微生物王国的语言——群体感应

2012-10-28 冉涛      】

  人类在进化过程中创造了多种语言,人们借助语言进行着各种交流,那么微生物也有它们自己的语言吗?答案是肯定的,它们的语言便是群体感应。为了在环境中生存下来,微生物王国的各种微生物间时时刻刻都在进行着交流,它们或互帮互助、荣辱与共、同生共死,或尔虞我诈、剑拔弩张、你死我活,这像极了我们人类。

  自列文虎克发现微生物王国以来,人们一直认为微生物是以单细胞个体而孤独地存在于环境中、与周围的同类“老死不相往来”。直到二十世纪六、七十年代,科学家们才发现微生物其实拥有复杂而精细的“语言”供它们与“邻居”进行交流。原来微生物能够产生并向环境中释放信号分子,根据环境中信号分子浓度来监测周围环境中自身或其它微生物的数量变化,当信号分子达到一定的浓度阈值时,信号分子被微生物体内的相应受体识别,在群体水平启动或抑制特定基因的表达,使群体内所有成员的行为同步化,从而使微生物群体实现单一微生物个体无法完成的生理功能或行为。由于这一过程发生在群体水平,且涉及到信号分子的分泌和识别,因此科学家们将其命名为群体感应。

  群体感应这种“语言”交流方式使得微生物群体表现出一定的原始的多细胞性和社会性,从而大大增强了微生物在环境中生存的几率。以致病微生物在宿主体内定植为例,致病微生物总是在当其群体足够大、能够抵挡住宿主免疫系统的“剿灭”的时候,启动致病基因表达、毒素分泌等,从而使宿主表现出感染、中毒等症状。如果致病微生物的群体还很小的时候便表现出“攻击性”,岂不是“以卵击石,自取灭亡”?研究发现,微生物的很多重要的生理功能都是借助群体感应来实现的,如毒素分泌、生物膜形成、生物发光、感受态、孢子生成等。可见,微生物早就明白了“团结就是力量”、“众人拾柴火焰高”、“人人为我,我为人人”这些道理。当然,“物竞天择,适者生存”,微生物是在漫长的自然选择和自身进化中逐渐“明白这些道理”的。

  群体感应是微生物的“语言”,那么微生物分泌的各种信号分子便是其语言体系的“语种”。目前,已发现了微生物王国的三个大“语种”,分别是介导革兰氏阳性菌群体感应的寡肽、介导革兰氏阴性菌群体感应的酰基高丝氨酸内酯和能同时介导革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌群体感应的自诱导物-2。当然,也存在一些小“语种”,如γ-丁内酯、二酮哌嗪类化合物、喹诺酮等。与人类一样,某些微生物也会多种“语言”,它们在与其他种类的微生物竞争时便具有优势,常常能在竞争中获胜。

  微生物对各种信号分子的识别便是其“语言体系”的“语法”。“语种”不同,则“语法”也存在差异。酰基高丝氨酸内酯能自由扩散到微生物细胞内,与胞内相应的受体结合,从而激活或抑制靶基因的表达;寡肽和自诱导物-2均不能扩散到微生物细胞内,它们需要借助膜结合的双组分信号转导系统才能将信号传到胞内,最终激活或抑制靶基因的表达。目前的研究表明,受群体感应调控的基因在致病微生物成功在宿主内定植、发动“攻击”的过程中发挥了极其重要的作用。

  “魔高一尺,道高一丈”,微生物能利用群体感应给人类健康、动物生产造成危害,人类则在掌握了微生物的“语言”后,能采用各种手段对其群体感应过程进行干扰,通过阻断微生物的交流、使群体中微生物个体都成为“聋哑”个体,从而实现抗微生物病害,做到“以其人之道还治其人之身”。目前常用的干扰手段有以下几种:一、抑制群体感应信号分子的合成。原则上只要是对信号分子合成途径上任意酶的活性有抑制作用,或对其合成的任意阶段有阻断作用即可抑制信号分子的合成;二、降解已合成的群体感应信号分子。目前已经发现酰基高丝氨酸内酯酶和酰基高丝氨酸酰基转移酶能够降解酰基高丝氨酸内酯类信号分子;三、抑制群体感应信号分子与相应受体结合。可以合成能与信号分子受体蛋白竞争性结合,甚至优先与信号分子受体蛋白结合的信号分子类似物,使信号分子与相应受体蛋白的结合受阻,从而阻断病原菌群的交流。

  目前,对微生物群体感应的研究主要着眼于致病微生物的致病机理研究,且在某些微生物的致病机制研究中已经取得了阶段性的进展。微生物“语言”的多样性和复杂性给我们的研究工作带来了很多的困难和不便,但当我们破解了某种“语言”时,又会带给我们不少乐趣,更重要的是能给人类谋福利。研究微生物的“语言”对于了解微生物的生命活动规律、了解致病微生物的感染过程具有重要意义,尤其是对指导新药合成、抗微生物病害具有重大现实意义。目前,QUORUMEX公司(http://quorumex.com/)已经在2010年推出了他们的第一种抗微生物群体感应的药物Topic-QX,并将在2012年陆续推出多种类似药物。

  John Donne曾讲过“人是社会性动物, 没有人能脱离社会群体而单独存在”。这句话又何尝不是对微生物群体感应的最好诠释?可以说,微生物王国的“语言”——群体感应 (Quorum sensing)的发现是近20 年微生物研究领域中最重大的进展之一!随着研究的深入,相信我们一定能从微生物的“语言”中解读出更多重要信息,给因微生物病害而蒙受巨大痛苦和损失的人们带来福音!

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