NAT REV MICROBIOL | 细菌在复杂和动态变化的环境中进行的群体感应
普林斯顿大学Sampriti Mukherjee和Bonnie L. Bassler于2019年4月3日在《Nature Reviews Microbiology》上发表题目为《Bacterial quorum sensing in complex and dynamically changing environments》的综述。该综述重点介绍了细菌在在复杂和动态变化的环境中如何进行群体感应的新发现。
文章摘要
群体感应是细菌细胞间化学通信的过程，其依赖于称为自诱导物的细胞外信号分子的产生，检测和响应。群体感应允许细菌群同时改变行为以响应群体密度和邻近群落的物种组成的变化。群体感应介导的通信现在被认为是细菌世界的常态。之前的研究已经确定了在理想和高度控制的条件下群体感应组件及其相互作用。实际上，这些开创性的研究奠定了该领域的基础。在本综述中，我们重点介绍了有关细菌如何在模拟自然的现实场景中进行群体感应的新发现。我们关注在复杂和动态变化的环境中，例如多物种细菌群落，存在流动，3D非均匀生物膜和感染期间的宿主中如何检测群体感应以及群体感应如何控制群体行为。
文中主要图片说明
图1 | 群体感应过程。细菌群体感应依赖于自诱导物，自诱导剂合成酶，伴侣自诱导物受体和下游信号转导组件的网络，其将自体诱导物中包含的信息转化为基因表达的变化。a | 当Vibriospp. 处于低细胞密度和自诱导剂水平时，其同源受体激活磷酸化级联，最终导致转录因子AphA的激活，从而介导个体行为。相反，在高细胞密度下，合成酶LuxM，LuxS，CqsA和Tdh分别产生高水平的自诱导物AI-1，AI-2，CAI-1和DPO，并且相应的受体起磷酸酶的作用。但不是AphA，产生LuxR或HapR，其介导群体行为。b | 铜绿假单胞菌采用四个交织的群体感应环，使用LasI和LasR，RhlI，PqsE和RhlR，PqsABCDH和PqsR，AmbBCDE和未知受体分别作为自诱导物3OC12-HSL，C4-HSL，未知（PqsE），PQS和IQS的合酶和受体。c | 在高细胞密度下，来自金黄色葡萄球菌的AgrB处理AgrD前体肽并输出自诱导肽AIP，其反过来通过AgrC受体和下游转录因子AgrA发出信号。磷酸化的AgrA诱导产生控制组行为的调节RNA。sRNA，小RNA。虚线表示磷酸化和去磷酸化。实线表示基因调节或蛋白质产生或小分子产生。
图2 | 流体流动和表面形貌影响群体感应动力学。a | 细菌群体可以在不同的流量和地形状态下表现出异质的群体感应激活模式，范围从无群体感应细胞（整个图中的红色）到部分群体感应细胞（整个图中的橙色）和完全群体感应细胞（整个图中为黄色）。流动（连续流动的直箭头和周期性流动的弯曲箭头;箭头指向整个图中的流动方向）可以洗掉内生产生的自动诱导剂，除非细胞在厚生物膜或隐窝状壁龛中被屏蔽。b | 在微流体通道中生长的金黄色葡萄球菌的厚生物膜内激活群体感应。左侧面板显示3D视图，右侧面板显示x-y平面的单个光学截面，位于表面- 生物膜界面上方10μm，z投影显示在右侧（x-z平面）和下方（y-z）平面）。白色箭头显示流向。c | 在稳定流量下，金黄色葡萄球菌的标准化群体感应输出低于无流量条件，在此期间自动诱导器可累积并驱动增加的群体感应输出。周期性流动导致群体感应响应在开启和关闭之间波动，从而逐步增加群体感应输出。d |在左图中，荧光示踪珠粒流入波纹状微流体通道，其具有隐窝状腔，其与表面流动隔离并因此捕获珠子。类似地，在腔中生长的金黄色葡萄球菌（中）和霍乱弧菌（右）在流动中被屏蔽，因此，自体诱导物可累积并开启群体感应。
图3 | 群体感应中的异质性。a | 恶臭假单胞菌可以表现出异质的群体感应反应，特别是在生物膜生长的早期阶段。只有生长微菌落中的一些细胞从携带群体感应依赖性报告融合体（lasB-gfp）和自诱导剂受体的质粒中产生GFP。因此，该构建体报告了个体细胞自诱导剂产生和自诱导剂反应。因此，群体感应调节的putisolvin产生仅发生在细胞亚群中，并且那些细胞随后从簇中分散。上面板显示了下面板中所示区域的特写视图，绿色显示了GFP生产。红色箭头表示离开微菌落的细胞（顶部最左侧;中间和右上顶板中没有细胞），白色箭头表示移动到微菌落外围的细胞。b | 这种异质性可以通过群体感应作为双稳态响应函数的概念来解释。虚线表示自动诱导剂阈值水平。该曲线显示了对不同自诱导物（三角形）水平的群体感应响应。为了实现双稳定性，在检测到低于阈值并在检测到高于该阈值的细胞中上调的细胞中，自诱导剂产生被下调。在低细胞密度下，系统固定在群体感应关闭模式（稳定的固定点为0），细菌表现出个体行为。在高细胞密度下，系统固定在群体感应开启模式（稳定的固定点为1），细菌表现出群体行为。在中间水平（不稳定的固定点），群体感应开启或群体感应关闭模式之间的转换由自诱导剂浓度的波动驱动。
图4 | 群体感应和公共化合物（几丁质酶和糖）的窘境。a | 几丁质降解代表了公共化合物的困境。几丁质酶生产者（部分a-c中的黄色）分泌几丁质酶（紫色六边形），其将几丁质聚合物（部分a-c中的浅蓝色）降解为可溶性N-乙酰葡糖胺低聚物（部分a中的棕褐色圆圈），其可以是进口的和由几丁质酶生产者和几丁质酶非生产者分解代谢（红色部分a-c）。b | 在静态液体培养中，霍乱弧菌几丁质酶生产者在几丁质上与几丁质酶非生产者竞争产生厚的生物膜并且胜过非生产者。c | 类似地，当几丁质降解的可溶性产物被流体冲走（右）时，几丁质酶非生产者不能积累生物质，而它们可以在没有流动的情况下利用公共化合物（左）。d | 在流动条件下，基质产生赋予野生型铜绿假单胞菌（绿色）相对于生物膜中ΔpelA非基质产生突变体（红色）的竞争优势。图像显示野生型细菌有助于主要的生物膜生物量，而ΔpelA突变体细胞被排除在外。e | 由于野生型绿脓杆菌（绿色）生物膜拖缆的局部堵塞，Pel缺乏的铜绿假单胞菌突变体（红色）可占据防止流动的位置。白线表示珠轨监测流量;黄色箭头突出显示流动轨迹。
图5 | 群体感应和宿主微生物群。a | 群体感应可以控制肠道微生物群的物种组成。通过抗生素处理破坏正常的微生物群组成导致产生AI-2的细菌（和AI-2水平）的减少，导致生态失调。在这种情况下，Firmicutes（绿色）的成员是主要的AI-2生产者，并且在抗生素处理后它们的丰度降低，而拟杆菌门（蓝色）的成员丰度增加。然而，通过引入AI-2生产者（在这种情况下，工程化的大肠杆菌菌株）人工增加AI-2水平部分恢复了正常的肠道微生物群组成。b | 肠道共生细菌Blautia obeum可以产生DPO自诱导剂，并且推测DPO抑制霍乱弧菌的定殖，可能提供针对该病原体的保护。c | 哺乳动物上皮细胞和细菌之间也可能发生通讯。上皮细胞响应细菌释放AI-2模拟物，并且细菌定植者通过其AI-2群体感应受体检测到这种AI-2模拟物。因此，AI-2模拟物调节细菌群体感应。
图6 | 宿主因素影响群体感应。宿主衍生的酶和其他蛋白质可通过包括自诱导剂修饰（部分a），自诱导剂降解（部分b）或自诱导剂隔离（部分c）的过程改变自诱导剂水平来调节细菌群体感应。这些过程，因为它们使自动诱导剂（部分a，b）失活或使自动诱导剂不可用（部分c），诱导LCD群体感应状态，导致细菌制定个体行为。
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