牛雪可， 康穎倩*

(1.貴州醫(yī)科大學 基礎醫(yī)學院 微生物學教研室， 貴州 貴陽 550025； 2.貴州省微生物與人類健康關系研究人才基地暨貴州省普通高校病原生物學特色重點實驗室， 貴州 貴陽 550025)

生態(tài)競爭是指某個生物體為自身生存需要而減少其他生物體生存或繁殖的過程，這種競爭可以分為剝削競爭及干擾競爭[1-2]。剝削競爭是間接發(fā)生的，表現(xiàn)為一個生物體消耗另一個生物體的資源，剝削競爭也發(fā)生在微生物中，當它們聚集并形成致密的群落(例如生物膜)時尤其強烈，主要表現(xiàn)為營養(yǎng)限制，在相同基因型和不同基因型的細胞間發(fā)生強烈的剝削競爭[3-4]。干擾競爭是指個體間直接互相傷害時產生的競爭[2]。在微生物中則是指傷害其他細胞的代謝產物的分泌，包括抗生素化合物及窒息聚合物的分泌[5-6]。共培養(yǎng)實驗表明，這些分泌因子往往決定了哪些基因型能在混合群落中占據(jù)優(yōu)勢[6]。在細菌群落中普遍存在剝削和干擾競爭，強烈影響細菌的多樣性結果[1-2]。目前，細菌已經進化出可直接檢測和響應生態(tài)競爭的方法，在細菌應激反應中表現(xiàn)為細菌間的相互作用，并調節(jié)一系列對其有利的行為(如繁殖)，被稱之為細菌的群體感應 (quorum sensing,QS)[7]。QS是一種社會特征[8]，QS通過調節(jié)細胞外公共產品的生產以控制細菌數(shù)量及多樣性[8-9]，包括調節(jié)有益公共產品和調節(jié)有害的公共產品。本文就近年來微生物群落多樣性與QS的相關研究進展進行綜述。

1 QS的研究概況

QS首次發(fā)現(xiàn)于20世紀60年代，有研究發(fā)現(xiàn)肺炎鏈球菌(Streptococcuspneumoniae)的遺傳及兩種海洋細菌的發(fā)光能力的成分均屬于它們非自身產生的細胞外成分[10]。至20世紀80年代來自海洋細菌費氏弧菌(Vibriofischeri)的發(fā)光基因被鑒定出來，luxI和luxR所需的基因被用于控制lux基因轉錄[11]；而來自費氏弧菌的QS信號被確定為N-3-氧代己?；?1-高絲氨酸內酯[12]。隨后，來自肺炎鏈球菌的QS信號顯示信息素[13]，金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)使用的小環(huán)肽信息素[14]，均被證明是可以激活產生細胞外毒素的基因。以上發(fā)現(xiàn)表明通過不同的化學信號顯示的QS在革蘭陽性和革蘭陰性細菌中均有發(fā)生。而混合微生物群落中的許多物種的細胞則通過自誘導劑(AI-2)進行QS感知一般細菌種群的密度[15]。有研究發(fā)現(xiàn)真核微生物(如念珠菌或組織胞漿)及病毒的QS系統(tǒng)[16]，提供了QS與自然選擇驅動的社會特征的進化動力學趨同進化的證明。

2 QS與有益的公共產品

QS通過調節(jié)有益的公共產品以限制作弊者來調節(jié)群落中微生物種類和數(shù)量，從而對微生物多樣性產生影響。有益的公共產品受到QS和產生者的共同監(jiān)管，以便在滿足微生物數(shù)量上限及充足養(yǎng)分供應這兩個條件時生產公共產品。由于公共產品的生產成本很高，因此會被非生產性作弊所利用[17-18]，這種作弊利用導致了細菌的社會困境。為此QS調節(jié)有益的公共產品使公共產品直接供應給生產細胞，利用剝削競爭中的營養(yǎng)限制以限制作弊者，同時生產細胞在維持微生物類群間的合作者及其親屬間進行合作產生，依靠合作產品維持群落的緊密空間結構，兩者協(xié)作從而解決了細菌的這一社會困境[19]。例如空間結構化群體-表面相關的微生物群落生物膜的結構有助于限制作弊者的入侵[20]。

生物膜被定義為高密度細菌簇，常附著于細胞表面并包裹在細胞外聚合物基質中[21]。20世紀80年代有學者開始研究生物膜群落中的QS，最常使用的實驗室生物膜系統(tǒng)為流動池，研究時在有小通道的流動池(將營養(yǎng)培養(yǎng)基通過小通道連續(xù)泵送供給生物膜)覆蓋蓋玻片，使用共聚焦掃描激光顯微鏡對在撥片上生長的生物膜進行成像[22]，結果發(fā)現(xiàn)QS可以影響生物膜結構及生物膜耐受抗菌治療的能力[23]。QS對于生物膜的構建及拆卸至關重要，在對QS與生物膜形成之間的聯(lián)系、評估微生物社會行為如何影響其增長模式的研究中，發(fā)現(xiàn)這種聯(lián)系取決于環(huán)境條件，即環(huán)境條件和細胞通信之間存在相互作用。一些天然存在的微生物生物膜含有數(shù)百至數(shù)千個細胞，由微米級聚集體組成[24]。微流體和激光打印技術研究發(fā)現(xiàn)直徑約25 μm的聚集體表現(xiàn)出強烈的QS，而直徑<10 μm的聚集體表現(xiàn)出較少的QS依賴性基因表達[25]。如銅綠假單胞菌，當被限制在8 μL捕集器內時，至少500個銅綠假單胞菌細胞產生 QS控制的外源性綠膿菌素，證明這種大小的聚集體能夠在開放系統(tǒng)中啟動社會行為[26]。天然聚集體與實驗室生物膜研究均證明生物膜能增強微生物群落的抗菌耐受性，得出了QS參與聚集體形成的假設。這一假設通過對菠蘿泛菌(Pantoeaananatis)、球形紅細菌(Rhodobactersphaeroides)、伯克氏菌(Burkholderiathailandensis)及大腸桿菌(E.coli)的研究得到了證實[16]。

3 QS與有害的公共產品

生態(tài)競爭的應激反應通常與毒素的釋放有關，因為在細菌群落中，生態(tài)競爭通常存在外來基因型和進化的基因型。而細菌群體則通過毒素的作用來描述QS在調節(jié)微生物多樣性中的作用。細菌產生的毒素會引起細菌損傷，細菌通常會釋放殺死其它細菌的毒素，來分解其它基因型的單細胞[27]。毒素在辨別進化功能中特別有用，它已經進化到能夠影響其它細菌活動，最終殺死其它細菌，如針對其他細菌的窄譜抗生素細菌素、對代謝和營養(yǎng)產生多種潛在影響的綠膿菌素[28]。毒素調節(jié)的微生物多樣性表現(xiàn)為，一方面細菌通過由QS介導的與群落中微生物數(shù)量相關的信息來感受生態(tài)競爭，其中自我細胞的密度是調節(jié)關鍵因素，毒素的作用通過QS調節(jié)群落微生物數(shù)量，以QS調節(jié)確保群落中有足夠的與自身具有相同基因型的細菌來分泌毒素或促進生長產物；另一方面QS信息也可以預測生態(tài)競爭的強度，微生物群落的多樣性潛力 - QS意味著種群密度信息不僅作用于自身，也可能是自我細胞檢測其它人產生的特定信號的基因型，信號分子的高度特異性有可能區(qū)分種群密度信息，因為它可以識別特定的菌株或物種是進化的競爭者，例如奇異變形桿菌(Proteusmirabilis)可以檢測物種中的其它基因型菌株并識別未來的競爭者，或者存在具有群體感應受體的菌株它們不產生的分子，如LuxR因子。

AHLs信號分子由 LuxI 型蛋白合成酶合成，它伴隨細菌密度的增加濃度不斷增大，當?shù)竭_一定程度能被轉錄調節(jié)蛋白 LuxR 型蛋白所感知，調控特定基因的表達[29]。LuxR型轉錄因子由兩個結構域組成，即N-末端信號結合結構域和C-末端DNA結合結構域。通過對 LuxI/LuxR 為基礎的QS進行了研究發(fā)現(xiàn)，銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)等多種致病菌均有該套群體感應系統(tǒng)，以控制自身毒力基因的表達。通過對鼠傷寒沙門氏菌(Salmonellatyphimurium)基因組的比對發(fā)現(xiàn)了第1個LuxRsolo同源物。鼠傷寒沙門氏菌的基因組具有稱為sdiA的luxR同源物，但它不具有l(wèi)uxI型基因，且鼠傷寒沙門氏菌也不產生AHLs[30]。在鼠傷寒沙門氏菌中，sdiA基因可以響應其他細菌產生的AHL 信號分子，從而能導致特定基因的激活[31]。在大腸桿菌中也有sdiA基因，大腸桿菌SdiA對AHL和哺乳動物宿主產生的小分子有反應[32]。事實上，許多革蘭陰性菌具有l(wèi)uxR型基因并且不具有l(wèi)uxI型基因。但LuxR及其同源物能響應群落中其他基因型的AHLs信號，識別競爭者，調控包括生物被膜形成、發(fā)光、毒力因子釋放、泳動能力和蛋白酶活性基因的表達等，通過干擾競爭減少其它基因型菌株數(shù)量，最終調節(jié)微生物群落中不同基因型數(shù)量級種類，達到調節(jié)群落中生物多樣性的目的。

4 展望

微生物群落中的干擾和剝削競爭，是影響微生物對微生物多樣性的關鍵因素，它通過QS調控信號表達來實現(xiàn)，QS具體機制尚未完全清楚，還有很多需要研究。闡明QS在自然生態(tài)系統(tǒng)中的作用和功能，需要對微生物群落的復雜性并引入系統(tǒng)生態(tài)學原理來繼續(xù)研究。目前細菌QS活動研究領域繼續(xù)擴大，哺乳動物腸道微生物組的研究已經發(fā)現(xiàn)QS如何影響微生物組的物種組成，許多細菌物種產生的AI-2分子促進Firmicutes對擬桿菌的腸道定殖，并且腸道共生細菌產生AI-2可以限制霍亂弧菌(Vibriocholerae)感染[33-34]。盡管哺乳動物腸道中細菌的相互作用復雜，但研究已經涉及QS參與這些微生物群落可以提供干預腸道失調的機會、宿主生物如何通過進化機制來影響細菌QS從而塑造其微生物組方面。有學者正嘗試使用化學或使用益生菌的方法影響QS進而操縱微生物群落，調控這些在人類腸道和人類慢性感染等多種環(huán)境中的微生物群落，作為一種治療細菌感染的途徑。因此對細菌群體感應與多樣性關系研究具有巨大的研究意義和研究前景。