金黄色葡萄球菌中的群感效应研究

摘要：金黄色葡萄球菌是一种能够引起继发性感染的典型机会致病菌，可以引起局部化脓感染，也可以引发肺炎、心内膜炎甚至败血症等全身感染。而群感效应在金黄色葡萄球菌所引起的疾病和毒素表达中都起着关键性作用。群感效应是一种细胞间的信息交流过程，它可以使得细菌之间相互传递关于外界环境和种群数量的信息，进而相应地调整基因表达，以确保自身能够最大程度地适应外界环境。介绍金黄色葡萄球菌中的群感效应系统，并对其4种基因元件——AgrBDCA及其作用进行了阐述。

关键词：金色葡萄球菌；群感效应；基因表达

中图分类号：R392 文献标志码：A doi：10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2017.06.018

Research on the Quorum Sensing of Staphylococcus aureus

ZHONG Yuxin1，HONG Yuan2，GUANG Jieting3，WANG Wei2

（1. Guangzhou Institute for Food Control，Guangzhou，Guangdong 510000，China；

2. Dongguan Entry-exit Inspection and Quarantine Bureau，Dongguan，Guangdong 523000，China；

3. Guangzhou Yizhenyuan Cultural Diffusion Co.，Ltd.，Guangzhou，Guangdong 510000，China）

Abstract：Staphylococcus aureus is a kind of typical opportunistic pathogens that can cause secondary infection，it can cause local purulent infection，also can cause pneumonia，endocarditis，and even sepsis systemic infection. The quorum sensing in diseases caused by Staphylococcus aureus and toxin expression plays a key role. Quorum sensing is a kind of communication process between the cells，it can make bacteria pass each other information about the external environment and population，and then adjust gene expression，to ensure that itself adapt to the environment to a great extent. The quorum sensing of Staphylococcus aureus is reviewed in this paper，and the four kinds of genetic elements——AgrBDCA and their effect are expounded.

Key words：Staphylococcus aureus；quorum sensing；gene expression

0 引言

群感效应（Quorum sensing）是细菌为了应对种群数量变化或是外界环境限制的一种调节相关基因表达的作用机制[1-5]。1979年，人们首次对费氏弧菌（Vibrio fischeri）和哈氏弧菌（Vibrio harveyi）中的群感效应进行了报道[1，3，6]。费氏弧菌寄生夏威夷短尾鱿鱼（Euprymna scolopes）的发光器官中，当细菌的数量达到一定程度会诱导与生物发光相关基因的转录，从而发光。夏威夷短尾鱿鱼利用所发出的光进行交流、捕食、躲避天敌[6-7]。正是由于群感效应的存在，细菌可以在整个菌群的范围内调整基因表达，使整个菌群的行为协调一致，这使得细菌不再是简单相互独立的个体，更像是一个多细胞的生命体[5，6，8]。

细菌会产生一种小分子的化学物质作为群感效应中的信号[9]。在相对封闭的环境中，这种信号分子会随着细菌数量的增多而增多，当信号分子的浓度达到一定阈值时，将会对细菌的基因表达产生一些调节作用，这种化学信号称之为自诱导物（Autoinducer，AIs）。有些自诱导物能够促进自身的生成，而有些则不能[2-3，5，9]。一般来说，革兰氏阴性菌的自诱导物是N -酰基高絲氨酸内酯（Nacyl-homoserine lactones，HSLs），而革兰氏阳性菌是一种小分子短肽（Autoinducer peptides，AIPs）[2-3，9，10]，这2类自诱导物的共同点就是在构型上二者都具有内酯环。但是HSLs以自由扩散的方式自由地出入细胞，当HSLs浓度达到阈值后，会与存在于细胞质中特殊的受体蛋白结合，活化后的受体蛋白可以作为一种转录激活因子调控基因的表达[2，9]。而AIPs并不能直接进入细胞质，它需要与位于细胞膜上的受体蛋白结合，通过受体蛋白来与其他蛋白的作用用调控基因表达[2]。

1 金黄色葡萄球菌中的群感效应通路

对于葡萄球菌这类机会致病菌来说经常会分泌一些胞外物质，这些胞外物质能够有效地保护细菌免受宿主免疫系统的侵袭，使细菌牢固地黏附在宿主细胞表面，而且在一定程度上能够降解宿主组织细胞，为细菌提供营养[9]。这些胞外物质的分泌与基因表达高度协调，并且与细菌的生理需要密切相关。对于金黄色葡萄球菌来说，群感效应系统——Agr系统作为核心调节元件之一，可以对胞外物质与毒素的分泌进行有效调控。也有研究发现，有一些金黄色葡萄球菌会利用LuxS的产物AI-2（Autoinducer-2），一种呋喃酰硼酸二酯来进行种间的信息传递。

Agr系统所编码出的蛋白构成了金黄色葡萄球菌中的群感效应通路，其中包括了2个不同的启动子，即P2与P3。P2的转录本包含了AgrD，AgrB，AgrC与AgrA 4个基因，P3的转录本为RNAIII。AgrC与AgrA共同构成了经典的二元应答调节系统，而AgrD与AgrB负责AIP的产生与加工。成熟的AIP会被分泌到细胞外，当AIPs的浓度达到一定阈值会活化位于细胞膜上的AgrC受体。细胞质内的AgrA被AgrC激活后，会与P2，P3启动子结合调节基因表达。RNAIII具有双重作用，一方面可以促进毒素基因的表达，另一方面抑制了表面蛋白相关基因的表达。在革兰氏阳性菌中，大多数都具备这一群感效应通路。

在体外培养中，金黄色葡萄球菌分泌胞外蛋白可以分为2个阶段。初期主要是负责黏附的蛋白，如蛋白A（ProteinA）、凝固酶、纤维蛋白结合蛋白（Fibronection binding proteins），后期主要是一些蛋白酶、降解酶、溶血素和毒素。研究结果也显示，在细菌生长的指数后期，负责编码表面蛋白的基因表达量有所下降，而负责编码毒素蛋白和降解蛋白的基因表达量有所上升。在这不同阶段的转变中，Agr系统起着重要的作用。

金黄色葡萄球菌中的Agr系统见图1。

2 Agr介导群感效应通路的组成元件

2.1 AgrB

在葡萄球菌中，AgrB的N端1/3和AgrC的C端组氨酸激酶域是保守区域，其他则是可变区，这使得在Agr系统在金黄色葡萄球菌中可以分为4类。每一类Agr系统都会产生特异的AIPs信号和与之相对应的AgrC受体。AIPs会特异性地活化与之同源的AgrC受体，抑制异源的AgrC，即使AIP上1个氨基酸的改变都会影响这种特异性。

葡萄球菌中的4类AIP见图2。

2.2 AgrD

AgrD负责编码出AIPs的前体，这种前体AIPs会在相关酶的作用下在C段和N段接受加工，在半胱氨酸和C端形成1个硫代内酯环。所形成的硫代内酯环对AIPs至关重要，而且是AIPs的特征之一。AgrB是位于细胞膜上的肽链内切酶，对于AIP的合成加工具有重要作用。AgrB可以特异性地识别AgrD的C端序列，并催化硫代内酯环的形成。经研究发现，这种作用与AgrB上保守组氨酸和半胱氨酸残基有关。

AgrB识别AgrD的特异性略低于AgrC识别AIP的特异性，所以不同类别的AgrB与AgrD可以相互作用。研究发现，AgrB-I可以以相同的速率对AgrD-I与AgrD-III进行加工。对比金黄色葡萄球菌的4种AgrD序列可以发现，AIPs由7～9个氨基酸残基所组成，其中包含了1个保守的半胱氨酸，在C末端有2个疏水氨基，由半胱酸与C末端的疏水氨基酸形成五元硫代内酯环。

在金黄色葡萄球菌中4类AgrD的序列见表1。

4种AIPs的结构如图2所示，结构中的硫代内酯环是整个AIPs活性的中心，其所用涉及整个Agr系统的激活与抑制。如果把AIPs中的硫代内酯环用内酯环所取代，那么其激活同源AgrC受体的功能将会消失，但仍具有抑制异源AgrC的功能。当然AIPs的N端尾部结构也能够影响其功能，将AIPsII N端第3位的丙氨酸用天冬氨酸代替之后，它会抑制所有的4类AgrCs受体。由此可见，AIPs的功能与其结构密切相关。

2.3 AgrC

AgrC作为Agr系统中的受体属于组氨酸蛋白激酶的一种，它有2个部分构成：N端的跨膜感受域（Transmeme brane sensor domain）和C端的组氨酸蛋白激酶域（Histidine protein kinase domain）。AgrC的组氨酸蛋白激酶域其氨基酸序列高度保守，但是跨膜感受域涉及AIPs的特异性识别，其序列是可变的。

有人将4类AgrC的近端感受域与远N端感受域进行了互换，以研究其具体功能。结果显示，AIPs的特异性识别主要涉及远端感受域，非特异性的连接和信号传递涉及跨膜螺旋3，4，6和膜外第3个环结构。

George等人认为，AgrC受体是以二聚体的方式在细胞膜上聚集的。将在受体组氨酸（Receptorhistindine）或是供体激酶结构域（Donorkinasedomain）存在变异的AgrC I和AgrC II导入不存在AgrC基因的细菌中，会发现本应该没有活性的Agr系统也出现了一定的活性。相关研究认为AgrC是以2聚体的方式在一起，至使不同受体的激酶域卷曲螺旋紧密相连，组成4 -螺旋束结构域（4-helixbundle）。这样当活化后的感受域影响4 -螺旋束结构域时，才会进一步活化2个受体的激酶结构域[9]。

AgrC的二聚体结构见图4。

2.4 AgrA

AgrA是一种反应调节蛋白（Response regulator），是LytTR反应调节蛋白家族中的一员，可以与Agr系统的2个启动子结合，促进基因的转录。Robbin等人的研究表明，P2和P3启动子在下游重复序列存在着2 bp的不同。这种不同导致了AgrA与2个启动子的亲和力不同，AgrA更容易与P2结合。SarA也有著可以和P2启动子结和，促进基因转录的功能，在一些特定的条件下AgrA可以和SarA共同作用，促进基因转录。

2.5 RNAIII

RNAIII是位于细胞内Agr系统的效应子（Effector），大小为514个核苷酸，其半衰期在45 min以上。RNAIII的序列在不同种微生物中表现不同，但是它的结构类似，这使得种间的信息交流成为可能。

关于RNAIII的功能研究揭示了其3"端对于抑制蛋白A（spa编码）的表达十分必要，没有重叠的5"和3"区域可以独立地促进α-溶血素（hla编码）的表达。也就是说，RNAIII可以帮助实现细菌从表达表面蛋白到表达毒素的转变。在第7，13和14个茎环结构中，那些富含胞嘧啶的环结构与典型的SD区（Shine-Dalgarnosequecnce）互补，这也意味着RNAIII的基本功能使作为反义RNA参与胞外毒素的转录后调控。RNAIII与hlamRNA的SD区结合后，可以改变hlamRNA的二级结构，使其更易于翻译。而RNAIII和蛋白A及纤维素结合蛋白（Fibrinogen-binding protein）的转录本起始位点结合，阻碍翻译的发生。同时研究表明，RNAIII也可以通过类似的机制来阻碍另外一个转录影响因子Rot的合成。Rot的功能和RNAIII的正好相反，Rot可以促进表面蛋白的产生，抑制分泌蛋白的产生[2]。

RNAIII的二級结构见图5。

3 Agr系统的作用

生物被膜（Biofilm）的形成是细菌体内极其复杂的一个过程，同时它也受到自身基因的调控和试验条件的影响。被膜的形成可以分为2种不同的机制：①以PIA为基本物质的被膜；②以黏附蛋白为基本物质的被膜[2]。

有研究表明，Agr缺陷性的金黄色葡萄球菌和Agr缺陷型的表面葡萄球菌能比携带Agr的菌株形成更加厚重的被膜，这也许是和Agr系统可以上调δ溶血素的表达，下调黏附蛋白的表达[2]。黏附蛋白的表达在被膜形成的初期起着关键性作用，而δ溶血素则能够裂解成熟的生物被膜。有研究表明，Agr系统的主要作用是通过上调蛋白酶产生引起生物被膜的裂解，蛋白对保持生物被膜的完整性具有重要作用。

总的来说，QS对于金黄色葡萄球菌生物被膜形成的动态过程具有重要作用，但是简单地认为QS是可以促进被膜生成或是可以抑制被膜生成又太过武断。有研究表明，RIP（YSPWTNF）一种七肽，可以干扰金黄色葡萄球菌生物被膜的形成，而且这种干扰是通过抑制Agr系统来实现的。而这正与之前的Agr系统可以抑制生物被膜的研究结果相矛盾，所以RIP干扰生物被膜的具体机制需要进一步探究。

在动物感染试验中，Agr也是一种重要的影响因子。在皮肤脓肿（Skin abscesses）、心内膜炎（Endocarditis）等动物模型中，发现Agr突变有所减弱。而且医学数据也显示出，Agr系统对于金黄色葡萄球菌所引起的感染具有重要作用。在由葡萄球菌所引起的肺炎中，20%分离出的菌种不携带Agr。虽然Agr缺陷型菌株也有治病能力，但是所引起疾病的严重程度明显低于具有Agr的菌株[9]。

4 结论

群感效应对于细菌调节机体行为至关重要，同时也可以使其探索新的适宜生存环境。基于自诱导物的产生和检测，QS系统可以在整个菌群范围内调整基因的表达。而其他调节机制正是在QS的整体调节基础上，确保调节基因表达都能准确应对外界环境的变化。

同时，QS系统也和生物被膜的形成相关。在生物被膜包被下的细菌，都能够从这种彼此的信息传递中受益。在QS中所涉及到的自诱导物小分子是一种核心调节子，现在这种生物小分子调节细菌行为的作用已渐渐被人们赋予了新的意义。人们可以通过调控这些生物小分子来调节细菌行为，进而控制疾病，而且这种新的治疗方法其目的是减少病原菌毒素的表达，而不是抑制细菌的生长。所以，通过干扰生物小分子调节通路的治疗方法是在抗生素治疗方法之后的新型方法。

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