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1、第3期柯慧慧, 等: 真菌群体感应分子法尼醇及其作用机制5真菌群体感应分子法尼醇及其作用机制柯慧慧, 牛永武, 吴嘉南, 陈启和*(浙江大学食品科学与营养系, 杭州 310058)摘 要: 群体感应(quorum sensing, QS)是取决于细胞密度的微生物通信机制, 可调节细菌毒力因子分泌、生物膜形成、感受态和生物发光等行为。真菌群体感应系统10年前在法尼醇控制致病多态性真菌白色念珠菌中的细丝化研究中被发现。研究显示法尼醇作为群体感应分子(QSM)对宿主和其他微生物发挥多种作用; 还发现芳香醇酪醇是控制白色念珠菌生长、形态发生和生物膜形成的另一群体感应分子。在酿酒酵母中, 发现另两种芳香
2、醇苯乙醇和色氨酸是在氮饥饿条件下调节形态发生的群体感应分子。此外, 类似于群体感应的种群密度依赖性行为已在几种其他真菌中描述。本篇综述总结了目前发现群体感应效应的几种关键真菌物种, 并重点陈述了研究较多的白色念珠菌和法尼醇作用的微观机制研究进展。关键词: 真菌; 群体感应; 信号分子; 白色念珠菌; 法尼醇Quorum sensing molecule, farnesol and its action mechanism in fungiKE Hui-Hui, NIU Yong-Wu, WU Jia-Nan, CHEN Qi-He*(Department of Food Science and
3、 Nutrition, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)ABSTRACT: Quorum sensing (QS) is a mechanism of microbial communication dependent on cell density that can regulate several behaviors in bacteria such as secretion of virulence factors, biofilm formation, competence and bioluminescence. In the
4、past study, farnesol has been shown to play multiple roles in Candida albicans physiology as a signaling molecule and induce different effects on other microbes. In addition to farnesol, the aromatic alcohol tyrosol was also found to be a Candida albicans QS molecule (QSM) controlling growth, morpho
5、genesis and biofilm formation. In Saccharomyces cerevisiae, other two aromatic alcohols, phenylethanol and tryptophol were found to be QSMs regulating morphogenesis during nitrogen starvation conditions. Additionally, population density dependent behaviors that resemble QS had been described in seve
6、ral other fungal species. The fungal species that had discovered QS behaviors were reviewed in this paper, and the physiological effects and mechanisms of farnesol in Candida albicans were mainly introduced.KEY WORDS: fungi; quorum sensing; quorum sensing molecule; Candida albicans; farnesol1 引 言许多生
7、物体呈现的化学通讯现象是现今化学-微生物学界最突出的研究领域之一, 20多年来, 已认识到不同细菌利用信号分子协调表型表达以实现其在植物、宿主动物及人类环境中成功建群的能力。群体感应(quorum sensing, QS)是微生物响应群体密度和/或其他微生物种类的存在来协调基因表达的通信系统, 由称为自体诱导物或群体感应分子(quorum sensing molecule, QSM)的外源信号分子介导。这些分子在细胞生长期间积累, 达到阈值浓度后诱导引发群体合作的微生物基因表达的变化1,2, 已显示其调节细菌毒力因子的表达及其他几个重要的过程2。QS的真核调节直到报告法尼醇和酪醇是白色念珠菌的
8、QSMs才被发现3,4, 这些分子调节细胞形态、生长、生物膜形成、抗氧化应激和菌体生活的其他过程3-6。目前, 虽然与QS一致的现象在其他几种真菌中已有报道, 但被描述的只有少数真核QSMs7-10。本文总结了目前发现QS效应的几种关键真菌物种, 并重点阐述了研究较多的白色念珠菌和法尼醇作用的微观机制研究进展。2 真菌类群体感应分子2.1 白色念珠菌(Candida albicans)白色念珠菌是通常在人类微生物群中发现的多态性真菌, 酵母、菌丝、假菌丝之间的多态性对其毒力至关重要。长期以来观察到, 细胞密度低于106个/mL时, 白色念珠菌呈丝状生长, 而密度较高时以出芽酵母形态生长, Ho
9、rnby等3发现这种行为是由QSM类异戊二烯法尼醇控制的; 同年Oh等11在不同白色念珠菌中发现, 法尼酸也可作为自我调节物质(autoregulatory substance, ARS)抑制菌丝化; 早在分离法尼醇和法尼酸之前, Hazen和Cutler12分离形态发生的自调节物质(morphogenic autoregulatory substance, MARS), 这种分子对白色念珠菌的细丝化有类似作用, 然而其化学特征不同于法尼醇和法尼酸, 特性尚未确定13。酪醇是白色念珠菌另一QSM, 可缩短生长滞后期, 并刺激菌丝体和生物膜形成。然而这些效应在法尼醇存在下被抑制, 表明精细的QS
10、介导的控制4,6。此外, 酪醇对嗜中性粒细胞表现出抑制活性, 这是通过干扰这些吞噬细胞的氧化迸发做到的14。2.2 其他真菌中QSMsChen和Fink7报道芳香醇苯乙醇和色氨醇是酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)响应氮饥饿状态下分泌的形态变化QSMs, 表明与细菌中的发现类似, 营养感应和QS相互关联, 且苯乙醇和色氨醇诱导菌丝体生长的效应可能具有协同作用7。受氮营养缺乏激活的信号转导途径之一Ras-cAMP依赖的蛋白激酶(PKA)途径影响, 在这一过程中主导丝状生长的基因Flo11的表达量提高5倍多7。此外有研究者指出, 酿酒酵母菌的细胞凋亡机制与群体感应有关,
11、群体密度影响诱发细胞凋亡的基因损伤临界值, 其通信分子是信息素和氨15。新型隐球菌(Cryptococcus neoformans)血清型D的一般阻抑物TUP1的突变体也存在QS行为16, 突变体显示出由寡肽介导的细胞密度依赖性生长。当接种密度低于103个细胞/mL时突变体不生长, 加入含有与其活性相关寡肽的突变体高密度培养物CM可以使突变体恢复生长。但这种群体感应现象存在特异性, 在野生菌株中并未发现16。Albuquerque等17观察到新型低密度下CM可诱导隐球酵母细胞的生长、黑化和GXM分泌等, 对CM成分进行质谱分析表明起作用的物质是泛酸(pantothenic acid, PA),
12、 还发现CM也能促进白隐球酵母、白色念珠菌、酿酒酵母菌生长。3 法尼醇的生理效应3.1 影响菌丝形成Hornby等3表示, 商业和条件培养基(conditioned media, CM)纯化的法尼醇由3种不同的芽管形成诱导物(germ tube formation inducers)触发抑制菌体从酵母向菌丝体转化: L-脯氨酸, N-乙酰葡萄糖胺和血清。宏观表现为, 细胞密度低于106个/mL时, 白色念珠菌呈丝状生长, 而密度较高时以出芽酵母形态生长3。然而其对真菌生长速率无影响3, 对已经待发育成菌丝体的细胞也没有作用18。3.2 影响生物膜形成法尼醇可影响生物膜形成的多个阶段, 包括细胞
13、粘附到基底、成熟生物膜的构建及生物膜细胞的离散。Ramage等19首次证实了法尼醇对生物膜发育的影响, 他们发现法尼醇抑制生物膜的效果与生物膜的时相有关。其可以抑制早期粘附阶段(02 h)及成熟阶段(24 h)的生物膜, 但对微克隆及菌丝形成阶段(26 h)的生物膜无影响。目前, 法尼醇抑制白色念珠菌生物膜形成的机制尚未完全清楚, 但体外实验提示可能与其影响菌体形态转换及粘附性能有关。法尼醇作用的生物膜的微阵列分析显示, 除了与菌丝形成相关的基因之外, 与抗药性、细胞壁维持、细胞表面亲水性、铁转运和热休克蛋白相关的基因也受影响20。3.3 氧化应激Westwater等5研究表明, 来自白色念珠
14、菌固定相培养物的条件培养基赋予过氧化氢和超氧阴离子产生剂甲萘醌和黄体素诱导的氧化应激保护作用, 纯化的法尼醇部分重现了CM的作用, 这表明法尼醇作为抗氧化剂的功能。Shirtliff等21研究表明40 mol/L或100 mol/L的法尼醇能够诱导白色念珠菌中参与防止氧化应激反应的蛋白的上调。3.4 调节药物流出Sharma等22首先发现法尼醇是白色念珠菌药物外排泵蛋白的调节因子, 其特异性调节由三磷酸腺苷结合体转运子(adenosine triphosphate binding cassette, ABC)介导的白色念珠菌药物流出, 而不影响主要促进剂超家族(major facilitato
15、r super family, MFS)多药物挤出泵蛋白CaMdr1p。此外, 法尼醇通过增加活性氧(ROS)水平白色念珠菌来增强对唑类和多烯的作用22。Yu等23通过体外诱导氟康唑耐药株研究法尼醇对白色念珠菌耐药性的影响, 发现其抑制甾醇合成途径ERG基因的表达, 可减弱白色念珠菌对氟康唑的耐药性3.5 白色念珠菌活性法尼醇对白色念珠菌不仅是群体感应分子也是毒性介质体外实验发现2050 mol/L的法尼醇可以抑制甚至杀死多种哺乳动物类细胞系某些细菌及真菌24但白色念珠菌对法尼醇异常耐受, 300 mol/L的法尼醇亦不能改变其增长率3,19。Langford等25发现白色念珠菌对法尼醇的敏感
16、性受环境条件和自身生长阶段影响, 指数生长期的白色念珠菌较稳定生长期的耐受研究还发现培养基营养丰富的白色念珠菌对法尼醇的耐受性强, 提示能源在法尼醇耐受中起一定作用25有研究显示, 法尼醇具诱发白色念珠菌细胞凋亡的作用。Shirtliff等21提出法尼醇通过活化白色念珠菌中一种推定存在的半胱天冬酶诱导菌体凋亡, Zhu等26进一步报道Cdr-1调节的谷胱甘肽外排可能是法尼醇诱导白色念珠菌凋亡的机制之一Lger等27提出类半胱天冬酶细胞凋亡酶(metacaspase)Mca1p可能是联系白色念珠菌固有凋亡和非固有凋亡的枢纽, 在法尼醇诱导的凋亡中起双重作用3.6 对其他微生物的作用Machida等28报道, 25 mol/L
