朱松雷 综述,沈 策审校

(上海交通大学附属第六人民医院肺内科 200233)

铜绿假单胞菌密度感应系统的研究进展

朱松雷 综述,沈 策△审校

(上海交通大学附属第六人民医院肺内科 200233)

假单胞菌,铜绿;生物膜;密度感应系统

铜绿假单胞菌(pseudomonas aeruginosa,PA),属于非发酵菌类假单胞菌属。它广泛分布于自然界并在人体皮肤上定植,是引起肺囊性纤维化(cystic fibrosis,CF)和弥漫性泛支气管炎(diffuse panbroncbiolitis,DPB)的最重要的病原菌,也是近年来医院内感染的重要条件致病菌和耐药菌之一。其中密度感应(quorum sensing,QS)系统作为细菌细胞间的特殊交流方式,在基因水平上调控着PA生物被膜、Ⅲ型分泌系统、致病毒力因子等的分化,是重要的致病因素和耐药性原因之一。现将PA的QS系统的研究进展作一综述。

1 PA的QS系统调控模式

有研究显示,QS系统是细菌细胞间信号传递的一种方式。指许多种类的细菌在高细胞密度的条件下,通过化学信号分子,帮助细胞监控细胞群体的浓度变化。QS系统能让细菌细胞感知其同伴的密度变化,当达到一定的阈值后,就会出现异常的多样的细胞行为模式。革兰阴性细菌的QS系统大多利用N-乙酰高丝氨酸内酯(N-acyl homoserine lactones,AHLs)作为信号分子。PA拥有一个复杂的QS信号网络,包括两个AHLs依赖的细胞间信号系统,即las系统和rhl系统,一个非AHLs依赖的细胞间信号分子,即4-羟基-2烷基喹诺酮(4-hydroxy-2-alkylquinolines,HAQs)。las系统由LasR和LasI组成,LasI指导PA信号分子N-3-氧代十二烷酰-高丝氨酸内酯(3-oxododecanoyl homoserine lactone,3-O-C12-HSL)的合成;rhl系统由RhlR和 RhlI组成,RhlI指导 PA信号分子N-丁酰基-高丝氨酸内酯(N-butyryl-L-homoserinelactone,C4-HSL)的合成。当3-O-C12-HSL和C4-HSL信息分子增加到一定浓度的时候,分别与转录因子LasR和RhlR特异性结合并激活转录从而调节一系列下游致病基因的表达。las系统和rhl系统均可以调控自身lasI和 rhlI基因的表达形成正反馈回路。HAQs包括4-羟基-2庚基喹诺酮衍生物(2-heptyl-4-quinolone,HHQ)和对应的2羟基衍生物,比如2羟基-3,4二庚基喹诺酮(2-heptyl-3-hydroxy-4-quinolone,PQS,假单胞菌喹诺酮信号)[1]。PA HAQs的生物合成需要操纵子 pqsABCDE和phnAB来编码基因。HHQ由来自邻氨基苯甲酸的PqsABCD合成[2]。PQS是通过 HHQ的羟基化合成的。HHQ和 PQS作为多种毒力调节因子的共同诱导配体而对pqsABCDE和phnAB的转录调节起作用[3]。

2 QS系统与PA生物被膜的关系

细菌生物被膜(biofilm,BF)是细菌在生长过程中,为适应生存环境而吸附于惰性或活性材料表面形成的一种与浮游细菌相对应的生长方式,由细菌和自身分泌的细胞外基质组成。有研究认为,PA之所以形成扁平、均一不分化的BF,是由于LasI基因的突变,故不能形成成熟的三维立体结构。当加入合成的信号分子3-O-C12-HSL共同培养后,可使突变株恢复形成成熟生物膜的能力。根据BF结构的改变推测,对于 PA成熟BF的形成和BF的耐药性而言,lasQS系统比rhl系统显得更为重要。同时亦提示胞外多糖(extrapolysaccharides,EPS)的合成可能受到lasI和 rhlI表达的影响[4]。Davey和Caiazza等[5]研究发现,群集在插管患者管内的 PA菌群绝大多数均为QS系统菌,在PA生物被膜中都能检测出3-O-C12-HSL和C4-HSL,前者在生物被膜分化中起作用,后者在成熟阶段起作用。如果没有QS系统的参与BF将不能分化成熟,对抗菌药物的敏感性也与浮游菌相似。有研究显示,QS系统能够决定PA生物被膜对抗生素治疗耐受性,并且启动着由多形核白细胞(polymorphonuclear cells,PMNs)主导的炎症反应[6]。所以QS系统在PA生物被膜分化,形成上起着重要作用[7]。

3 QS系统与Ⅲ型分泌系统

有研究发现,PA成功感染宿主细胞导致疾病的重要原因是其能够通过Ⅲ型分泌系统(typeⅢsecretionsystem,T3SS)的作用,将病原菌的效应分子(以毒力蛋白为主)注入到真核宿主细胞内部,从而导致许多疾病[8]。PA的 T3SS分子结构和其他革兰氏阴性致病菌(如耶尔森氏菌属,沙门氏菌属)一样,由细菌膜上的装置蛋白、转位子蛋白、被转移的效应分子和T3SS分子伴侣4类蛋白组成。Rhl是 PA QS系统之一。有研究发现,T3SS的表达在 Rhl QS系统的缺失突变株中升高[9]。最近,有研究通过基因敲除的方法破坏 PA QS系统中的相关基因,将 T3SS相关基因启动子报道子融合体整合到野生型菌株及QS系统突变菌株的染色体组织上,研究QS系统与 T3SS间的相互关系,结果表明,除Rhl系统对 T3SS具有负调节作用以外,PQS信号分子介导的QS系统对T3SS相关基因表达也有明显的负调节作用,这一作用对PA的致病过程有重要影响[10]。

4 QS系统与大环内酯类药的关系

大环内酯类药物通过结合细菌的50S核糖体而抑制了细菌蛋白的翻译。然而,因为低于最小抑菌浓度(subminimal inhibitory concentration,sub-Mic)的大环内酯类药物也能够抑制PA感染的CF和DPB,故被认为是由其他机制所介导的,比如说毒力因子产生的减少等[11]。有研究显示,sub-Mic的阿奇霉素并不能改变QS相关的基因(lasI,lasR,rhlI,rhlR,vft,rsaL)mRNA的表达,但是能够降低lasI和rhlI上游AHL合成酶的表达。在sub-Mic的阿奇霉素溶液中,QS的自身诱导分子减少了。有研究认为,阿奇霉素抗PA的作用机制为低浓度的阿奇霉素抑制了S-腺苷-甲硫氨酸(S-adenosyl methionine,SAM)合成酶的表达,并且减少了细胞内SAM的浓度。SAM的减少又导致了QS系统中LasI和RhlI产生AHL的减少。从而与AHL结合的转录因子(LasR/RhlR)的减少进一步导致了毒力因子释放的减少[12]。

5 QS系统与宿主的关系

PA QS系统能够改变宿主的炎症反应和免疫反应[13]。有研究显示,QS系统能够调节细胞外酶和细胞溶解酶(鼠李糖脂)等毒力因子的产生,并且QS系统作为一种抵抗巨噬细胞的保护屏,在 PA感染的致病机制中起着重要的作用[14-15]。Davis等[16]研究证明,在 PA QS系统中的AHLs在微摩尔水平就可以直接插入嵌在宿主细胞的生物膜上,其自身诱导分子3-O-C12-HSL能影响血管平滑肌的收缩,显著的心动过缓,调节着上皮细胞的连接完整性和细胞旁的渗透性[17]。在免疫反应中,3-O-C12-HSL能刺激不同宿主信号途径来抑制或激活免疫细胞反应,而 C4-HSL则不能。有研究发现,3-O-C12-HSL分子能够刺激宿主 T细胞干扰素-γ(interferon-gamma,IFN-γ)的产生,刺激人肺纤维母细胞中白介素(interleukin,IL)-8的产生,抑制IL-12和肿瘤坏死因子α在巨噬细胞中的表达,促进在IL-4诱导下的单核细胞免疫球蛋白 E的产生,并且可引起巨噬细胞和中性粒细胞的凋亡等[18]。

6 QS系统抑制剂的探索

QS系统是PA感染的重要调节因素。QS系统抑制剂虽然对细菌的生长没有直接的影响,但能改变细菌病原基因,因此,能够增加病原菌对宿主免疫的易感性。近10年有专利的QS系统抑制剂(自然和人工合成制品)大致可以分为3类:非肽类小分子、肽类和蛋白质。这些抑制剂通过抑制QS信号的产生,阻断信号受体或者破坏QS往来干扰QS。提供1个可供选择的方法来控制细菌的发病机制。最早发现的天然QS抑制剂来源于1种海洋红藻,它能够产生与AHLs信号分子结构类似的卤代呋喃酮化合物。近期有研究发现,入侵红火蚁体内的生物碱Solenopsin A能够有效的阻断PA的QS系统。外源添加C4-HSL能够有效的恢复QS系统,提示Solenopsin A的作用靶点主要是依赖C4-HSL的rhlQS系统[19]。在对小分子化合物库进行筛选中,Müh等[20]研究发现,两个与3-OC12-HSL结构类似的抑制剂V-06-018和 PD12。这两个化合物都能与LasR蛋白结合,并能够抑制弹性蛋白酶和绿脓菌素的产生。Kaufmann等[21]研究发现,单克隆抗体 RS2-1G9与PA信号分子3-O-C12-HSL的亲和力最高,并证实,该抗体能抑制PA中的QS系统,有效保护小鼠巨噬细胞免受3-O-C12-HSL信号分子的毒害。1种在各种生物体内广泛分布依赖ATP的Lon蛋白酶也能够抑制PA的QS系统。其作用机制不是直接降解AHL,而是通过降解AHL合成酶LasI和 RhlI来抑制AHL的合成。近期有研究发现,1种能够降解PQS信号分子的酶——2,4-双加氧酶(2,4-dioxygenase,Hod)。在PA PAO1培养物中外源添加 Hod蛋白能够降低 PQS合成基因pqsA的表达以及受 PQS调节的毒力因子凝集素A、绿脓菌素、鼠李糖脂的表达[22]。近年来有研究发现,中药人参通过抑制QS系统的作用而使得PA的感染改善[23],氨溴索能够抵抗PA的QS系统而使得CF的患者治疗有改善,并减少生物被膜的形成和管道的定植[24]。这些化合物以及类似物为治疗PA感染提供了广阔的前景。QS系统广泛存在于原核生物和真核生物中,并已成为目前的一个研究热点。QS系统在 PA的分化和生长过程中的地位非常重要。通过对 PA的QS系统研究,会进一步认识到它的致病机制,从而在调控或干扰QS系统角度上来治疗PA引起的相关感染开辟了一个新的方向。

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10.3969/j.issn.1671-8348.2011.27.044

A

1671-8348(2011)27-2794-03

△通讯作者,Tel:13402016679;E-mail:lyshence@gmail.com。

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2011-06-28)