LuxS/AI-2型群体感应系统调控细菌生物被膜形成研究进展

生物被膜是大多数细菌在自然状态下的一种生长方式,使菌体具有浮游态时不具有的优势。它的形成和发展受到群体感应系统的调控,该系统是细菌依赖于群体密度而调控其生理行为的一种机制。其中LuxS/2型自诱导物（autoinducer 2,AI-2）群体感应系统又称种间群体感应系统,广泛存在于G＋及G－菌中。其信号分子AI-2被认为是种间通用的信号分子,参与调控多种细菌的生物被膜。此外,目前已发现多种LuxS/AI-2型群体感应系统抑制剂,它们可以影响许多细菌生物被膜的形成。目前研究人员已开始致力于揭示LuxS/AI-2型群体感应系统调控生物被膜形成的分子机制,这对于进一步理解LuxS/AI-2型群体感应系统与生物被膜的关系具有重要意义。     

基于LuxS的群体感应系统在乳酸菌共培养中的研究

群体感应是微生物调控群体行为的重要方式,基于LuxS的群体感应系统广泛存在于各种属细菌中。AI-2作为LuxS系统的信号分子,在细胞交流中起到关键作用。LuxS系统在多种乳酸菌共同作用完成发酵任务以及某些乳酸菌行使益生功能中发挥了重要作用。文中综述了AI-2的合成途径、转导方式并重点阐述LuxS系统对乳酸菌共培养过程中蛋白表达和基因转录的影响。对LuxS系统进行深入研究,必将进一步揭示多种乳酸菌共同发酵以及其完成益生功能的机理,为从分子水平调控乳酸菌的发酵和益生行为提供了可能。     

群体感应信号分子AI-2调控乳酸菌生物膜形成机制的研究进展

乳酸菌生物膜具有黏附性、抗逆性以及抗菌活性等多种物理特性和生理功能,被广泛应用于改善食品质构以及食品的生物保鲜中。乳酸菌生物膜的形成需经历附着、形成、成熟、老化脱落和重新附着5个阶段,其形成受到群体感应系统的调控。群体感应系统(quorum sensing system,QS)是细菌中广泛存在的一种基因表达调控系统,该系统通过信号分子靶向调控相关基因的表达,从而调控细菌的生理功能。LuxS/AI-2型QS是调控乳酸菌益生特性的主要群体感应系统。明悉乳酸菌的LuxS/AI-2型QS及其调控生物膜形成的机制,对于乳酸菌在食品工业中的进一步应用至关重要。重点介绍了乳酸菌生物膜的形成过程,以及LuxS/AI-2型QS调控乳酸菌生物膜形成的5个调控元件,即信号分子AI-2(autoinducer-2)、关键调控基因(luxS、tuf、fba、gap)、关键调控蛋白(LuxS、LacI、AraC、PadR以及Rbs家族蛋白)、信号分子AI-2的可能受体蛋白(LuxP、LsrB、RbsB和含有dCACHE结构域的受体蛋白)以及关键代谢路径的最新研究进展;总结了信号分子AI-2调控乳酸菌生物膜形成的可能分子机制,以及信号分子AI-2受体蛋白的筛选策略。希望为深入了解LuxS/AI-2型QS调控乳酸菌生物膜的形成提供理论指导。     

环境胁迫对屎肠球菌8-3 LuxS/AI-2群体感应系统的影响

以酸马奶酒中分离出的1 株高产信号分子AI-2（Autoinducer-2）的屎肠球菌（Enterococcus faecium）8-3为研究对象,通过改变菌株生长环境（pH值、温度、渗透压、营养条件）探究对菌株LuxS/AI-2群体感应系统的影响。采用生物学方法和实时荧光定量聚合酶链式反应法检测信号分子AI-2产量及相关基因luxS和pfs表达量的变化。结果表明：轻度酸性胁迫会诱导E. faecium 8-3信号分子AI-2的产生,碱性条件下菌体生长旺盛,菌体密度主要介导信号分子AI-2产生;在渗透压和低温胁迫时,E. faecium 8-3菌体密度和信号分子AI-2的产生同时受到抑制,菌体密度调控信号分子AI-2的产生;低6-82营养胁迫可以诱导E. faecium 8-3产信号分子AI-2。不同环境胁迫下E. faecium 8-3的luxS和pfs基因表达均有不同程度的变化,说明LuxS/AI-2群体感应系统参与菌株的抗逆过程。     

LuxS/AI-2群体感应系统对植物乳杆菌抵御环境胁迫的作用

LuxS/AI-2群体感应系统可介导乳酸菌种内和种间信号,其中自诱导因子-2(autoinducer-2,AI-2)对乳酸菌的益生菌活性(环境胁迫耐受、黏附和定植能力等)至关重要。然而,目前对于LuxS/AI-2群体感应系统在植物乳杆菌抵御多种环境胁迫中的调控作用仍有待系统研究。通过群体感应信号分子研究及实时荧光定量聚合酶链式反应,分析了环境胁迫下植物乳杆菌KLDS 1.0328信号分子AI-2产量及群体感应关键基因luxS和pfs的转录情况。结果表明:酸胁迫可诱导信号分子AI-2的产生,强酸及强碱胁迫下可显著促进luxS及pfs的转录(P<0.05)。低温25℃、高温50℃、质量分数6.0%NaCl及质量分数3.0% NaCl+3.0% KCl诱导的高渗透压胁迫均会显著抑制菌体的增殖和代谢产酸,并抑制信号分子AI-2的产生;25℃低温胁迫会上调luxS及pfs基因的转录。随着高渗胁迫程度的增强,luxS及pfs基因的转录水平均逐步上调。营养胁迫诱导植物乳杆菌KLDS 1.0328产生更多的信号分子AI-2;随营养胁迫程度的加剧,luxS的转录水平显著上调,在营养物质体积分数为20%时,luxS及pfs基因的转录均达到最高水平,而pfs基因的转录在营养物质被稀释至体积分数为40%~60%时被显著抑制(P<0.05)。研究结果表明,多种环境胁迫下LuxS/AI-2群体感应系统具有不同的变化规律,且在植物乳杆菌KLDS 1.0328的抗逆过程中发挥重要作用。     

传统腌渍蔬菜中高产AI-2信号分子乳酸菌的筛选及其益生特性

LuxS/AI-2作为种间交流群体感应系统常存在于乳酸菌中,具有调控其生物膜形成,耐酸、耐胆盐等益生特性。采用哈维氏弧菌BB170菌株报告法筛选产AI-2信号分子乳酸菌,利用PCR测序检测luxS基因的表达,通过耐酸、耐胆盐、抑菌性及细胞黏附性评价高产AI-2乳酸菌的益生特性。结果表明:从200株乳酸菌中筛选出10株产AI-2乳酸菌,其中植物乳杆菌SCT-2为高产AI-2信号菌株。验证菌株SCT-2中存在luxS群体感应调控基因。高产AI-2菌株SCT-2的耐酸和耐胆盐存活率分别为14%~92%和63%~89%,抑菌直径范围17.50~19.43 mm,黏附细胞数为102 CFU/细胞。与低产AI-2乳酸菌菌株比较,生物膜产量、耐酸、耐胆盐、抑菌率及黏附率分别提高111.4%,8%,15%,26.7%,197%。结论:luxS基因是AI-2信号合成的关键基因,LuxS/AI-2群体感应提高了乳酸菌的生物膜形成能力、耐酸性、耐胆盐性、抑菌能力及细胞黏附力等益生性,为开发良好益生特性的乳酸菌生物制剂提供了理论参考。     

微生物共培养促进植物乳杆菌RX-8高效合成细菌素的调控机制

目的:植物乳杆菌RX-8是一株分离自中国传统泡菜的益生菌,该菌株具有产Ⅱb类细菌素植物乳杆菌素(Plantaricin)EF的优良特性,然而产量较低。目前采用与外源微生物共培养的方式提高细菌素产量,然而共培养体系中具体的调控机制尚不清楚。本研究通过敲除种内群体感应信号分子的关键基因plnA,构建种内群体感应缺失的共培养体系,探究微生物共培养对于细菌素高效合成的内在机制。方法:构建基因缺失突变菌株植物乳杆菌ΔRX-8,通过突变菌株和野生菌株与枯草芽孢杆菌1.8715在共培养过程中的生长差异、信号分子分泌量变化以及相关基因的表达量,探究种间群体感应系统促进细菌素高效合成的作用机制。结果:在敲除关键基因plnA后,共培养中突变菌株生长曲线上与野生菌株并无明显差异,而细菌素产量有所下降。与纯培养相比,共培养体系中群体感应信号分子AI-2的分泌量在前期显著增加,而后趋于一致,从菌株水平上看并无明显差异。纯培养体系中,突变菌株的双组分系统plnBCD基因表达量略低于野生菌株,细菌素合成基因plnEF的表达量同样有所下降,然而,并不影响种间信号分子AI-2合成的基因LuxS和pfs的相对表达量。结论:在种内信号分子缺失的共培养体系中,种间信号分子可以正常分泌,种间群体感应系统可以发挥作用,推测可能存在共用双组分系统,共同促进细菌素的高效合成。     

植物乳杆菌HE-1由AI-2/LuxS介导的群体感应与生物膜形成关系的研究

本研究从AI-2/LuxS群体感应出发,研究植物乳杆菌HE-1的AI-2信号分子生成与生物膜形成的关系,同时对luxS基因进行扩增,从分子生物学角度验证菌株HE-1的AI-2信号分子产生。研究使用生物发光的方法检测植物乳杆菌HE-1不同培养时间AI-2的产生量;使用微孔板法确定不同时间点生物膜的生成量;之后使用PCR的方法扩增其luxS基因片段,对扩增片段进行同源性和系统发育分析。结果显示植物乳杆菌HE-1的生物膜生成时间和生成量与AI-2信号分子的产生时间和产生量非常吻合,luxS基因成功扩增,同源性分析显示植物乳杆菌HE-1与已知植物乳杆菌luxS基因同源性高达99%以上。分析实验结果得出植物乳杆菌HE-1生物膜生成与AI-2/LuxS群体感应系统二者之间有密切的关系,并且luxS基因的扩增成功和同源性分析从分子生物学上验证了植物乳杆菌HE-1具有产生AI-2信号分子的关键基因。     

食源性金黄色葡萄球菌生物膜形成调控与生物防控策略研究进展

生物膜是很多食源性致病菌应对各种极端环境、杀菌理化因子以及维持菌体内环境稳定的重要基质屏障。数据显示,有超过80%的细菌感染由生物膜引起,尤以金黄色葡萄球菌感染多见。食源性金黄色葡萄球菌是引发细菌性食物中毒和食品安全事故的重要风险源, 特别是多重耐药菌株。金黄色葡萄球菌的耐药性、致病性和免疫逃逸与生物膜复杂的三维结构有重大关系。由于生物膜结构基因和调控因子结构相对保守, 现已成为金黄色葡萄球菌生物防控新的重要的效应靶点。本文从多糖细胞间黏附素、胞外DNA和生物膜形成相关蛋白等角度阐明了生物膜形成机制,从群体感应系统（如Agr系统和LuxS/AI-2群体感应系统）、全局性调控因子（如附属调节因子Sar和转录因子SigB）以及双组分信号转导系统（如SrrAB系统、SaeRS系统、ArlSR系统、LytRS系统和WalKR系统）等角度系统阐述了生物膜形成调控机制。最后,从抗菌肽（蛋白）、植物源化合物、生物酶、抗菌药物等角度提出新的防控策略, 以期为食源性金黄色葡萄球菌的生物防控提供指导。     

群体感应信号分子AI-2高产乳酸菌株筛选及特性研究

为深入研究乳酸菌的群体感应系统,对8株乳酸菌产群体感应信号分子自体诱导剂-2(Autoinducer-2,AI-2)情况进行了检测,7株乳酸菌中检测到明显的AI-2信号分子,且其中3株产生AI-2信号极强;对高产AI-2的菌株,通过RT-PCR对乳酸菌luxS基因和LDH基因的表达情况进行了检测,发现高产AI-2的乳酸菌其luxS基因表达较强,而LDH基因表达较弱;最后分析了酸性环境与乳酸菌信号分子AI-2产量的相关性,结果表明培养基酸性越强,乳酸菌产AI-2信号越强。luxS基因是AI-2信号合成的关键基因,AI-2信号分子提高了乳酸菌的耐酸性,有利于乳酸菌通过群体感应信号调控肠道内的酸碱平衡和菌群平衡。     

Grapefruit juice and its furocoumarins inhibits autoinducer signaling and biofilm formation in bacteria

Cell-to-cell communications in bacteria mediated by small diffusible molecules termed as autoinducers (AI) are known to influence gene expression and pathogenicity. Oligopeptides and N-acylhomoserine lactones (AHL) are major AI molecules involved in intra-specific communication in gram-positive and gram-negative bacteria respectively, whereas boronated-diester molecules (AI-2) are involved in inter-specific communication among both gram-positive and gram-negative bacteria. Naturally occurring furocoumarins from grapefruit showed >95% inhibition of AI-1 and AI-2 activities based on the Vibrio harveyi based autoinducer bioassay. Grapefruit juice and furocoumarins also inhibited biofilm formation by Escherichia coli O157:H7, Salmonella typhimurium and Pseudomonas aeruginosa. These results suggest that grape fruit juice and furocoumarins could serve as a source to develop bacterial intervention strategies targeting microbial cell signaling processes.     

luxS基因介导乳酸菌益生特性研究进展

一些乳酸菌具有高肠道耐受性、高粘附肠上皮细胞和产具有抑菌活性的细菌素等益生特性。某些乳酸菌的细菌素合成量、耐受性及黏附特性可以被诱导物-2（autoinduction-2,AI-2）提高,AI-2是通过甲基循环合成的一种信号分子。luxS基因可以编码合成LuxS蛋白,而LuxS蛋白是AI-2合成的关键酶,因此展开对luxS在细菌素合成量和耐受性、黏附特性方面的作用研究具有重要意义。该文通过讨论luxS基因在乳酸菌益生特性的研究现状,提出该研究领域中存在的问题以及发展趋势,从而为提高乳酸菌的益生特性提供理论依据。     

植物源细菌群体感应抑制剂的研究进展

细菌耐药性的出现已经成为全球公共卫生关注的问题之一,而传统处理耐药性的方法正逐渐失效,寻找新的作用靶点来开发新型抗菌药物至关重要。研究表明,靶向微生物群体感应(Quorum sensing,QS)是一种较好的替代传统抗生素的方法。从自然界中寻找群体感应系统抑制剂(Quorum sensing inhibitor,QSI),尤其是植物源QSI,被认为是解决微生物致病性和食品腐败的有效方法。本文在现有的理论和研究基础上,对植物源细菌群体感应抑制剂的研究现状进行综述,展望了群体感应抑制剂的研发前景,以期为细菌群体感应在微生物耐药性和开发新型防腐剂中的应用提供参考。     

真空包装冷藏大菱鲆鱼片的货架期及其优势腐败菌群体感应检测

本研究以真空包装冷藏大菱鲆鱼片为研究对象,通过感官、微生物和化学指标评价其货架期,利用16Sr DNA方法对其贮藏初期和末期的微生物分布进行鉴定,并采用报告菌株法检测大菱鲆鱼片贮藏过程中两种类型群体感应信号分子(AHLs和AI-2)的产生情况,检测其优势腐败菌的群体感应类型。结果显示,大菱鲆鱼片在真空包装冷藏环境下可以贮藏9 d,此时细菌总数达6.87 logCFU/g,挥发性盐基氮含量为28.70 mg/100 g。对比初始和末期微生物种类变化,真空包装大菱鲆鱼片冷藏过程中的优势腐败菌主要为希瓦氏菌,其次为肠杆菌科细菌。群体感应信号分子AHLs和AI-2含量随贮藏时间延长而增加。贮藏末期分离的希瓦氏菌均能分泌AI-2信号分子,分泌能力因菌株而异。利用基因手段可从希瓦氏菌中扩增到AI-2的分泌基因lux S,表明lux S在产AI-2菌株中具有一定保守性,可能参与希瓦氏菌的腐败进程。     

Characterization of autoinducer 2 signal in Eikenella corrodens and its role in biofilm formation

Quorum sensing (QS) is a process by which bacteria communicate using secreted chemical signaling molecules called autoinducers (AIs). By this process, many bacterial species modulate the expression of a wide variety of physiological functions in response to changes in population density. In this study, the periodontal pathogen Eikenella corrodens was observed to secrete type 2 signaling molecules. An ortholog of luxS, the gene required for AI-2 synthesis in Vibrio harveyi, was isolated from the E. corrodens genome. A V. harveyi bioassay showed luxS functionality in E. corrodens and the ability of luxS to complement the luxS-negative phenotype of Escherichia coli DH5alpha. AI activity was detected in the supernatant, and the maximum expression of AI-2 was observed during the late exponential phase. To determine the potential role of luxS in the colonization processes, an E. corrodens luxS mutant was constructed and tested for its capacity to form an in vitro biofilm on a polystyrene surface. The biofilm forming efficiency of the luxS mutant was approximately 1.3-fold greater than that of the wild type. These data suggest that a LuxS-dependent signal plays a role in the biofilm formation by E. corrodens.