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自誘導物

自誘導物（英文：Autoinducer）是響應細胞群密度變化而產生的信號分子。隨着群體感應細菌細胞的密度增加，自誘導物的濃度也增加。細菌對信號分子的檢測起到刺激作用，一旦達到最小閾值，就會導致基因表達改變。[1][2]群體感應是一種允許革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌相互感知並調節多種生理活動的現象。這些生理活動包括共生、毒力、移動性、抗生素生產和生物薄膜形成。[3]根據物種的不同，自誘導物有多種不同的形式，但在許多情況下它們的作用是相似的。自誘導物允許細菌在物種內部和不同物種之間進行交流。這種交流會改變基因表達，並允許細菌對環境產生協調反應，其方式與高等生物的行為和信號傳導相當。毫無疑問，有人認為群體感應可能是一個重要的進化里程碑，最終產生了多細胞生命形式。

發現

「自誘導」一詞最早是在1970年提出的，當時觀察到具有生物發光的海洋細菌，費氏弧菌僅在培養物達到閾值種群密度時才會產生發光酶（熒光素酶）。[4]在低細胞濃度下，費氏弧菌不表達熒光素酶基因。然而，一旦培養物達到指數生長期，螢光素酶基因就會迅速被激活。這種現象被稱為「自誘導」，因為它涉及在生長培養基中積累並誘導發光系統成分合成的分子（自誘導物）。[5]隨後的研究表明，費氏弧菌使用的實際自誘導物是一種酰化高絲氨酸內酯（AHL）信號分子。

機制

在最簡化的群體感應系統中，細菌只需要兩個組件即可利用自誘導物。他們需要一種產生信號的方法和一種響應該信號的方法。這些細胞過程通常緊密協調並涉及基因表達的變化。自誘導物的產生通常隨着細菌細胞密度的增加而增加。大多數信號在細胞內產生，隨後在細胞外環境中分泌。自誘導物的檢測通常涉及擴散回細胞並與特定受體結合。通常，在達到自誘導物的閾值濃度之前，不會發生自誘導劑與受體的結合。一旦發生這種情況，結合的受體會直接或間接地改變基因表達。一些受體本身就是轉錄因子，而另一些受體則將信號傳遞給下游轉錄因子。在許多情況下，自誘導物參與前向反饋迴路，由此自誘導物的小初始濃度將相同化學信號的產生放大到更高水平。

分類

酰化高絲氨酸內酯（AHL）

酰化高絲氨酸內酯（AHL）主要由革蘭氏陰性菌產生，是一類由高絲氨酸內酯環和酰基鏈組成的中性小脂質分子。[6]不同種類的革蘭氏陰性菌產生的AHL的酰基側鏈的長度和組成各不相同，通常含有4至18個碳原子。[7]AHL是由AHL合酶合成的。它們通過被動運輸和主動運輸機制擴散進出細胞。[8]AHL的受體包括許多稱為「R蛋白」的轉錄調節因子，它們作為DNA結合轉錄因子或傳感器激酶發揮作用。[9][10]

肽

參與群體感應的革蘭氏陽性細菌通常使用分泌的寡肽作為自身誘導劑。肽自誘導物通常由較大前體分子的後翻譯修飾產生。[11]在許多革蘭氏陽性細菌中，肽的分泌需要專門的輸出機制。例如，一些肽自誘導物由結合蛋白水解加工和細胞輸出的ABC運輸蛋白分泌。[12]分泌後，肽自誘導物會在細胞外環境中積累。一旦達到信號的閾值水平，雙組分調節系統的組氨酸傳感器激酶蛋白就會檢測到它，並將信號傳遞到細胞中。與AHL一樣，信號最終會改變基因表達。然而，與某些AHL不同的是，大多數寡肽本身並不充當轉錄因子。

呋喃糖硼酸二酯

自由生活的具有生物發光的海洋細菌，哈維氏弧菌除了使用酰化高絲氨酸內酯外，還使用另一種信號分子。這種分子稱為自誘導物-2（AI-2），是一種呋喃糖硼酸二酯。[13]AI-2也由許多革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌產生和使用，被認為是兩種主要類型的群體感應電路之間的進化聯繫。

在革蘭氏陰性菌中

如前所述，革蘭氏陰性菌主要使用AHL作為自誘導分子。革蘭氏陰性菌中的最小的群體感應迴路由一種合成AHL的蛋白質和另一種檢測它並導致基因表達變化的其他白質組成。首先在費氏弧菌中發現，這兩種這樣的蛋白質分別是LuxI和LuxR。[14][15]其他革蘭氏陰性菌使用LuxI樣和LuxR樣蛋白質（同系物），表明高度的進化保守序列。然而，在革蘭氏陰性菌中，LuxI或LuxI型迴路已在不同物種中進行了修改。這些修改反映了細菌適應生長和響應特定生態位環境。

費氏弧菌：生物發光

在生態學上，已知費氏弧菌與許多真核宿主有共生關係，包括夏威夷短尾魷魚。[16]在這種關係中，魷魚宿主將細菌維持在專門的光器官中。宿主為細菌提供了一個安全且營養豐富的環境，反之，細菌提供了光。雖然生物發光可用於交配和其他目的，但夏威夷短尾魷魚用於消光剪影以避免被捕食。[17]

費氏弧菌使用的自誘導分子是N-(3-氧代己酰基)-高絲氨酸內酯。[18]該分子由LuxI合酶在細胞質中產生，並通過細胞膜分泌到細胞外環境中。與大多數自誘導物一樣，N-(3-氧代己酰基)-高絲氨酸內酯的環境濃度與每個細胞內的細胞內濃度相同。[19]N-(3-氧代己酰基)-高絲氨酸內酯一旦達到閾值濃度（~10μg/ml），就會擴散回細胞中，並被LuxR識別。LuxR結合自誘導​​物並直接激活luxICDABE操縱子的轉錄。[20]這會導致自誘導物的產生和生物發光都呈指數增長。被自體誘導物結合的LuxR也抑制 luxR的表達，這被認為提供了一種負反饋補償機制來嚴格控制生物發光基因的水平。

綠膿桿菌：毒力和抗生素生產

綠膿桿菌是一種與囊腫性纖維化相關的機會性人類病原體。在綠膿桿菌感染中，群體感應對於生物膜的形成和致病性至關重要。[21]綠膿桿菌包含兩對LuxI/LuxR同源物，LasI/LasR和RhlI，RhlR。[22][23]LasI和RhlI是合成酶，分別催化N-(3-氧代十二烷酰基)-高絲氨酸內酯和N-(丁酰基)-高絲氨酸內酯的合成。[24][25]LasI/LasR和RhlI/RhlR 迴路協同作用以調節許多毒力基因的表達。在閾值濃度下，LasR與N-(3-氧代十二烷酰基)-高絲氨酸內酯結合。這種結合的複合物共同促進了導致感染過程早期階段的毒力因子的表達。[22]

LasR與其自身誘導物結合，也激活了綠膿桿菌中RhlI/RhlR系統的表達。[26]這導致RhlR的表達，然後結合其自身誘導物N-(丁酰基)-高絲氨酸內酯。接着，與自身誘導物結合的RhlR會激活與感染後期有關的第二類基因，包括生產抗生素所需的基因。[23]綠膿桿菌所產生的抗生素是用於預防其他細菌種類的機會性感染。N-(3-氧代十二烷酰基)-高絲氨酸內酯可防止N-(丁酰基)-高絲氨酸內酯與其同源調節物RhlR之間的結合。[27]普遍認為這種控制機制允許綠膿桿菌以適當的順序啟動群體感應級聯，從而進行適當的感染周期。

其他革蘭氏陰性自誘導物

  • 綠膿桿菌還使用2-庚基-3-羥基-4-喹諾酮（PQS）進行群體感應。[28]該分子值得關注，因為它不屬於高絲氨酸內酯類自誘導物。PQS被認為在涉及毒力和感染的Las和Rhl迴路之間提供了額外的調節聯繫。
  • 根癌農桿菌是一種植物病原體，可在易受感染宿主上誘發腫瘤。根癌農桿菌感染涉及將致癌質體從細菌轉移到宿主細胞核，而群體感應控制質體在細菌之間的結合轉移。[29]另一方面，接合需要HSL自誘導物N-(3-氧代辛酰基)-高絲氨酸內酯。[30]
  • 胡蘿蔔軟腐歐文氏菌是另一種引起軟腐病的植物病原體。這些細菌分泌纖維素酶和果膠酶，它們是降解植物細胞壁的酶。[31]ExpI/ExpR是胡蘿蔔軟腐歐文氏菌中的LuxI/LuxR同源物，普遍認為僅當達到足夠高的局部細胞密度時才控制這些酶的分泌。在胡蘿蔔軟腐歐文氏菌中參與群體感應的自誘導物是N-(3-氧代己酰基)-L-高絲氨酸內酯。[32]

在革蘭氏陽性菌中

革蘭氏陰性菌主要使用酰化高絲氨酸內酯，而革蘭氏陽性菌通常使用寡肽作為群體感應的自誘導物。這些分子通常被合成為較大的多肽，這些多肽在翻譯後被切割以產生「加工過的」肽。與可以自由擴散穿過細胞膜的AHL不同，肽自誘導劑通常需要專門的轉運機制（通常是ABC運輸蛋白）。此外，它們不會自由地擴散回細胞中，因此使用它們的細菌必須具有在細胞外環境中檢測它們的機制。大多數革蘭氏陽性細菌在群體感應中使用雙組分信號機制。分泌的肽自誘導物作為細胞密度的功能而積累。一旦自誘導物達到定額水平，它與細胞膜上的傳感器激酶的相互作用就會引發一系列磷酸化事件，最終導致細胞內調節蛋白的磷酸化。該調節蛋白隨後充當轉錄因子並改變基因表達。與革蘭氏陰性菌類似，革蘭氏陽性菌的自誘導和群體感應系統是保守的，但同樣的，個別物種有為在獨特的生態環境中生存和交流而量身定製的特定方面。

肺炎鏈球菌：活化

肺炎鏈球菌是人類致病菌，其基因轉化過程在1930年首次被描述。[33]為了讓細菌從周圍環境中吸收外源DNA，它必須具活化能力。在肺炎鏈球菌中，必須發生許多複雜事件才能達到活化的狀態，但人們認為群體感應在此過程扮演重要角色。[34]感受態刺激肽（CSP）是活化和隨後的基因轉化所需的17-氨基酸肽自誘導物。[35]CSP由41-氨基酸前體肽（ComC）的蛋白水解切割產生；由ABC運輸蛋白（ComAB）分泌；一旦達到閾值濃度，就會被傳感器激酶蛋白（ComD）檢測到。[36][37][38]檢測之後是 ComD的自磷酸化，進而磷酸化ComE。ComE是一種響應調節劑，負責激活comX的轉錄，而comX的產物是激活參與活化發展的許多其他基因的轉錄所必需的。[39]

枯草桿菌：活化和孢子形成

枯草桿菌是一種土壤微生物，它使用群體感應來調節兩種不同的生物過程：活化和孢子形成。在枯草桿菌處於高細胞密度的靜止生長期，群體中大約10%的細胞被誘導變得活化。普遍認為該亞群變得活化吸收可能用於修復受損（突變）染色體的DNA。[40]ComX（也稱為活化因子）是由55-氨基酸肽前體加工而成的10-氨基酸肽。[41]像大多數自體誘導物一樣，ComX作為細胞密度的功能被分泌和積累。一旦達到閾值細胞外水平，ComX就會被雙組分ComP/ComA傳感器激酶或響應調節器對檢測到。[42]ComA的磷酸化激活了comS基因的表達，而ComS抑制了ComK的降解，最後ComK激活了活化所需的許多基因的表達。[43]

孢子形成是枯草桿菌對特定環境中營養物質消耗的生理反應。它也受細胞外信號的調節。當枯草桿菌種群感知到條件減弱時，它們會通過不對稱的細胞分裂做出反應。[44]這最終會產生適合在不利條件下傳播和生存的孢子。枯草桿菌中的孢子形成由CSF（孢子形成因子）介導，CSF是一種從前體肽PhrC上切割下來的五肽。[45]CSF被分泌到細胞外環境中，並通過ABC運輸蛋白Opp被帶回細胞中，並在細胞內發揮作用。[46]雖然CSF的低內部濃度有助於活化，但高濃度會誘導孢子形成。CSF抑制磷酸酶RabB，並增加了Spo0A的活性，有利於從活化到孢子形成途徑的轉換。[40]

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