消化道微生物與密度感應(yīng)現(xiàn)象

程旭梅，李志強(qiáng)，周建業(yè)

(1.西北民族大學(xué) 生命科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730030；2.西北民族大學(xué) 口腔醫(yī)學(xué)國(guó)家民委重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730030)

1 消化道微生物

1.1 消化道微生物概述

消化道是一條起自口腔，經(jīng)過(guò)咽、食道、胃、小腸、大腸和肛門(mén)的肌性管道，是人和動(dòng)物機(jī)體消化系統(tǒng)的重要組成部分.將寄居在消化道中的所有微生物統(tǒng)稱(chēng)為消化道微生物，主要包括細(xì)菌、真菌、原蟲(chóng)等，其中細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)和研究最為廣泛[1]35.大量微生物棲居在消化道內(nèi).寄生在人體消化道內(nèi)細(xì)菌的數(shù)目高達(dá)體細(xì)胞和生殖細(xì)胞的10倍[2-4]，將這些細(xì)菌共同組成的細(xì)菌群落稱(chēng)為菌群[3]288.

1.2 消化道微生物的組成、分布及影響因素

1.2.1 消化道微生物的組成

內(nèi)源菌和外源菌共同構(gòu)成消化道微生物.人和動(dòng)物出生后接觸富含微生物的外界環(huán)境，而環(huán)境中的一些細(xì)菌進(jìn)入消化道內(nèi)并定植，與宿主形成共生關(guān)系，甚至伴隨宿主一生，其中有內(nèi)源菌或原住菌[6]36.外源菌是指一些被動(dòng)物消化吸收，或被其他微生物抑制殺死，或隨糞便排出而不能在消化道定植的細(xì)菌[6]36.按照菌群對(duì)機(jī)體的作用，將這些細(xì)菌又大致分為生理性細(xì)菌和病原菌.乳酸桿菌、酵母菌、酪酸梭菌、雙歧桿菌、放線菌等一般是對(duì)宿主健康有益的，屬于生理性細(xì)菌；而病原菌如變形桿菌、金黃色葡萄球菌、結(jié)核分枝桿菌、沙門(mén)菌、志賀菌、致病性大腸埃希菌等會(huì)危害宿主健康[3]289.

1.2.2 消化道微生物的分布

消化道微生物的分布情況極為復(fù)雜，其分布的變化伴隨著人和動(dòng)物機(jī)體整個(gè)生命過(guò)程[1]36.有研究發(fā)現(xiàn)，微生物的數(shù)量在消化道的分布是由近端向遠(yuǎn)端逐漸遞增的[6]36.口腔和咽部有大量不同的需氧細(xì)菌群，如鏈球菌.食道和胃的微生物隨著吞咽食物不同而異[2]94.胃酸導(dǎo)致胃內(nèi)pH低[4]，不利于大多數(shù)細(xì)菌的繁殖，其微生物大多數(shù)為厭氧菌，如乳桿菌屬、葡萄球菌屬、鏈球菌屬等[1-2].小腸內(nèi)大多數(shù)也是厭氧菌[1-2,5]，且從十二指腸到回腸，細(xì)菌數(shù)量逐步增加[1-2,4-6].十二指腸是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化吸收的主要場(chǎng)所，腸段蠕動(dòng)較快.臨近胃pH較低，能定植的細(xì)菌數(shù)量較少，主要有擬桿菌、乳桿菌、鏈球菌及白色念珠等[1,5].空腸和回腸的蠕動(dòng)減慢，腸段氧化還原電位較低，利于厭氧菌定植，以革蘭陰性專(zhuān)性或兼性厭氧桿菌為主[5].大腸pH接近中性，適于大多數(shù)細(xì)菌生存，所以大腸菌群數(shù)量大，種類(lèi)多[2]94，包括擬桿菌、雙歧桿菌、梭狀芽胞桿菌、腸球菌、大腸埃希菌和乳酸桿菌等[2]94.盲腸在整個(gè)腸道中細(xì)菌密度屬最高，因腸段遠(yuǎn)端閉塞不通，腸段內(nèi)充滿了黏稠狀的食糜，且蠕動(dòng)速度緩慢，高度厭氧，是細(xì)菌定植的主要場(chǎng)所[5].

1.2.3 影響消化道微生物(菌群、數(shù)量及分布)的主要因素

目前，研究發(fā)現(xiàn)影響消化道微生物的因素主要有：宿主的性別、分娩方式、飲食、民族、宿主的基因型、年齡，宿主對(duì)其生存環(huán)境中微生物的選擇作用、微生物彼此間的相互作用和外界環(huán)境的刺激因素等[6-8].

消化道微生物來(lái)源于機(jī)體剛出生時(shí)接觸到的外界環(huán)境，如順產(chǎn)的新生嬰兒和剖腹產(chǎn)的新生嬰兒消化道的微生物不同[6]37．研究顯示，順產(chǎn)的嬰兒消化道的菌群構(gòu)成與母體生殖道的相似[2，8]，主要有乳酸菌、普氏菌.剖腹產(chǎn)胎兒的消化道微生物組成與母體皮膚微生物的組成相似，以假單胞菌、葡萄球菌為主，且與順產(chǎn)胎兒相比，剖腹產(chǎn)胎兒消化道的微生物種類(lèi)較少[8].食物對(duì)菌群結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生影響，如嬰兒與成年人的食物不同，消化道微生物也不同[6-7].采樣不同民族的唾液微生物群進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)微生物群的種類(lèi)相似，但細(xì)菌組成和物種豐富度存在差異[8]357.另外，宿主的基因型也會(huì)影響菌群結(jié)構(gòu).研究表明,基因肥胖型小白鼠的消化道菌群比例與其同胎的消瘦型小白鼠相比有顯著差異[6]37.機(jī)體在不同年齡時(shí)的消化道微生物因免疫和激素水平不同而不同[8]356.外界環(huán)境中存在多種微生物，但能夠進(jìn)入動(dòng)物消化道內(nèi)定植的是極少數(shù)，這主要是由宿主對(duì)微生物的選擇作用決定的.動(dòng)物通過(guò)消化道物理化學(xué)因素和免疫系統(tǒng)對(duì)食物中的微生物進(jìn)行選擇，如胃分泌胃酸、腸細(xì)胞分泌抗菌肽和分泌型免疫球蛋白A.適應(yīng)消化道條件的微生物可以定植，其他微生物則被殺死或抑制其生長(zhǎng)[6]37.微生物間也會(huì)對(duì)消化道內(nèi)菌群結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響.競(jìng)爭(zhēng)性排斥是微生物的主要拮抗方式，通過(guò)爭(zhēng)奪養(yǎng)分、氧氣及生存空間來(lái)限制其他微生物.另外，當(dāng)機(jī)體受到外界環(huán)境刺激時(shí)，微生物可以通過(guò)傳遞信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)體免疫系統(tǒng)消化道菌群的組成[6]37.

2 密度感應(yīng)現(xiàn)象

2.1 密度感應(yīng)概述

細(xì)菌通過(guò)高度的相互作用來(lái)進(jìn)行細(xì)胞間的交流，密度感應(yīng)(Quorum sensing，QS)就屬于這個(gè)過(guò)程[9].Nealson等曾在1970年報(bào)道海洋費(fèi)氏弧菌(Vibriofischeri)的發(fā)光現(xiàn)象與菌體密度有關(guān)，降低細(xì)菌細(xì)胞的密度，可終止細(xì)菌發(fā)光[10-12].1994年Fuqua 等提出了QS的概念.QS即密度感知或群體感應(yīng)，是細(xì)菌彼此間進(jìn)行信號(hào)傳遞的一種特殊機(jī)制[11-12].研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌利用自身產(chǎn)生的一種被稱(chēng)為自體誘導(dǎo)物(autoinducers,AI)的信號(hào)分子濃度來(lái)監(jiān)控群體密度[13-17].AI信號(hào)分子在細(xì)菌生長(zhǎng)過(guò)程中逐漸積累，形成正反饋循環(huán).當(dāng)累積到臨界濃度時(shí)，激活特定受體，啟動(dòng)細(xì)菌群體中多種靶基因協(xié)同誘導(dǎo)或抑制的信號(hào)級(jí)聯(lián)[18]161-162，細(xì)菌感知和響應(yīng)周?chē)h(huán)境中的信號(hào)并協(xié)同生物學(xué)行為，有條不紊地進(jìn)行生命活動(dòng).作為一種細(xì)菌相互溝通交流的化學(xué)通訊形式，QS廣泛存在于微生物中調(diào)節(jié)著細(xì)菌間的行為[12,19].

2.2 密度感應(yīng)調(diào)控機(jī)制

不同細(xì)菌產(chǎn)生調(diào)控菌群性狀的信號(hào)分子.因傳導(dǎo)信號(hào)分子機(jī)制和信號(hào)分子識(shí)別的靶基因不同，細(xì)菌中存在著多種多樣的QS系統(tǒng)[10,13].根據(jù)信號(hào)分子的不同將QS系統(tǒng)分為[11-13,16,20]：菌種內(nèi) QS 信號(hào)分子(AI-1)和菌種間QS信號(hào)分子(AI-2).AI-1 包括自誘導(dǎo)肽(Autoinducing peptides，AIP)介導(dǎo)的革蘭氏陽(yáng)性菌QS 系統(tǒng)和?；呓z氨酸內(nèi)酯(Acylhomoserine lactones，AHL)類(lèi)物質(zhì)介導(dǎo)的革蘭氏陰性菌QS系統(tǒng)，這兩種系統(tǒng)分別感應(yīng)菌種內(nèi)變化.AI-2介導(dǎo)革蘭氏陽(yáng)性菌及陰性菌共有的LuxS/AI-2 型QS系統(tǒng)，感應(yīng)菌種間的變化[13,21].

2.2.1 AIP介導(dǎo)的QS系統(tǒng)

革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌的QS通常由小分子多肽AIP控制.AIP加工后被主動(dòng)運(yùn)輸至胞外行使功能[9].當(dāng) AIP濃度隨菌體濃度增加而達(dá)到閾值時(shí)，與膜上的AIP信號(hào)識(shí)別系統(tǒng)結(jié)合，通過(guò)磷酸化與去磷酸化級(jí)聯(lián)傳遞信號(hào)，控制靶基因的轉(zhuǎn)錄[13,18].革蘭氏陽(yáng)性菌如枯草芽孢桿菌和金黃色葡萄球菌，其毒力受AIP的調(diào)控[9].

2.2.2 AHL 介導(dǎo)的 QS 系統(tǒng)

革蘭氏陰性菌的QS最初在費(fèi)氏弧菌中發(fā)現(xiàn)[9,12]，是受AHL介導(dǎo)，由 AHL、AHL合酶(LuxI蛋白)和 AHL受體(LuxR族蛋白)3 類(lèi)成分組成[9,14].如圖1所示，AHL在合成后經(jīng)自由擴(kuò)散穿過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入胞外環(huán)境，濃度隨著細(xì)菌群體數(shù)量的增加而增加．當(dāng)濃度達(dá)到閾值時(shí)，它們與LuxR家族的調(diào)控蛋白相互作用，誘導(dǎo)特定基因、操縱子和調(diào)控子的表達(dá)[12-14].大多數(shù)革蘭氏陰性病原菌的致病性受QS的高度調(diào)控[22].

圖1 AHL介導(dǎo)的QS調(diào)控基因表達(dá)示意圖[14]309

2.2.3 AI-2介導(dǎo)的 QS 系統(tǒng)

AI-2介導(dǎo)革蘭氏陽(yáng)性菌和陰性菌的QS，具有AIP和AHL的組合特征[23]54，是以4,5-二羥基-2,3-戊二酮(4,5-dihydroxy-2,3-pentanedione，DPD)為前體的信號(hào)分子.DPD 自身結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，可發(fā)生自身環(huán)化現(xiàn)象，形成活性的AI-2[10,12-13].AI-2進(jìn)行種間交流的報(bào)道主要集中在口腔微生物.一些口腔微生物分泌的AI-2信號(hào)分子參與微生物生物膜形成和基因調(diào)控，導(dǎo)致口腔環(huán)境中微生物種群變化[23]55，并且AI-2在口腔致病菌(如致齲菌和牙周致病菌)致病作用的機(jī)制中發(fā)揮了重要作用.此外，AI-2可促進(jìn)大腸桿菌、銅綠假單胞菌和幽門(mén)螺桿菌生物膜的形成[23-24].

2.2.4 其他信號(hào)分子介導(dǎo)的QS系統(tǒng)

近年來(lái)其他化學(xué)信號(hào)分子也被相繼發(fā)現(xiàn),例如脂肪酸、喹諾酮類(lèi)假單胞菌信號(hào)、部分酯類(lèi)化合物和AI-3，都參與細(xì)胞間通訊、宿主與微生物間相互作用的過(guò)程[21]5.

2.3 密度感應(yīng)的生理調(diào)控作用

細(xì)菌的多種生命活動(dòng)受QS調(diào)控.首先，細(xì)菌生物膜的形成受QS的調(diào)節(jié).生物膜的形成是細(xì)菌黏附和生長(zhǎng)的必要條件之一，也是微生物毒性和感染最重要的毒力因素之一[24].據(jù)估計(jì)，80%的微生物感染與生物膜有關(guān)[20]，因此，研究QS對(duì)調(diào)控生物膜形成具有重要意義.其次，在多菌種的生物膜內(nèi)，QS對(duì)生物膜內(nèi)細(xì)菌的定植和菌群的分布起關(guān)鍵的調(diào)控作用[25]121-122.QS還能抑制宿主的先天性免疫應(yīng)答.為了進(jìn)入宿主組織或細(xì)胞，細(xì)菌需要避免宿主的基本防御，而QS系統(tǒng)調(diào)控的協(xié)同作用使細(xì)菌能夠耐受和對(duì)抗宿主防御，因此QS對(duì)細(xì)菌維持與宿主的共生關(guān)系和致病性有重要作用[26].QS信號(hào)分子如細(xì)菌素、某些遺傳物質(zhì)和一些尚未被明確的細(xì)菌產(chǎn)物等，均可以調(diào)控細(xì)菌的營(yíng)養(yǎng)吸收、生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)孢和毒素分泌、抗生素生產(chǎn)和生物發(fā)光等[9,22,24].由于環(huán)境條件經(jīng)?？焖僮兓?xì)菌的協(xié)同行為對(duì)宿主進(jìn)行快速反應(yīng)至關(guān)重要，而QS的精密調(diào)控，有助于細(xì)菌抑制和殺死其他競(jìng)爭(zhēng)物種，從而使宿主自身的生存機(jī)會(huì)提高[22]10.

3 與微生物相關(guān)的消化道疾病和密度感應(yīng)的關(guān)系

越來(lái)越多研究表明，一些消化道疾病與消化道內(nèi)微生物的數(shù)量以及菌群結(jié)構(gòu)的變化有不可分割的聯(lián)系[1]35.人的口腔生存著大量微生物且具有多樣性，是一個(gè)復(fù)雜的微生態(tài)環(huán)境[25]120.口腔內(nèi)微生物生理特性及相互作用形成了口腔內(nèi)復(fù)雜的生物膜系統(tǒng)[25]120.口腔鏈球菌通過(guò)QS機(jī)制可參與生物膜的形成，并進(jìn)行不同種屬細(xì)菌間的信息交流，從而導(dǎo)致口腔疾病[25].牙菌斑是牙齒表面的天然生物膜，由多菌種組成,且存在復(fù)雜關(guān)系的QS系統(tǒng).研究發(fā)現(xiàn)，牙菌斑生物膜與齲病、牙周病發(fā)生密切相關(guān).研究如何干預(yù)牙菌斑生物膜中的QS調(diào)控，對(duì)牙菌斑生物膜導(dǎo)致的齲病、牙周病的治療有重要的臨床意義[10,15-16].

研究發(fā)現(xiàn)，人體的消化不良、胃腸道感染、肥胖、結(jié)腸癌、糖尿病、心血管疾病、上皮腫瘤等疾病與腸道微生物種群的變化有一定的關(guān)系[1,24].目前導(dǎo)致腸道感染的主要病原菌中，志賀氏菌是最常見(jiàn)的.志賀氏菌可導(dǎo)致細(xì)菌性痢疾.人類(lèi)對(duì)痢疾桿菌的易感性很高，導(dǎo)致的死亡率也很高.研究表明，QS的調(diào)控提高了志賀氏菌的生存競(jìng)爭(zhēng)能力.若QS的部分基因缺失，則可能對(duì)志賀氏菌的生命周期存在某些不利影響[27].蠟樣芽胞桿菌也能引起腹瀉，它通過(guò)產(chǎn)生和排出各種溶血素、磷脂酶和毒素而引起嚴(yán)重的腹瀉病[18].與其他革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌一樣，蠟樣菌群依賴(lài)于AIs的產(chǎn)生、識(shí)別和反應(yīng).AIP識(shí)別并與目的基因結(jié)合從而控制蠟樣芽孢桿菌的毒力[18]，其在腸道中的定植過(guò)程也與QS相關(guān)[18]166.腸道病原菌(如大腸桿菌和沙門(mén)氏菌)的毒力基因的表達(dá)與QS密切相關(guān)[18]170-171.研究發(fā)現(xiàn)，大腸桿菌的AI-2對(duì)霍亂弧菌感染的抑制作用在許多腸道微生物群中可能具有普遍性，甚至降低了霍亂弧菌的致病性[24,28].沙門(mén)氏菌病是人畜共患病之一，QS控制腸道沙門(mén)氏菌血清型的毒力[18].鼠傷寒沙門(mén)氏菌，是引起急性胃腸炎的主要病原菌之一，毒力表達(dá)也受QS控制[18].另外，其他腸道病原菌如銅綠假單胞菌產(chǎn)生綠膿桿菌素，金黃色葡萄球菌產(chǎn)生腸毒素[18][29]1-2，它們都與細(xì)菌QS信號(hào)的調(diào)控有關(guān).銅綠假單胞菌的QS通過(guò)AHL信號(hào)調(diào)節(jié)其毒力因子的表達(dá)和發(fā)病機(jī)制的發(fā)展[18].毒力因子的產(chǎn)生有助于細(xì)菌逃避宿主的免疫應(yīng)答并引起病理性損傷，對(duì)感染的發(fā)病機(jī)制至關(guān)重要[29]2，因此，如果對(duì)細(xì)菌的QS進(jìn)行破壞以控制毒力因子的產(chǎn)生，腸道疾病將會(huì)得到更有效治療.

4 總結(jié)與展望

消化道微生物是機(jī)體不可分割的組成部分.探究消化道微生物對(duì)機(jī)體的影響，有可能會(huì)揭示某些消化道疾病的病因.近年來(lái)，QS抑制劑(quorum sensing inhibitor，QSI)的研究成為熱點(diǎn).干擾細(xì)菌的QS通路，可控制細(xì)菌的相關(guān)生物學(xué)行為[30-31]，從而使QS能作為一個(gè)疾病治療的靶點(diǎn)[29]2-10.因此，研究細(xì)菌的QS具有重要的臨床意義和應(yīng)用前景.總之，QS在疾病中的作用日漸突顯，但QS在不同細(xì)菌中的不同調(diào)控機(jī)制以及細(xì)菌的QSI還需更深入的了解.未來(lái)在對(duì)QS研究和應(yīng)用的基礎(chǔ)上，將會(huì)有更多治療消化道疾病的新方法出現(xiàn).