第一节 群体感应发现的时间线
一 概述
细菌最开始被认为是独立的个体，但经过50多年的研究发现，细菌并非独立工作，而是利用复杂的细胞间通信网络来协调集体行为，以应对环境挑战。细菌在生长过程中能够释放特定的自诱导分子(autoinducer, AI)来感知菌群密度的变化。当自诱导分子随种群密度的增加积累到一定的浓度阈值时，可与相应的受体蛋白结合，引起受体蛋白构象或基团的变化，进而启动一系列相关基因的表达，从而调节细菌的群体行为，这种现象被称为群体感应。本节将主要介绍群体感应发现的时间线。
二 群体感应发现的时间线
群体感应研究的起源可以追溯至20世纪中叶。1965年，美国洛克菲勒研究所发现肺炎链球菌的“转化能力”需要依赖其产生的一些胞外分子，这些胞外分子可以在细胞之间进行信号传递，该现象被认为是一种化学通讯形式[1]。“转化能力”指的是一些细胞能够吸收具有生物活性的DNA分子并进行遗传转化的能力，是某些肺炎链球菌菌株的遗传特性。该研究首次提供了细胞外激素样分子可以促进细菌群体行为的证据。链球菌的“转化能力”仅在时间相对较短的对数生长中晚期才能在大多数细菌中表达。此时，通过标记多倍的DNA，可以观察到种群内大部分细菌进行转化的现象。这种肺炎链球菌能力特性的一致性和同步性表达似乎由一些能够影响细胞随机分裂的环境因素或内源性因素所控制。在细菌密度较低时，这种表型在大多数菌群成员中是“受抑制的”。传统观点认为细菌群体缺乏特定的细胞间通信机制，但该研究成果却挑战了这一观点，并提出：细菌种群可以被视为一个生物单元，其成员之间有暂时的、相当大的协调性。该研究成果揭示了细菌种群中一种原始的、暂时的“分化”现象。
1970年，哈佛大学学者Nealson在海洋细菌费氏弧菌(Vibrio fischeri)和哈维氏弧菌(Vibrio harveyi)中发现了群体感应控制的生物发光现象[2]。研究者观察到在培养液中，细菌的生长和发光性状的产生并不同步，发光性状相对滞后，且只在对数生长期的中期才开始。在此期间，发光性状的出现和增长速度远远超过细菌数量的增长速度。深入的研究发现，在新鲜接种的培养液中，荧光素酶基因（或操纵子）受到抑制；而在细菌指数生长期时，荧光素酶基因被激活，并快速、优先地合成荧光素酶。研究者把这种现象称为“自动感应”(autoinduction)。此外，关于费氏弧菌的研究还发现，生物荧光的产生与细菌的种群密度有关：在群体密度低时，细菌不产生荧光；但当群体密度达到一定阈值时，细菌便会迅速地产生荧光。因此，该现象又被称为细胞密度依赖现象(cell density dependent phenomenon)。但这些发现在此后的10~20年未引起重视，直到 20 世纪 80 年代，才再次取得了突破性进展。
1981年，Eberhard发现在某些发光的细菌中，细菌荧光素酶的合成需要一定阈值浓度的自诱导因子，该自诱导因子由细菌合成并分泌到培养液中。研究者从无细胞培养液中分离出菲舍里光杆菌(Photobacterium fischeri, P fischeri)分泌的自诱导因子，其结构为N-（3-氧代己基）-3-氨基二氢-2(3H)-呋喃酮[或N-（β-酮己基）高丝氨酸内酯][3]。菲舍里光杆菌的自诱导因子是第一个化学结构被确定为酰基高丝氨酸内酯(acyl homoserine lactone, AHL)的自诱导因子。这种小分子是一种特殊的基因调节因子，只有当它分泌到培养液中并积累到一定浓度时才发挥作用，但当时它在自然环境中的作用还未知。
1983年，Engebrecht等确定了海洋细菌费氏弧菌的发光基因为lux，并证明了luxI和luxR控制lux基因的转录[4]。他们在含有费氏弧菌DNA的杂交质粒克隆文库中发现了发光的重组大肠埃希菌。所有的发光克隆株基因组均有一个16kb的插入片段，它编码了光反应酶的活性以及发光表型表达所必需的调节功能。从这些调控关系出发，研究者们提出了一个光生产的遗传控制模型：在细菌密度较低时合成用于光生产的自诱导分子和酶，直到达到自诱导分子的临界浓度（预诱导）。此时，足够多的自诱导分子与操纵子L编码的受体相互作用，并激活操纵子R的转录以产生更多的自诱导分子。这进一步增加了操纵子R的转录，导致光生产的速度呈指数增长（见图1-1-1）。1984年，该团队确定了7个lux基因及其相应的基因产物[5]。这些基因按线性关系图上所示的位置顺序排列依次为luxR(27000)、luxI(25000)、luxC(53000)、luxD(33000)、luxA(40000)、luxB(38000)和luxE(42000)。后续研究发现，与费氏弧菌光反应产生有关的自诱导分子为含6碳脂肪酸侧链的AHL。AHL的合成酶基因为luxI，其表达依赖于AHL的调控因子基因luxR以及与荧光酶产生有关的基因luxCDABEG，luxI和luxCDABEG位于同一个基因簇，它们的表达均受luxR-AHL复合体的正向调控。
图1-1-1 生物发光的遗传调控模型（BioRender.com制图）
三 结语
群体感应概念起源于20世纪中叶，最早发现于肺炎链球菌。该菌获得“转化能力”需要自身产生某些胞外分子，这些胞外分子可以在细胞间进行信号传递。后续研究发现，费氏弧菌和哈维氏弧菌的生物发光现象也表现出了群体行为，并且发现了费氏弧菌发光的相关调控基因———lux系统。自此之后，更多的研究发现在其他细菌种群中也存在类似的现象，这也推动了对群体感应系统研究的进展。
参考文献
[1] Tomasz A.Control of the competent state in Pneumococcus by a hormone-like cell product：an example for a new type of regulatory mechanism in bacteria.Nature，1965，208(5066)：155-159.
[2] Nealson KH，Platt T，Hastings JW.Cellular control of the synthesis and activity of the bacterial luminescent system.J Bacteriol，1970，104(1)：313-322.
[3] Eberhard A.Structural identification of autoinducer of Photobacterium fischeri luciferase.Biochemistry，1981，20(9)：2444-2449.
[4] Engebrecht J，Nealson K，Silverman M.Bacterial bioluminescence isolation and genetic analysis of functions from Vibrio fischeri.Cell，1983，32(3)：773-781.
[5] Engebrecht J，Silverman M.Identification of genes and gene products necessary for bacterial bioluminescence.Proc Natl Acad Sci USA，1984，81(13)：4154-4158.
（徐峰，胡惠群）