第一節 群體感應發現的時間線

一 概述

細菌最開始被認為是獨立的個體，但經過50多年的研究發現，細菌并非獨立工作，而是利用復雜的細胞間通信網絡來協調集體行為，以應對環境挑戰。細菌在生長過程中能夠釋放特定的自誘導分子(autoinducer, AI)來感知菌群密度的變化。當自誘導分子隨種群密度的增加積累到一定的濃度閾值時，可與相應的受體蛋白結合，引起受體蛋白構象或基團的變化，進而啟動一系列相關基因的表達，從而調節細菌的群體行為，這種現象被稱為群體感應。本節將主要介紹群體感應發現的時間線。

二 群體感應發現的時間線

群體感應研究的起源可以追溯至20世紀中葉。1965年，美國洛克菲勒研究所發現肺炎鏈球菌的“轉化能力”需要依賴其產生的一些胞外分子，這些胞外分子可以在細胞之間進行信號傳遞，該現象被認為是一種化學通訊形式[1]。“轉化能力”指的是一些細胞能夠吸收具有生物活性的DNA分子并進行遺傳轉化的能力，是某些肺炎鏈球菌菌株的遺傳特性。該研究首次提供了細胞外激素樣分子可以促進細菌群體行為的證據。鏈球菌的“轉化能力”僅在時間相對較短的對數生長中晚期才能在大多數細菌中表達。此時，通過標記多倍的DNA，可以觀察到種群內大部分細菌進行轉化的現象。這種肺炎鏈球菌能力特性的一致性和同步性表達似乎由一些能夠影響細胞隨機分裂的環境因素或內源性因素所控制。在細菌密度較低時，這種表型在大多數菌群成員中是“受抑制的”。傳統觀點認為細菌群體缺乏特定的細胞間通信機制，但該研究成果卻挑戰了這一觀點，并提出：細菌種群可以被視為一個生物單元，其成員之間有暫時的、相當大的協調性。該研究成果揭示了細菌種群中一種原始的、暫時的“分化”現象。

1970年，哈佛大學學者Nealson在海洋細菌費氏弧菌(Vibrio fischeri)和哈維氏弧菌(Vibrio harveyi)中發現了群體感應控制的生物發光現象[2]。研究者觀察到在培養液中，細菌的生長和發光性狀的產生并不同步，發光性狀相對滯后，且只在對數生長期的中期才開始。在此期間，發光性狀的出現和增長速度遠遠超過細菌數量的增長速度。深入的研究發現，在新鮮接種的培養液中，熒光素酶基因（或操縱子）受到抑制；而在細菌指數生長期時，熒光素酶基因被激活，并快速、優先地合成熒光素酶。研究者把這種現象稱為“自動感應”(autoinduction)。此外，關于費氏弧菌的研究還發現，生物熒光的產生與細菌的種群密度有關：在群體密度低時，細菌不產生熒光；但當群體密度達到一定閾值時，細菌便會迅速地產生熒光。因此，該現象又被稱為細胞密度依賴現象(cell density dependent phenomenon)。但這些發現在此后的10~20年未引起重視，直到 20 世紀 80 年代，才再次取得了突破性進展。

1981年，Eberhard發現在某些發光的細菌中，細菌熒光素酶的合成需要一定閾值濃度的自誘導因子，該自誘導因子由細菌合成并分泌到培養液中。研究者從無細胞培養液中分離出菲舍里光桿菌(Photobacterium fischeri, P fischeri)分泌的自誘導因子，其結構為N-（3-氧代己基）-3-氨基二氫-2(3H)-呋喃酮[或N-（β-酮己基）高絲氨酸內酯][3]。菲舍里光桿菌的自誘導因子是第一個化學結構被確定為酰基高絲氨酸內酯(acyl homoserine lactone, AHL)的自誘導因子。這種小分子是一種特殊的基因調節因子，只有當它分泌到培養液中并積累到一定濃度時才發揮作用，但當時它在自然環境中的作用還未知。

1983年，Engebrecht等確定了海洋細菌費氏弧菌的發光基因為lux，并證明了luxI和luxR控制lux基因的轉錄[4]。他們在含有費氏弧菌DNA的雜交質粒克隆文庫中發現了發光的重組大腸埃希菌。所有的發光克隆株基因組均有一個16kb的插入片段，它編碼了光反應酶的活性以及發光表型表達所必需的調節功能。從這些調控關系出發，研究者們提出了一個光生產的遺傳控制模型：在細菌密度較低時合成用于光生產的自誘導分子和酶，直到達到自誘導分子的臨界濃度（預誘導）。此時，足夠多的自誘導分子與操縱子L編碼的受體相互作用，并激活操縱子R的轉錄以產生更多的自誘導分子。這進一步增加了操縱子R的轉錄，導致光生產的速度呈指數增長（見圖1-1-1）。1984年，該團隊確定了7個lux基因及其相應的基因產物[5]。這些基因按線性關系圖上所示的位置順序排列依次為luxR(27000)、luxI(25000)、luxC(53000)、luxD(33000)、luxA(40000)、luxB(38000)和luxE(42000)。后續研究發現，與費氏弧菌光反應產生有關的自誘導分子為含6碳脂肪酸側鏈的AHL。AHL的合成酶基因為luxI，其表達依賴于AHL的調控因子基因luxR以及與熒光酶產生有關的基因luxCDABEG，luxI和luxCDABEG位于同一個基因簇，它們的表達均受luxR-AHL復合體的正向調控。

三 結語

群體感應概念起源于20世紀中葉，最早發現于肺炎鏈球菌。該菌獲得“轉化能力”需要自身產生某些胞外分子，這些胞外分子可以在細胞間進行信號傳遞。后續研究發現，費氏弧菌和哈維氏弧菌的生物發光現象也表現出了群體行為，并且發現了費氏弧菌發光的相關調控基因———lux系統。自此之后，更多的研究發現在其他細菌種群中也存在類似的現象，這也推動了對群體感應系統研究的進展。

參考文獻

[1] Tomasz A.Control of the competent state in Pneumococcus by a hormone-like cell product：an example for a new type of regulatory mechanism in bacteria.Nature，1965，208(5066)：155-159.

[2] Nealson KH，Platt T，Hastings JW.Cellular control of the synthesis and activity of the bacterial luminescent system.J Bacteriol，1970，104(1)：313-322.

[3] Eberhard A.Structural identification of autoinducer of Photobacterium fischeri luciferase.Biochemistry，1981，20(9)：2444-2449.

[4] Engebrecht J，Nealson K，Silverman M.Bacterial bioluminescence isolation and genetic analysis of functions from Vibrio fischeri.Cell，1983，32(3)：773-781.

[5] Engebrecht J，Silverman M.Identification of genes and gene products necessary for bacterial bioluminescence.Proc Natl Acad Sci USA，1984，81(13)：4154-4158.

（徐峰，胡惠群）