群体感应系统及其抑制剂对细菌生物被膜调控的研究进展

随着对生物被膜认识的不断深入，研究发现，医疗设备、工业或饮水系统管道以及食品等表面均可以形成细菌生物被膜。同时生物被膜能够保护细菌免受环境胁迫，且对噬菌体、多种化学杀菌剂、宿主免疫系统以及抗生素具有抗性或耐药性，因此容易造成环境污染以及人类与动物感染等问题。

群体感应系统在调控细菌生物被膜形成过程中发挥至关重要的作用；因此干扰这种调控作用为控制细菌生物被膜的危害提供了重要靶标。群体感应抑制剂是一类通过影响群体感应系统来干扰细菌生物被膜形成和毒力因子合成等行为的物质。同时，群体感应抑制剂不会对细菌生长产生胁迫，避免了细菌抗药性的产生。对群体感应抑制剂的研究为干扰环境和人类疾病中生物被膜形成的策略提供了重要基础。

中国农业大学食品科学与营养工程学院、精准营养与食品质量重点实验室以及教育部功能乳品重点实验室的肖梦圆、武瑞赟和李平兰*等人以铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌和大肠杆菌为例，综述QS系统在调控细菌生物被膜形成过程中的重要作用，介绍QSI通过抑制信号分子合成、酶解信号分子以及干扰信号分子与受体结合等作用途径，干扰细菌生物被膜的形成，以期为细菌生物被膜慢性感染的预防和治疗开辟新路径提供参考。

1 群体感应对细菌生物被膜形成的调控作用

1.1 细菌生物被膜

细菌生物被膜由EPS和细菌菌体两部分构成。EPS基质厚度为0.2～1.0 μm，占生物被膜体积的65%～95%，其组成包括蛋白质（＞2%（质量分数，下同））、多糖（1%～2%）、DNA（＜1%）、RNA（＜1%）和水（97%）等，且水分质量分数决定了生物被膜中必需营养物质的流动。细菌生物被膜的形成取决于细菌、附着表面和周围介质三者间的相互作用。

细菌生物被膜的形成一般分为3 个阶段。第1阶段，细菌初始黏附于表面。第2阶段，生物被膜的成熟。第3阶段，生物被膜的分散。铜绿假单胞菌生物被膜形成的过程如图1所示。

1.2 细菌群体感应

群体感应是细菌之间用来沟通和协调相互行为和功能的过程，调控多种生理过程，如生物发光、抗生素的合成、质粒接合转移、生物被膜形成以及毒力因子的产生等。细菌的群体感应主要存在以AI-1、AI-2、AI-3为信号分子的3 种群体感应系统。

1.3 群体感应对细菌生物被膜的调控

群体感应是细菌生物被膜形成的调控途径之一，其通过调节鞭毛、胞外多糖、黏附素、表面活性剂等物质的合成基因从而影响细菌生物被膜的形成。铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌作为主要的细菌被膜侵染菌，已被广泛用于群体感应对细菌生物被膜调控作用的研究中。

• 铜绿假单胞菌

铜绿假单胞菌具有3 个主要的群体感应系统，分别是lasI/lasR系统、rhlI/rhlR系统以及基于喹诺酮信号（PQS）的群体感应系统（图2）。群体感应信号分子3-oxo-C12-HSL是铜绿假单胞菌生物被膜形成所必需的，阻止3-Oxo-C12-HSL的合成会导致铜绿假单胞菌生物被膜的分化受阻，形成异常的生物被膜。铜绿假单胞菌主要产生3 种胞外多糖：藻酸盐、Pel和Psl，它们对生物被膜形成和对抗生素抗性具有关键作用。

• 金黄色葡萄球菌

金黄色葡萄球菌毒力因子的产生以及生物被膜的形成主要是受到由信号分子AIP介导的agr群体感应系统的调控（图3）。此外，金黄色葡萄球菌还具有其他的群体感应系统，如sae系统参与毒力因子的调控，sae突变体产生的溶血素和凝固酶明显减少；arl系统抑制溶血素和外切酶的产生，调节自溶活性以及金黄色葡萄球菌的多药外排泵NorA；srr系统调节能量代谢过程，该系统的信号分子可能是甲萘醌，一种氧化呼吸途径的中间体。

• 大肠杆菌

大肠杆菌中不含有编码AHL合成酶的luxI基因，因此无法合成AHL，但菌体自身含有LuxR同源物SdiA，可响应环境中其他细菌产生的AHL以调节uvrY（毒力因子调控）和csrA（负责细菌的运动性和鞭毛的生物合成）等基因的表达，从而促进大肠杆菌生物被膜形成、运动性和毒力因子的合成。大肠杆菌luxS基因合成AI-2。AI-2合成后被释放到细胞外环境中，当达到临界阈值时，通过转运蛋白LsrABCD（一种ABC转运蛋白）进入细胞，然后AI-2被LsrK激酶磷酸化，磷酸化AI-2结合同源转录调节因子LsrR并抑制基因表达（图4）。肠道致病性大肠杆菌还可利用AI-3群体感应系统控制黏附素和其他毒力因子的合成。群体感应系统对大肠杆菌生物被膜的形成不可或缺。

2 群体感应抑制剂干扰细菌生物被膜形成的研究

群体感应抑制剂通过不同机制干扰细菌生物被膜的形成，主要包括：1）抑制信号分子合成；2）酶解信号分子；3）利用信号分子类似物与信号分子竞争结合受体（图5）。这些具有生物活性的群体感应抑制剂的使用，通过破坏生物被膜和减少抗生素剂量优化了感染性疾病治疗的效果。

2.1 抑制信号分子合成

AHL以SAM和酰基载体蛋白为底物合成，因此，可以将SAM合成的抑制剂用作AHL的群体感应抑制剂。SAH、5-甲基硫代腺苷（MTA）等SAM类似物和环亮氨酸等SAM生物合成抑制剂均可以抑制AHL的合成。抑制AHL合成过程中某一种酶的活性，也可阻断AHL的合成。由于甲硫腺苷核苷酶和SRH酶是AI-2信号分子合成中的关键酶，且仅存在于细菌中，因此可以作为群体感应抑制剂的靶标，从而抑制AI-2信号分子的合成。

2.2 酶解信号分子

信号分子合成后，对其酶解可防止其积累和激活群体感应系统。降解群体感应信号分子的酶称为群体猝灭（QQ）酶。常见的芽孢杆菌属、铜绿假单胞菌、不动杆菌属、代尔夫特食酸菌、鞘氨醇单胞菌属、根癌农杆菌、节杆菌属和肺炎克雷伯菌均可以产生能够降解AHL的酶。目前，关于降解AIP和AI-2的QQ酶研究较少。虽然降解信号分子的酶有很多种，但这些酶存在活性偏低、活性受环境影响较大、且专一性不够高等缺点，因此，仍需要进一步对群体感应信号分子降解酶进行筛选和改性研究。

2.3 信号分子类似物

AIP的截短类似物、修饰AHL酰基侧链和内酯后形成的AHL类似物以及AI-2和DPD类似物，可以竞争性地抑制信号分子与受体结合，从而阻断群体感应通路的激活。卤代呋喃酮与AHL结构相似，可参与铜绿假单胞菌群体感应的 rhl系统，影响生物被膜形成相关基因的表达，改变生物被膜的结构，促进细菌从生物被膜中脱落。

结 论

由于生物被膜可以保护细菌在恶劣环境中生存，常规的抗生素和杀菌剂不能穿透胞外基质，导致细菌对抗生素和杀菌剂敏感性下降，因此与生物被膜相关的污染在环境、食品以及人类与动物感染性疾病方面造成了严重的问题。群体感应是调控细菌生物被膜形成的关键。

尽管目前关于群体感应调控生物被膜的形成、成熟和分散过程的机制尚不清晰，但已提出群体感应抑制剂可作为新型抗生物被膜剂。目前，许多已知的群体感应抑制剂具有细胞毒性，但对其抑制群体感应系统的机理知之甚少，并且这些群体感应抑制剂的安全性有待进一步探究。因此，需要进行更深入的研究以确定群体感应抑制剂在生物被膜形成、维持和扩散中的作用，结合体内以及临床实验，开发低毒、高活性的群体感应抑制剂，为未来在细菌感染的治疗中提供更大的应用价值。

本文《群体感应系统及其抑制剂对细菌生物被膜调控的研究进展》来源于《食品科学》2020年41卷13期227-234页，作者：肖梦圆，武瑞赟，谭春明，李平兰。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20200109-115。点击下 阅读原文 即可查看文章相关信息。

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