杨红1 段晴月2
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1.引言
群体感应（QS）是一种细胞间通信系统。细菌能够通过这一系统根据种群密度的变化来调节生物功能，比如形成生物膜，致病因子的分泌，抗生素的生成等，从而适应环境[1、2]。该系统由细胞外分泌的自诱导剂控制。两种主要的自诱导剂定义为两个系统，分别称为I型QS和II型QS。在I型QS中，自诱导分子1是N-酰基高丝氨酸内酯（AHL）衍生物。在II型QS中，信号分子被称为自诱导分子2（AI-2）[3，4]。I型QS是用于种间交流的高度特异性系统，与之不同的是，II型QS被认为可以进行种间交流，从而使细菌不仅能够对同类的AI-2做出反应，而且还可以对其他物种产生的AI-2做出反应。它在种内和种间交流中起着重要作用，并且在革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌中都有报道[5]。
2.1.AI-2的产生
AI-2由LuxS酶产生，并将S-核糖同型半胱氨酸（SRH）转化为4,5-二羟基-2,3-戊二酮（DPD）[6]。 DPD形式不稳定，会自发环化形成呋喃糖基硼酸酯二酯（AI-2分子）。
2.2.AI-2对细菌毒素的调节
细菌毒素是细菌致病力的重要因素。
在梭状菌病原体，产气荚膜杆菌，肉毒素杆菌，以及艰难杆菌属发现AI-2。Kumar[7]等构建产气荚膜梭菌luxs突变菌株，发现其磷脂酶和鞘磷脂酶活性，胶原酶以及氧不稳定溶血素毒素类的降低。
Li[8]等研究AI-2/LuxS在乳酸菌中的作用。两种乳酸杆菌菌株（植物乳杆菌AB-1和干酪乳杆菌LC）具有很强的抗菌活性。之前，Chanos和Mygind（2016）曾报道过乳酸杆菌中产生AI-2。通过研究结果表明，乳酸杆菌AB-1的AI-2活性在植物乳杆菌AB-1和干酪乳杆菌LC共培养中有所增加，特别是在指数生长期，这些结果与Moslehi-Jenabian，Vogensen和Jespersen（2011）的报道一致。作者发现，在共培养系统中，共培养物中的luxS基因表达也增加了，这表明LAB-1和LC的合作可能与AI-2有关。与单培养相比，共培养的细菌素生产和LAB-1的抗菌活性明显升高。LAB-1充分利用种间信号分子（AI-2）激活细菌素调控操纵子的表达，细菌素调控操纵子的变化趋势与体外孵育期间AI-2活性和luxS基因表达的变化一致，从而促进细菌素的产生。
Vinne[9]等研究发现 AI-2信号分子调节溶血性曼氏菌A1毒力基因的表达。AI-2的存在也增加了外周离子转运蛋白，暗示AI-2调节铁离子的获得。通过实验发现细菌mRNA水平的改变也受AI-2的调节，同时也可能参与调节一些与毒力相关的基因的表达。
Sultan[10]等研究发现拟弧菌产生具有AI-2样活性的物质。检测到的拟弧菌的luxSvm基因与其他弧菌属的相应AI-2合酶基因具有高度同一性。哈维氏弧菌（V. harveyi）的luxO和luxR基因编码在细菌的群体感应调控网络中起关键作用的LuxO和LuxR蛋白。因此，luxO和luxR基因同源物的存在明显表明在拟弧菌存在哈维氏弧菌样的群体感应调控网络。luxSvm的破坏导致拟弧菌自诱导活性大大降低。溶血素和蛋白酶是拟弧菌的两个重要潜在毒力因子。LuxO蛋白破坏型具有更多的蛋白酶活性表明LuxO蛋白在蛋白酶活性的抑制中起作用，并且在静止期前起作用。
Li-Li Man[11]等研究证实植物乳杆菌具有LuxS基因，因为此基因可以相对容易地扩增。细菌能够根据存在于同一位置的所有包含luxS的物种的总细胞密度做出反应，优化基因表达。但luxS在促进毒素的产生方面表现不明显。
Carter[12]等研究AI-2在艰难梭菌中的作用。艰难梭菌630产生AI-2分子或类似AI-2的分子，确定了最有可能导致AI-2产生的基因（luxSCd）。AI-2的最大活性出现在指数后期，随着细胞进入静止期而迅速耗尽。这些结果和之前研究一致(reviewed by Winzer et al., 2003), including Surette et al. (1999) and Burgess et al. (2002),他们表明在鼠伤寒沙门氏菌和牙龈卟啉单胞菌中分别显示出相似的现象。luxSCd基因前面有一对基因（rolA和rolB），数据显示rolA是luxS的负向调节剂，影响AI-2产生。但是艰难梭菌产生毒素的时间主要是在生物体进入稳定期生长之后，它不使用这种“自动诱导剂”来控制毒素的产生。它的毒素几乎是在自体诱导剂被大量消耗后才产生的。这表明AI-2可以充当负向开关，导致分子突然丢失，而不是其达到导致毒素产生诱导的临界阈值浓度。这与其他种群AI-2对毒素的调节不同。
2.3. AI-2对细菌空间菌落形成影响
Chen[13]等在研究发现培养基条件下进行测试时，肺炎克雷伯菌ΔluxS突变体均消除了AI-2的产生，这支持其他研究，表明II型QS在肺炎克雷伯菌中是luxS依赖性的[6]。研究还表明，在其天然启动子控制下luxS基因可以反式互补ΔluxS突变。这些结果也与其他研究一致，研究表明在指数期检测到最大的AI-2产生，这也是最大luxS基因表达水平的时期。然而，在细胞密度达到最大值之前，AI-2水平在指数后期迅速恢复到基础水平。这与其他表现出当细菌密度达到最高时，AI-2积累进入早期固定期的肺炎克雷伯菌菌株相反。在本研究中观察到由ΔluxS突变体减少的空间分布和小菌落形成的证据。因此，作者推测AI-2-信号传导可能比生物质对生物膜结构的影响更大，这也是其他人提出的[6]。luxS可能在生物膜形成的早期阶段调节LPS合成，因为wzm基因编码一个涉及O抗原易位的膜蛋白，在ΔluxS突变体中被下调。
Malott[14]等研究AI-2在巴氏杆菌和溶血曼氏杆菌中的作用。AI-2在哈氏弧菌中，LuxS参与了AI-2分子的合成，这些AI-2分子随着细胞种群密度的增加而积累。AI-2浓度的增加与周围介质结合的LuxP蛋白相互作用，并激活种间信号传感器LuxQ蛋白，从而导致基因表达的正调控或负调控。本研究表明，群体感应系统2存在于巴氏杆菌和溶血曼氏杆菌A1。这些巴氏杆菌科物种产生了AI-2群体感应分子。AI-2样分子是溶血曼氏杆菌A1（和这些巴氏杆菌属生物）中LuxS介导的次级代谢产物，它并不直接参与群体感应机制，它的产生与细菌密度成正比。
Yongcan Sun [15]等研究LuxS/AI-2在爱德华氏菌新物种的作用。E. piscicida是爱德华氏菌属中的一种新物种，于2013年首次报道。基因组序列研究表明，E。piscicida基因组包括LuxS系统。luxS基因的缺失显着影响了LuxS的产生，而该缺失的基因对于LuxS的功能至关重要。luxS基因促进了AI-2的产生，而luxS基因的缺失导致无法合成AI-2。luxS基因的缺失降低了大肠杆菌的定殖能力和毒力。luxS基因可以增强生物膜形成能力，并且luxS基因的产物可以分泌到细胞外，也可以增强生物膜形成能力。一项类似的研究报道说，抑制luxS基因表达可以抑制大肠杆菌和亲水曲霉中的生物膜。
ShuJing Sun [16]等研究发现粘质沙雷氏菌，细菌中由AI-2介导的QS系统与许多消耗氧气的生理过程紧密相连，可以调节与氧化应激反应相关的基因的表达，从而保护细胞免受高破坏性的氧衍生物的侵害。因此，QS系统可以利用AI-2活性作为信号来调节细胞生理和新陈代谢，从而使细菌具有抗氧化性并适应环境变化。AI-2介导的QS通过luxS的转录调控对环境变化的影响。
3 小结
综上所述，AI-2信号分子在细菌有重要的调节作用，对于研究新途径，减少由细菌引起的疾病和传播有重要意义。它的相关机制还有待进一步深入研究。
参考文章：
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4. Pereira CS, Thompson JA, Xavier KB. AI-2- mediated signalling in bacteria[J]. FEMS Microbiol Rev,2013,37:156–181
5. J. Sun, R. Daniel, I. Wagner-D€obler, A.-P. Zeng, Is autoinducer-2 a universal signal for interspecies communication: a comparative genomic and phylogenetic analysis of the synthesis and signal transduction pathways[J]. BMC Evol. Biol, 2004,4:36.
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