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            技術文獻
            群體感應淬滅酶的研究進展
                    微生物之間通過信號分子進行信息交流,對外界環境變化進行群體性應答,稱之為群體感應(Quorum Sensing,QS)。群體感應在協調細菌群體基因的同步表達以及細菌某些生物學功能上起著非常重要的作用。?;呓z氨酸內酯(AHLs)是在眾多的群體感應信號分子中目前研究最深入全面的,它參與許多細菌生物學功能的調控如生物發光、抗生素的合成、質粒接合轉移、生物膜的形成等等,此類信號分子可以通過酶來降解,這些酶被人們形象地稱之為“群體感應淬滅酶”。群體感應機制極為復雜,目前許多微生物可以產生AHL,也可以產生AHL降解酶,但對其調控機理仍不甚了解。
                原核生物之間和原核生物與真核生物之間的相互作用在自然生態系統中是普遍存在的。近幾年來人們已經從一些原核生物和真核生物中鑒定出一些群體感應淬滅酶和抑制劑,這些群體感應淬滅酶可以降解群體感應系統的信號分子AHL,干擾細菌群體感應系統,破壞其參與調控的生物學功能,尤其重要的是,群體感應淬滅酶可降解動植物病原菌致病因子產生的AHL,減輕和消除病原菌的致病性,是實現防治動物病害策略的關鍵因子。
            1 群體感應淬滅酶的存在
                1.1 原核生物中的群體感應淬滅酶
            研究發現,許多植物和動物中的病原菌如歐文氏胡蘿卜軟腐病菌、菊歐文氏菌、玉米細菌性枯萎病菌、銅綠假單胞菌、嗜線蟲致病桿菌等都是依耐AHL信號分子來調控致病因子的生成。
                目前鑒定出的AHL降解酶主要分為?;呓z氨酸內酯酶(AHL-lactonase)和?;呓z氨酸內酯?;D移酶(AHL-acylase)。在群體感應的其他信號分子中,如AIP和AI-2中,目前還沒有發現有直接水解活性的酶存在。
                首先報道的的編碼群體感應淬滅酶的基因是從革蘭氏陽性菌芽孢桿菌(Bacillus sp.)240B1中克隆得到的aiiA,后來的研究表明其編碼一個擁有250個氨基酸的AHL水解酶。迄今為止,已經報道并研究的含群體感應淬滅酶活性的菌種超過10種,其中大多數編碼AHL降解酶的基因已經被克隆并加以研究,研究結果表明,編碼AHL降解酶的基因可能廣泛地存在于許多原核生物中。
                不同來源的AHL降解酶在氨基酸序列上也有所不同。芽孢桿菌XJ12B的AHL?;D移酶和P.aeruginosa PAO1的AHL?;D移酶(氨酰酶)的序列相似性只有39%。系統發育分析顯示,原核生物中的AHL內酯酶可以劃歸為兩個簇,即AiiA簇和AttM簇。芽孢桿菌中得到的AHL內酯酶都屬于AiiA簇,雖然AiiA簇和AttM簇之間的序列相似性低于25%,但它們都含有一個高度保守的HXDH~H~D結構域。目前,許多群體感應信號分子降解酶的作用機理尚待進一步研究,以此為基礎有望設計更為有效的群體感應淬滅劑。
            1.2 真核生物中的群體感應淬滅酶
                當真核生物宿主不斷遭遇病原微生物的侵染時,在漫長的進化進程中,真核生物會逐漸形成一定的機制破壞細菌的群體感應信號系統,抵御病原菌入侵。至今已報道的真核生物中的AHL降解酶有3種。一種是豬腎臟中的?;D移酶,能夠使C4-HSL和C8-HSL脫?;?,產生L-高絲氨酸。第二種是Greenberg等在動物細胞中檢測到的使C6-HSL失活的酶,研究表明其可能是由PON基因編碼的對氧磷酶。第三種是在植物狀巖褐藻中發現的鹵素過氧化物酶,其可以催化產生鹵素氧化物破壞AHL信號分子,目前還沒有發現其他植物能產生降解細菌信號分子的酶的報道。
            2 群體感應淬滅酶的作用機制和特性
                不同微生物產生的AHL信號分子有著高度的保守性,他們都含有相同的高絲氨酸內酯環狀結構,不同之處是碳鏈長短不一,以及?;鶄孺溕系娜〈灰粯?。在群體感應淬滅酶中,內酯酶和脫羧酶可以在標有1和2的位置上水解內酯環使之成為?;呓z氨酸,而?;D移酶和脫氨酶可以在標有3和4的位置作用,使高絲氨酸內酯環與?;鶄孺湻蛛x生成脂肪酸和高絲氨酸內酯(見圖1)。然而目前只鑒定出?;呓z氨酸酶和?;呓z氨酸氨基轉移酶,他們分別水解內酯環和酰胺鍵。


            對酶催化作用非常重要的“His106-X-Asp108-His109-59X-His169-21X-Asp191”序列在所有的AHL內酯酶中高度保守,是AHL內酯酶活性的必須成分,這個結構域與許多金屬水解酶中Zn2+結合結構域有相似之處。Thomas等報道指出,從蘇云金芽孢桿菌中得到的AHL內酯酶是一個金屬蛋白酶,結合Zn2+離子對酶活性至關重要。盡管對PON酶降解AHL的作用機制尚不甚了解,但是PON酶對多種內酯的水解能力已經得到證實。
            AHL內酯酶和PON類內酯酶的底物譜系也有不同。PON酶更像是廣譜性的水解酶,能水解各種酯和內酯,但AHL內酯酶是目前發現的最具特異性的AHL降解酶,只對各種AHL表現出很強的酶活性,對于其它化合物如非?;膬弱プ饔没钚院艿蜕踔翛]有。
            3 群體感應淬滅酶的生物學功能
                自然界中有許多微生物可以產生AHL降解酶。研究表明,蘇云金芽孢桿菌可以通過產生AHL內酯酶來抑制植物病原菌歐文氏胡蘿卜軟腐病菌致病因子表達,但并不影響菌體本身的生長。而aiiA基因突變株則不能阻止病原菌的群體感應系統信號轉導,導致病原菌的迅速擴展。這些結果說明AHL內酯酶可以影響微生物不同種群之間的相互作用,提高其產生菌的環境競爭能力。
                哺乳動物細胞中能夠降解AHL的酶可能是對氧磷酶家族,至少有三個成員組成,即、PON1、PON2、PON3。他們似乎具有多種保護性功能。PON1能水解毒性有機磷,并且可以通過水解氧化膽固醇的衍生物和磷脂衍生物防治動脈硬化。人體中的PON2、PON3酶不能或只能有限地水解有機磷,但可以水解芳香族化合物和脂肪族內酯,并且具有抗氧化性。
            4 群體感應淬滅酶的應用
                群體感應淬滅酶可以用來生物防治有細菌群體感應系統介導的細菌病害。研究表明,在動植物病原菌中表達異源的AHL內酯酶和AHL酰胺酶均能顯著減輕致病菌的致病力。
                群體感應控制技術用于有害水生菌株防控也表現出潛在的應用價值。丁賢等(2010)從水生態環境中篩選出具有降解群體感應信號分子活性的微生物,其降解酶具有抑制水產病害弧菌菌膜形成及降低其致病性的潛在效果。
                現在討論群體感應淬滅酶在藥理學上的潛在應用似乎有些為時過早,因為還有很多特性如酶的轉運、穩定性、功效、毒性和副作用等等有待研究。進一步的研究要證明是否這些群體感應淬滅酶能作為光譜的保護性藥物蛋白,以及AiiA和AttM兩簇的AHL內酯酶是否也具有與PON酶相似的抗氧化作用。
            總之,細菌群體感應淬滅酶的發現和研究為生物防治依賴群體感應的細菌侵染提供了可能的途徑,也對研究他們在宿主中的作用和對生態系統的潛在影響提出挑戰。
            5 展望
                群體感應系統參與調控細菌特定的生物學功能一直被關注,實際上細菌在自然環境中并非處于純培養狀態,他們時刻與周圍微生物群落相互競爭與共存。群體感應可能也只是細菌廣泛使用的信息交流調節機制之一。目前,只有少數細菌的群體感應特征及其調控作用被發現和研究。由于群體感應信號分子的多樣性及其機制的復雜性,要將其研究成果運用于實際臨床治療中還有一段距離。進一步揭示細菌群體感應可能在細菌生態學、細菌-細菌相互作用、細菌-宿主相互作用等信號傳遞和調控中的重要作用,將成為生物防控領域的研究發展趨勢,這些自然規律的探索和闡明將有助于通過淬滅病原菌群體感應系統而控制病原菌,構建生態防控病原菌新技術,就有十分誘人的發展前景。
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