于原核生物 ，也存在于真核生物中。近年來，越來越多的研究表明真菌也存在類似于細(xì)菌的QS現(xiàn)象，以調(diào)節(jié)真菌菌相轉(zhuǎn)化、致病性、耐藥基因表達(dá)及生物膜的形成等行為[4]。真菌QSM的種類較多，包括脂類（氧化脂質(zhì)）、肽（信息素）、醇（法尼醇、酪醇、色氨醇和1-苯乙醇）、乙醛，以及某些揮發(fā)性化合物，調(diào)節(jié)真菌多種關(guān)鍵功能，如致病性、形態(tài)發(fā)生及菌絲形成等[5]。在白念珠菌中發(fā)現(xiàn)QSM法尼醇是真核生物QS的一個(gè)重大突破。雖然真菌中QS現(xiàn)象的研究仍處于起步階段，但在一些真菌物種中已經(jīng)記錄了類似細(xì)菌QS的種群密度行為[6-7]。最近研究表明，作為轉(zhuǎn)錄水平的全局調(diào)控系統(tǒng)，真菌QSM的生物學(xué)效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了作為自身細(xì)胞間通訊分子的作用，現(xiàn)在還發(fā)現(xiàn)它對其他種類真菌、細(xì)菌甚至哺乳類動(dòng)物細(xì)胞（正常細(xì)胞或腫瘤細(xì)胞）也有作用。因此，QSM作為新的分子靶標(biāo)在農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥和環(huán)保等領(lǐng)域已展示出誘人的應(yīng)用前景。本文就國內(nèi)外近年來對真菌QSM的研究進(jìn)展進(jìn)行綜 述。

1 白念珠菌QSM法尼醇

1.1 對白念珠菌的作用

白念株菌常以酵母相和菌絲相兩種形式存在，而這兩種形式的轉(zhuǎn)換存在一個(gè)密度臨界值，該效應(yīng)與細(xì)菌QS調(diào)節(jié)其形態(tài)學(xué)的方式極為相似，其實(shí)就是白念珠菌的QS現(xiàn)象。在菌絲誘導(dǎo)條件下，當(dāng)初始細(xì)胞密度接種量小于106/mL時(shí)，白念珠菌以菌絲相生長為主，而在菌體細(xì)胞密度較高時(shí)不易形成菌絲體，則以酵母相生長為主[8]。2001年，Hornby等[8]報(bào)道該原因是由于高密度菌體培養(yǎng)上清液存在一種物質(zhì)抑制酵母相-菌絲相的轉(zhuǎn)換，經(jīng)成分分析，分離出一種相對分子質(zhì)量為222.37 kD的親脂分子，分子式C15H26O，首次分析證實(shí)該活性分子為法尼醇。 2002年，Ramage等[9]報(bào)道在培養(yǎng)基中加入法尼醇可以有效抑制白念珠菌生物膜的形成。目前已知，白念珠菌的 QSM主要有法尼醇、酪醇和法尼酸。

法尼醇是首個(gè)被發(fā)現(xiàn)的真核生物密度感應(yīng)分子，它的發(fā)現(xiàn)是真核生物QS研究的一個(gè)重大突破。法尼醇是白念珠菌生物合成麥角固醇的中間產(chǎn)物，由焦磷酸法尼酯（farnesyl pyrophosphate，F(xiàn)PP）轉(zhuǎn)化而來，F(xiàn)PP是脂類代謝的重要分支點(diǎn)，也是特比萘芬、唑類、三唑類、兩性霉素B及制霉菌素等所有經(jīng)典抗真菌藥物的上游（見圖1）[10]。它不僅可在高密度時(shí)控制過量細(xì)胞生長造成的營養(yǎng)競爭，也可對感染灶的播散和建立起關(guān)鍵的作用，因此認(rèn)為其具有治療價(jià)值。法尼醇主要通過Ras1p-cAMP-PKA及MAPK等多種信號(hào)通路，上調(diào)過氧化氫酶編碼基因（CAT1）表達(dá)[11]，影響許多形態(tài)相關(guān)基因的表達(dá)，如上調(diào)TUP1、HOG1，下調(diào)CRK1和PDE2等基因，最終抑制白念珠菌酵母相向菌絲相的轉(zhuǎn)變[12]；法尼醇能夠影響白念珠菌菌絲形成，但不影響其細(xì)胞生長率[7]。法尼醇還抑制白念珠菌生物膜形成的不同階段，如侵襲黏附、菌絲形成、分泌細(xì)胞外基質(zhì)[β-(1，3)-葡聚糖] 、生物膜成熟等[9]；促進(jìn)胞體從生物膜表面分離游走，在營養(yǎng)充足的條件下再繼續(xù)附著、生長及分化，形成生物膜[13]。此外，它還能協(xié)同抗菌制劑增強(qiáng)對微生物的抗菌活性[14]。由于血清白蛋白的非特異性脂質(zhì)結(jié)合能力，培養(yǎng)基中血清濃度會(huì)影響法尼醇抑制效應(yīng)的濃度，且呈劑量依賴性，因此不同文獻(xiàn)報(bào)道的觀察結(jié)果不一致可歸因于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的差異[10]。法尼醇還能通過調(diào)控白念珠菌三磷酸腺苷結(jié)合體轉(zhuǎn)運(yùn)子（adenosine triphosphate binding cassette，ABC）的藥物外排，與多種抗真菌藥物（如氟康唑、酮康唑、咪康唑及兩性霉素）協(xié)同誘導(dǎo)真菌凋亡[15]。

雖然目前學(xué)者們把法尼醇作為一種潛在的抗真菌制劑來進(jìn)行研究，但最新研究表明，法尼醇對機(jī)體內(nèi)白念珠菌的感染具有兩重性，即對黏膜真菌感染來說，法尼醇可能作為宿主保護(hù)性因子，但對體內(nèi)系統(tǒng)性真菌感染來說，法尼醇則作為真菌的一種毒力因子[16]。Deveau等[17]發(fā)現(xiàn)，法尼醇通過抑制Ras1p-cAMP-PKA信號(hào)通路增強(qiáng)白念珠菌抗氧化應(yīng)激反應(yīng)能力。Hisajima 等[18]報(bào)道，法尼醇能夠抑制舌黏膜表面的真菌感染，且呈劑量依賴性，但不能阻止腎臟及肝臟等器官內(nèi)的真菌感染。此外，Navarathna等[19]報(bào)道，法尼醇能夠下調(diào)保護(hù)性的Th1類免疫應(yīng)答（IL -2 ，IFN γ及 TNF α下降），上調(diào)非保護(hù)性Th2 免疫應(yīng)答（IL -4，IL -5升高）的表達(dá)。

圖1 真菌細(xì)胞膜形成及抗真菌藥物的作用靶點(diǎn)

1.2 對其他真菌及細(xì)菌的作用

白念珠菌自身分泌的法尼醇還能抑制其他能夠與之競爭生長的真菌，如近平滑念珠菌（Candida parapsilosis）、熱帶念珠菌（Candida tropicalis）、釀酒念珠菌（Saccharomyces cerevisiae）和煙曲霉（Aspergillus fumigatus）、構(gòu)巢曲霉（Aspergillus nidulans）[20-23]。此外，法尼醇不僅對上述真菌有干預(yù)作用，還對細(xì)菌，如金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、表皮葡萄球菌（Staphylococcus epidermidis）及銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）也有一定的抑制作用[24-25]。法尼醇還能增強(qiáng)耐甲氧西林金黃色葡萄球菌對氨芐西林和苯唑西林的敏感性[26]。據(jù)報(bào)道，法尼醇能夠抑制游離態(tài)的表皮葡萄球菌及其生物膜，200 μmol/L法尼醇的抑制效果相當(dāng)于萬古霉素達(dá)峰時(shí)的抑制效果[27]。因此認(rèn)為，法尼醇可能作為抑制細(xì)菌生物膜形成及促進(jìn)耐藥性逆轉(zhuǎn)的新型輔助藥物，具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。

而法尼酸是法尼醇的一種氧化形式，其濃度高于法尼醇。它通過基因PHO81作用并抑制菌絲生長，法尼酸作用白念珠菌后，基因PHO81表達(dá)上調(diào)2倍從而抑制Ras相關(guān)MAPK及cAMP-PKA信號(hào)通路，基因PHO81突變細(xì)胞對法尼酸的抑制作用不敏感[28]，但法尼酸對真菌形態(tài)的抑制作用弱于法尼醇[29]。

1.3 對哺乳類動(dòng)物細(xì)胞的作用

法尼醇對哺乳類動(dòng)物細(xì)胞具有選擇性抑制甚至毒性作用，Yazlovitskaya等[30]報(bào)道法尼醇能誘導(dǎo)宮頸癌Hela細(xì)胞系的程序性細(xì)胞凋亡，而對正常成纖維CF-3細(xì)胞系無作用。近年來，法尼醇誘導(dǎo)部分癌細(xì)胞如肺癌[31]、前列腺癌[32]和結(jié)腸癌[33]細(xì)胞凋亡的研究成為抗腫瘤領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，從而為臨床治療腫瘤提供了新的思路和方法。此外，法尼醇還可能通過逆轉(zhuǎn)低密度脂蛋白/高密度脂蛋白、高密度脂蛋白/總膽固醇比值來調(diào)節(jié)脂質(zhì)分布[34]，通過AMPK信號(hào)通路來抑制小鼠脂肪細(xì)胞和人脂肪組織間充質(zhì)干細(xì)胞的脂肪生成，降低血清三酰甘油并改善脂類代謝異常，提示其今后可用于肥胖癥的治療[35]。

2 白念珠菌QSM酪醇

真菌QS系統(tǒng)中既然存在法尼醇負(fù)反饋信號(hào)因子也必然會(huì)存在與之抗衡的正反饋調(diào)節(jié)因子。酪醇是白念珠菌第二個(gè)被發(fā)現(xiàn)并報(bào)道的另一種QSM[36]。正反饋信號(hào)因子酪醇能促進(jìn)白念珠菌從酵母相向菌絲相轉(zhuǎn)換，調(diào)控細(xì)胞周期、DNA復(fù)制和染色體分離[36]。有研究證實(shí)，法尼醇在調(diào)節(jié)菌相轉(zhuǎn)換方面的作用要優(yōu)于酪醇，在法尼醇水平保持不變的情況下，添加酪醇也不能逆轉(zhuǎn)法尼醇對菌絲形成的抑制作用，說明酪醇可能只作為一種次要的QSM，只有當(dāng)環(huán)境中法尼醇較低時(shí)才能發(fā)揮其負(fù)反饋信號(hào)作用[37-38]。目前我們已知的白念珠菌QSM均來源于糖酵解的代謝產(chǎn)物，說明真菌物質(zhì)代謝途徑可能會(huì)對這些細(xì)胞間信號(hào)分子的形成產(chǎn)生重大影響[39]。

3 莢膜組織胞漿菌的QSM α-（1，3）-葡聚糖

除了白念珠菌外，真核生物還存在QS現(xiàn)象的另一種真菌是腐生真菌莢膜組織胞漿菌（Histoplasma capsulatum）[40]。莢膜組織胞漿菌為雙相真菌，在土壤中以菌絲相存在，但一旦被動(dòng)物吸入，它就轉(zhuǎn)變成酵母相，隨后產(chǎn)生細(xì)胞壁多糖α-（1，3）-葡聚糖[41]。莢膜組織胞漿菌形成酵母相是致病的必要條件，而α-（1，3）-葡聚糖是莢膜酵母相的特征之一，其生物合成與毒力相關(guān)，并隨著其密度的增加而逐漸積累，即當(dāng)接種密度高時(shí)，α-（1，3）-葡聚糖含量豐富，密度低時(shí)，大部分酵母細(xì)胞不再合成α-（1，3）-葡聚糖[40，42]。此外，有文獻(xiàn)報(bào)道，α-（1，3）-葡聚糖還參與吞噬溶酶體中的真菌保護(hù)作用，調(diào)節(jié)宿主巨噬細(xì)胞內(nèi)的真菌增殖[40]，并與細(xì)胞內(nèi)潛伏期密切相關(guān)[43]。

4 其他真菌QSM

除了上述真菌外，絲狀真菌產(chǎn)生的氧脂素（oxylipins）[44]、γ-丁內(nèi)酯（γ-butyrolactone）[45]、釀酒酵母的苯基乙醇及色氨醇[46]、新型隱球菌的泛酸[47]也被陸續(xù)報(bào)道，這些物質(zhì)的產(chǎn)生與菌體的形態(tài)轉(zhuǎn)化和次級(jí)代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生都有關(guān)。

5 總結(jié)和展望

近年來抗真菌藥物研究雖然取得了較大進(jìn)展，但也存在一定的局限性和問題。目前已有的抗真菌藥物種類缺乏，選擇范圍小，且存在不良反應(yīng)；隨著臨床上抗真菌藥物的廣泛使用，真菌耐藥性日趨嚴(yán)重，且多藥耐藥不斷增加，給臨床真菌感染的治療造成了極大的困難，故開發(fā)新的藥物靶點(diǎn)迫在眉睫。QS概念的首次提出至今不過20年，但被視為近20年來微生物研究領(lǐng)域中最重大的進(jìn)展之一。雖然對于真菌QS的研究仍處于初級(jí)階段，但真菌QSM在農(nóng)業(yè)、生物技術(shù)和醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域展示了廣闊的應(yīng)用前景。由于這些QSM的多樣性及其機(jī)制的復(fù)雜性，要將其用于實(shí)際臨床治療中仍有一段距離。因此對致病真菌的QS系統(tǒng)的深入研究，明確致病真菌的致病機(jī)制，有助于研究開發(fā)以真菌QS系統(tǒng)尤其是法尼醇為靶點(diǎn)的新型抗真菌藥物，為廣大真菌感染患者帶來福 音。