Nature: 来自细菌的通告——群感效应简介
前言：
20世纪起，人们在微生物领域逐渐发现了类似动物之间的社会行为。例如，海洋发光细菌费氏弧菌（Vibvio fischeri）和哈氏弧菌（Vibrio harveyi）产生的信号分子可以诱导同类细菌发光。随着后续大量类似现象的发现以及对发光机制的深入研究，微生物群感效应的概念应运而生。迄今为止，科学家发现微生物群感效应与生物膜的形成以及动植物病原菌发病机制息息相关。也就是说，有望通过微生物群感效应来控制生物膜形成，以及研发治疗病原菌感染的新疗法。本文针对微生物的群感效应作出了简要介绍，比较全面地阐述了其机制及应用。
Progress in and promise of bacterial quorum sensing research
中文标题：细菌群体感应的研究进展与展望
期刊：Nature
年份：2017
作者：Marvin Whiteley 佐治亚理工学院
Stephen P. Diggle 佐治亚理工学院
E. Peter Greenberg 华盛顿大学，华南农业大学
1. 什么是群感效应
简单来说，细菌可以生产特定化学信号分子并且分泌到细胞外部，当胞外化学信号分子在局部环境中积累达到一定水平时，可以进入同类细菌体内激活特定基因的表达，这种现象叫做细菌的群体感应(Quorum-Sensing，简称QS)。
细菌自身可以合成小分子信号分子, 同类细菌则可以通过这些信号分子进行信息交流。当胞外信号分子浓度较低时, 它不足以与细胞中的转录调控蛋白结合，因而不能诱导目的基因的表达。当细菌数量增加时，信号分子浓度逐渐累积，达到一定阈值时，可以进入到细胞内和特定转录调节蛋白结合，形成转录调节蛋白-信号分子聚合物。聚合物能够结合到染色体的某个特定的DNA序列上，使包括信号分子合成基因在内的靶基因得到表达，同时生产更多的信号分子。这种微生物细胞信息交流现象被称为群感效应。目前在细菌、真菌以及病毒中都发现了群感效应。
我们结合费氏弧菌的例子来对群感效应机制进行解释：
费氏弧菌（V. fischeri）是一种可以通过群感效应诱导从而发出荧光的海洋微生物。费氏弧菌体内存在luxR和luxI基因控制群感效应的发生。其中luxl基因控制信号分子合成酶，可以产生AHL（高丝酰胺内酯）类信号分子，AHL的浓度在外部累积到一定水平时，可以进入到费氏弧菌内部与LuxR转录因子结合，然后结合物整合到特定DNA序列上从而激活luxICDABE操纵子表达，合成更多的AHL信号分子并发出荧光。
目前发现的细菌中存在的信号分子类型包括下图中所示的酯类物质及其衍生物，以及小肽类物质。
2. 为什么会出现群感效应
群感现象需要微生物个体合成信号分子并排出体外，这对于微生物个体来说是一个消耗能量的过程，因此只有当微生物探测到环境中存在充足的营养物质，以及有足够多的同种微生物细胞存在周围时，才能够引起微生物释放昂贵的群感效应分子信号，使得特定种类的微生物可以利用相关营养物质生存以及繁殖。
从进化的角度来讲，微生物中存在的群感效应可能与亲缘有关。简单来说，亲缘关系理论可以用来解释个体中存在的利他主义行为（即个体的利他主义有利于整个群体，但要求个体付出一定代价的行为），因为个体通过帮助亲缘物种繁殖，可以间接地传递它的基因到下一代。群感效应涉及的细菌可能具有亲缘关系，为了可以传递自己的基因到下一代，细菌发现所处环境中存在营养物质，通过消耗能量生成昂贵的群感效应信号分子，以吸引更多的同种微生物利用营养物质进行繁殖，进而可以将个体的基因传递下去。然而，亲缘关系选择在维持微生物的群感效应方面的解释也受到了一定质疑。有研究者认为亲缘关系选择是受空间结构影响，空间结构可以维持细菌之间的合作是因为空间结构（比如生物膜）使得细菌和亲属紧密联系在一起，因此对于群感效应的进化方面的原因有待进一步进行研究。
3. 群感效应中的“骗子”
群感效应可以控制信号分子的产生，而信号分子对于同类微生物来说属于胞外的公共物质，公共物质既对生产的细胞自身有益，也为周边的细胞提供利益。但是有研究发现了一个有趣的现象：昂贵的信号分子在被生产它的细菌利用的同时，也可以被一些“骗子”（Cheater）细菌利用，这些“骗子”细菌可以感应信号分子，但是却不生产信号分子，进而对产生信号分子的细菌造成影响。
以致病菌铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）的培养为例。铜绿假单胞菌利用蛋白质生长时可以通过群感效应来诱导胞外蛋白酶的产生，而群感效应突变菌株（即骗子细菌）却无法在蛋白质中独立生长。当两种菌株共同培养时，突变菌株可以利用铜绿假单胞菌的信号分子表现生长趋势，同时铜绿假单胞菌与骗子细菌混合感染时毒性相比单铜绿假单胞菌株感染的毒性更小。
4. 物种间的相互关系
之前介绍费氏弧菌的例子中我们提到了两个基因，luxR（编码与信号分子结合的蛋白）和luxI（控制信号分子合成）基因。通过鉴定luxR和luxI的同源基因可以来鉴定微生物中是否存在群感效应。研究发现在许多的革兰氏阴性菌种只存在luxR同源基因而不存在luxI同源基因，而更多的革兰氏阴性细菌大量luxR型基因而不是luxI-型基因，这些细菌只能感应别的微生物产生的信号分子。因此通过单luxR基因研究，可以鉴定只感应特定信号分子的微生物，进而了解微生物的种间关系以及微生物与动植物的种间关系。
例如，鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella typhimurium）的基因组中只存在 luxR同源基因sdiA，但是缺乏luxI同源基因，因而只能感应其他微生物产生的AHL信号。大肠杆菌（Escherichia coli）中也存在sdiA基因。但大肠杆菌的sdiA基因可以同时响应AHL和哺乳动物产生的小分子。
5. 群感效应与生物膜
生物膜是高密度的细菌集合体，经常聚集并且附着在一些基体上。与没有形成生物膜的微生物相比，生物膜中的微生物对于抗菌剂的耐受程度增强。群感效应可以影响生物膜构建以及生物膜对抗菌处理的忍受能力。研究发现群感效应在构建生物膜的过程中发挥了重要的作用，例如大肠杆菌的群体感应现象促进了生物膜的形成。另外，研究发现一些微生物的群感效应也会导致生物膜分解，比如在铜绿假单胞菌中的群感效应现象会抑制较大的细菌群体形成。尽管群体感应现象在生物膜形成过程中有重要作用，但是群感效应对于群聚体内部精细的空间组织是否也具有重要的作用，以及群聚体如何影响群感效应目前尚未清楚。为了回答这些问题，有必要在更加精细的尺度上对群感效应进行研究，比如细菌群聚体尺寸和群感效应控制的行为之间的关系，细菌群聚体之间产生群感效应信号分子的有效距离等。
6. 群感效应的淬灭以及在医疗中的应用
一些生物和非生物的因素可以对群感效应造成干扰进而抑制群感效应，这个过程叫做群感效应的淬灭。微生物和动物产生的一些酶可以降解信号分子进而造成群感效应的淬灭，两类主要的AHL信号分子降解酶是内酯酶和酰化酶。内酯酶通过水解破坏了信号分子的环状结构，而酰化酶则通过断开信号分子的酰胺键降解其结构。除了降解信号分子的途径，一些化学物质也可以通过抑制信号分子的合成途径，或抑制信号分子与蛋白的结合途径，从而造成群感效应的淬灭。
群感效应的淬灭为对抗细菌感染提供了新的思路，这是因为很多动植物致病菌致病性都与群感效应相关。通过对群感效应信号分子的抑制，可以用来治疗由具有群感效应能力的病原菌引起的感染。群感效应抑制的治疗方式可以追溯到20世纪90年代，研究方向澳大利亚大型藻类海洋红藻（Deliseapulchra）产生溴化呋喃酮时，可以对抗很多物种中产生AHL信号分子的微生物。重要的是，卤代呋喃酮在动物体内也是有效的，可以清除感染的老鼠肺部的铜绿假单胞菌。
举个例子，患有遗传性囊性纤维病的患者肺部容易受到具有毒性的铜绿假单胞菌的影响，且这种慢性感染无法通过抗生素治疗。研究发现患囊性纤维化者的肺部存在铜绿假单胞菌的细菌群聚体，可以通过群感效应激活毒力因子，但同时也存在铜绿假单胞菌突变体。引发毒力因子的细菌群感效应信号分子有两种受体蛋白，通过抑制这两种受体蛋白对信号分子的感应，便可以达到治疗感染的效果。
综上，目前研究中已发现降解AHL信号的酶以及大量群感效应信号受体和Luxl类型信号合成酶的小分子抑制剂。通过这些途径来抑制致病菌群感效应从而达到治疗感染的效果，为我们提供了治疗的新思路。但是目前药物的研发依然存在很多障碍和问题未解决，比如在动物体内无法发挥效用、群感效应抑制剂的使用范围有限，以及对于耐药菌出现的担忧等。目前也有观点认为因为群感效应抑制剂是抗毒性的药剂而不是抗微生物的药剂，抗性不太可能出现。抑制群感效应的方法不是杀死致病菌而是阻止毒性因子的产生，这种抗毒剂相比于传统的抗生素引起的导致抗性变异的选择压力很小，因而抗性出现的可能性较小，但是目前对于此仍然存在争议，有待后续实验进行探究。作者认为如果群感效应抑制在医疗方面的广泛应用，极有可能是通过与传统抗菌结合治疗结合的形式出现。
参考文献：
Whiteley M, Diggle S P, Greenberg E P.Progress in and promise of bacterial quorum sensing research[J]. Nature, 2017,551(7680): 313.
论文链接（点击查看原文）：
https://www.nature.com/articles/nature24624
中国科学院生态环境研究中心
环境生物技术重点实验室
邓晔 研究员课题组发布
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