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大多数情况下,环境中的细菌都不是以单个、液体浮游的形式存在,而是生长在一个复杂的群体中,这个群体往往包含一种或多种细菌。同时由于环境的变化差异较大,细菌必须具备通过感知外界环境变化调节相应基因的表达从而更加适应所处的环境的能力。尤其是对于致病菌而言,这一能力更加至关重要。因此,细菌在长期进化过程中形成了通过分泌自诱导物信号分子(autoinducer,AI)完成细胞与细胞间交流的重要机制,通常被称为群体感应(quorum sensing)。群体感应过程中,细菌合成并向胞外分泌信号分子。胞外聚集的信号小分子的浓度和细胞的数量成正相关,当信号分子的浓度达到一定阈值时,它们可以通过进入胞内或者与膜上的受体蛋白结合,产生一系列的调控作用,进而使整个菌群产生协调一致的基因表达变化,并采取一些对整个菌群有利的行为方式,从而使细菌完成群体感应的基因调控行为。在目前已发现的细菌信号感应系统中,以酰基高丝氨酸内酯AHL(autoinducer-1,AI-1)为信号分子的系统研究最为成熟,许多革兰氏阴性细菌,特别是变形杆菌类都以AHL作为种内群体感应的信号分子:革兰氏阳性细菌通常利用寡肽(oligopeptide)作为种内群体感应的信号分子;同时还有一种特殊的信号感应系统,既存在于革兰氏阴性菌,同时也存在于革兰氏阳性菌中,其信号分子被称为(autoinducer-2,AI-2)。与前两种自诱导物不同,革兰氏阴性菌的AHL与革兰氏阳性菌的寡肽特异性较高,主要负责种内细菌之间的通讯,而AI-2及其合成酶LuxS保守且广泛存在于细菌中,人们推测AI-2可能在细菌种间的通讯中起重要作用。此外,LuxS被证明在细菌中具备双重功能(代谢与信号),它既是甲基循环中一个重要的代谢酶,同时又在这一代谢过程中合成了副产物AI-2作为信号分子。目前的研究已经发现LuxS/AI-2系统可以调节哈氏弧菌(Vibrio harveyi)发光、大肠杆菌(Escherichia coli)的生物膜(biofilm)形成、霍乱弧菌(Vibrio cholera)的毒性以及绿脓杆菌(Pseudomonasaeruginosa)的致病性等等。然而,在革兰氏阳性菌中,尽管时有少量的表型层面的研究证据被报道,LuxS/AI-2系统是否具备信号调控的功能目前仍颇具争议,尤其在可以广泛引起人类疾病的重要致病菌如金黄色葡萄球菌中,这方面的研究工作还很不够。据目前所知,AI-2的合成通路非常保守,但AI-2的信号感应与传递机制在不同细菌种间是有差异的。目前,仅在少数几种细菌中,有关于AI-2的信号感应、传递及调控机制的研究报道,即哈氏弧菌、霍乱弧菌、沙门氏菌(SalmonellaTyphimurium)和大肠杆菌。在沙门氏菌和大肠杆菌中,早期被排出胞外的AI-2需要在对数后期被运回胞内来行使调控功能。在细胞生长的前期,AI-2不断在胞外聚集,而一旦细胞生长进入了稳定期,胞外AI-2的量则急剧下降。究其原因,AI-2是被Lsr转运体(Lsr transporter)运入了胞内。基因组上,lsr操纵子上游有一个反向转录的基因lsrR,编码蛋白LsrR。早期的研究证明,LsrR可以抑制lsr操纵子和它自身的转录。三级结构预测LsrR含有一个Helix-turn-helix(HTH)的DNA结合结构域,故推断它是通过直接与lsr和它自身基因的启动子区域结合产生抑制作用,不过之前还没有确切的证据。此外,据Xavier等人报道,LsrR还具有一个配体结合结构域,该结构域可与AI-2结合,即LsrR是群体感应信号分子AI-2在胞内的受体,故而推测其可作为AI-2在胞内的效应单元产生对下游靶基因的调控行为,转录组学的实验证据也证明LsrR缺陷的菌株中有近百个基因水平有明显变化,提示LsrR在细菌中可能做为一个重要的宏观转录因子(globalregulator)在群体感应行为中发挥主要作用。本课题通过DNA凝胶阻滞实验,首次证明LsrR抑制基因表达是通过直接结合于他们的启动子区域的方式,给出了LsrR可以作为转录因子行使功能的直接体外证据;通过DNA足迹法(DNA footprinting)实验,首次找到LsrR蛋白的特异性结合序列,为将来LsrR蛋白新的下游调控靶点的寻找提供了最直接的实验依据;通过生物信息学比对以及β-半乳糖苷酶活性实验,进一步对LsrR蛋白的特异性结合序列深入研究,发现在lsrR和lsrA的启动子的结合序列内,各有两个富含AT的区域对LsrR的结合至关重要。最后,我们通过体外磷酸化实验与凝胶阻滞实验,证明只有磷酸化的AI-2才可以解除LsrR对DNA的结合作用,这是对早前AI-2必须磷酸化才能行使功能的推论给出的体外的直接证据。此外,在金黄色葡萄球菌中,也展开实验对AI-2/LuxS系统是否具有信号调控功能进行了研究。我们通过基因敲除以及生物芯片实验,寻找那些受LuxS以及AI-2调控的基因,并且初步证明了在金葡菌中,AI-2极有可能也作为一种自诱导物信号分子,参与一系列生理活动的调控行为,如荚膜多糖的合成、生物膜形成以及药物敏感性等等。金黄色葡萄球菌NCTC8325的luxS敲除株与野生型相比,荚膜多糖合成加强,生物膜形成增强,对抑制细胞壁合成类的抗生素敏感性增强,自溶能力有所减弱,并可能因此而影响其致病性。而这些转变可以通过加入外源AI-2而产生程度不同的互补效应,极大的提示我们LuxS/AI-2系统或可以通过信号感应机制调节金黄色葡萄球菌的生理行为。