细菌与噬菌体相互抵抗机制研究进展

噬菌体作为一种侵染细菌的病毒,能够特异性识别宿主细菌。近年来,抗生素的过度使用导致耐药细菌的出现,噬菌体有望成为对抗耐药细菌的新武器。在细菌与噬菌体长期共进化过程中,二者都演化出一系列抵御策略。本文从抑制噬菌体吸附、阻止噬菌体DNA进入、切割噬菌体基因组、流产感染以及群体感应对噬菌体的调控等方面,对细菌抵抗噬菌体的机制以及噬菌体应对细菌的策略进行了综述,同时还列举了细菌和噬菌体相互抵抗机制的检测方法,以期为噬菌体在细菌控制中的应用以及探究细菌抵抗噬菌体的机制提供理论依据。     

细菌群体感应及其在病原菌防治中的应用

细菌分泌一种或多种化学信号分子,这些化学信号分子作为诱导因子感知和判断菌群密度和周围环境的变化。当菌群达到一定阈值时会启动一系列相关基因的表达以调控菌体的群体行为,细菌的这种生理行为称为群体感应。大量的研究表明,不同类型的细菌具有不同的群体感应系统。群体感应机制广泛存在于病原菌中,并与其侵染过程、毒力基因表达及致病性密切相关。利用这种群体感应机制作为靶点进行病原菌的防治是医学领域广泛关注的问题。在此就细菌群体感应及其在病原菌防治中的应用进行阐述。     

噬菌体群体感应系统及其分子机理研究进展

群体感应（Quorum Sensing,QS）是微生物群体在生长过程中,随着群体密度的增加,其分泌的“信号分子”的浓度达到一定阈值后与微生物体内特定受体结合,从而影响微生物特定基因表达,导致其生理和生化特性的变化,表现出少量菌体或单个菌体所不具备的特征。1994年Fuqua提出群体感应概念后就成为微生物领域的研究热点。然而,群体感应的研究主要集中在细菌中,但近年来群体感应在噬菌体、真菌中也不断被发现,尤其自2017年Erez在多种枯草芽孢杆菌噬菌体中发现群体感应现象,并且揭示噬菌体群体感应主要调控其溶原-裂解途径的转换。近年来的研究又陆续在其他噬菌体中发现了群体感应。本文综述了噬菌体群体感应系统最新研究进展及其相关的基因功能和分子机理。     

细菌群体感应系统的研究

群体感应是细菌根据细胞密度变化进行基因表达调控的一种生理行为.细菌通过群体感应与周围环境进行信息交流,参与多种生理过程.就细菌群体感应系统的组成、作用机制、类型、特点及细菌中群体感应的最新进展作以综述.     

密度感应系统：对细菌致病力的自行调控

细菌通过密度感应系统感受环境中的信号分子,进而调控菌群一系列生物学性状。研究发现密度感应系统能够调控细菌生物被膜形成、毒力基因表达及噬菌体感染等功能,其中基于密度感应系统调控细菌抵御噬菌体感染更是新发现,预期也将是未来数年的研究热点,其调控机制的阐明将为有效应用噬菌体开展耐药菌的防控展现广阔前景。本文将重点综述细菌密度感应系统对细菌致病相关功能的调控机制,旨在为病原菌的防控提供新思路。     

海洋微生物群体感应与群体感应淬灭的开发利用

群体感应与感应淬灭在微生物中普遍存在,群体感应通过调控基因表达赋予细菌有益或有害的特性,这些特性与人类健康、农业及水产养殖等领域密切相关。群体感应现象首先发现于海洋环境,近几年海洋采样等相关技术的发展,极大促进了海洋微生物的群体感应与淬灭研究的快速发展。本文对细菌及典型真菌的群体感应作用机制、信号分子的多样性以及其与细菌致病性的相关性进行了阐述,对群体感应淬灭的机制与意义、淬灭因子多样性以及相关酶资源的发掘也进行了分析和展望。     

裂解或溶源-细菌遭遇噬菌体后的命运抉择

噬菌体是地球上数量最丰富的有机体,其在自然生态系统的塑造和细菌进化驱动中发挥着至关重要的作用。在与宿主的相互斗争中,噬菌体可以选择以下2种方式决定其与宿主的命运：（1）裂解：通过裂解宿主细胞最终大量释放噬菌体颗粒;（2）溶原：将其染色体整合到宿主细胞基因组中,与宿主建立一种潜在的互存关系。对于一些温和的噬菌体,这种倾向进一步受到感染多样性的调节,其中单一感染主要是裂解性的,而多重感染则多是溶原性的。溶原性的噬菌体不仅可以根据外界环境的理化因子,还可以通过细菌自身的群体感应系统来启动裂解-溶原开关,进而决定其宿主菌的命运。与此同时,宿主细菌在与噬菌体长时间的斗争中也进化出了针对噬菌体的手段。总而言之,噬菌体深刻影响着细菌的群落动态、基因组进化和生态系统等,而这一切都取决于噬菌体与宿主间的斗争模式（裂解/溶原性感染）。本文探讨了导致温和噬菌体对宿主菌进行裂解-溶原命运抉择的影响因素并系统性总结了细菌在面对噬菌体侵染时的应对策略的最新研究进展,以期能为噬菌体与宿主的研究提供建议和帮助。     

革兰氏阳性菌群体感应系统研究进展

细菌利用群体感应系统进行细菌间以及细菌与宿主间的交流,革兰氏阳性与阴性菌的群体感应系统差异显著,阳性菌的群体感应系统主要由寡肽类信号分子和受体蛋白组成,对细菌致病性等相关生理特性具有重要作用。就常见的革兰氏阳性菌：蜡样芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌和肺炎链球菌的群体感应系统的基因组成、信号分子及其调控机制特点的研究进行了总结,对群体感应系统在细菌营养吸收、生物膜形成、毒力因子和孢子产生等重要生理活动的调节机制进行了重点阐述,为革兰氏阳性菌群体感应的相关研究提供了有益参考。     

工业微生物的噬菌体感染与防治策略

以细菌为基础的生物技术在蓬勃发展的同时也不断受到噬菌体感染的威胁,噬菌体感染已成为微生物发酵过程中的一个顽疾,其实质是噬菌体与细菌之间复杂的共进化关系。在漫长的进化过程中,噬菌体已经形成了多种针对细菌抗性系统的逃逸机制。合理的工厂设计、菌株的轮换策略和传统的基因工程方法能在一定程度上降低噬菌体感染的风险,但仍然无法避免。基于CRISPR-Cas系统的防治策略仅需噬菌体的序列信息就可以理性设计噬菌体抗性菌株,且可以通过叠加效应不断增强菌种抗性,从而避免噬菌体的逃逸;群体感应信号分子则可以从整体水平上调节细菌的噬菌体抗性。这些新发现为噬菌体感染问题的解决带了新的希望,而噬菌体基因组编辑技术和合成生物学的快速发展则将进一步加深人们对噬菌体感染防治领域的认识。     

噬菌体吸附及受体结合蛋白 (RBP) 的研究进展与应用

噬菌体通过受体结合蛋白(Receptor binding protein,RBP)结合到细菌表面,其过程需要复杂的原子结构的参与和构象改变。针对噬菌体侵染,细菌发展了多种抗性机制,同时,噬菌体也进化出多种逃逸宿主抗性的机制。对噬菌体与细菌间"吸附-抗吸附-逃逸过程"的探索有助于我们理解噬菌体与细菌共进化的过程,对科学发展噬菌体治疗技术以及噬菌体的生物应用技术具有重要意义。本文概述了噬菌体吸附相关蛋白及吸附发生过程、基于RBP改变的噬菌体逃逸机制和RBP相关的生物技术研究进展。     

The effect of Quorum sensing inhibitors on the evolution of CRISPR-based phage immunity in Pseudomonas aeruginosa

Quorum sensing controls the expression of a wide range of important traits in the opportunistic pathogen Pseudomonas aeruginosa, including the expression of virulence genes and its CRISPR-cas immune system, which protects from bacteriophage (phage) infection. This finding has led to the speculation that synthetic quorum sensing inhibitors could be used to limit the evolution of CRISPR immunity during phage therapy. Here we use experimental evolution to explore if and how a quorum sensing inhibitor influences the population and evolutionary dynamics of P. aeruginosa upon phage DMS3vir infection. We find that chemical inhibition of quorum sensing decreases phage adsorption rates due to downregulation of the Type IV pilus, which causes delayed lysis of bacterial cultures and favours the evolution of CRISPR immunity. Our data therefore suggest that inhibiting quorum sensing may reduce rather than improve the therapeutic efficacy of pilus-specific phage, and this is likely a general feature when phage receptors are positively regulated by quorum sensing.Subject terms: Microbiology, Antimicrobials     

Monitoring of Vibrio harveyi quorum sensing activity in real time during infection of brine shrimp larvae

Quorum sensing, bacterial cell-to-cell communication, has been linked to the virulence of pathogenic bacteria. Indeed, in vitro experiments have shown that many bacterial pathogens regulate the expression of virulence genes by this cell-to-cell communication process. Moreover, signal molecules have been detected in samples retrieved from infected hosts and quorum sensing disruption has been reported to result in reduced virulence in different host–pathogen systems. However, data on in vivo quorum sensing activity of pathogens during infection of a host are currently lacking. We previously reported that quorum sensing regulates the virulence of Vibrio harveyi in a standardised model system with gnotobiotic brine shrimp (Artemia franciscana) larvae. Here, we monitored quorum sensing activity in Vibrio harveyi during infection of the shrimp, using bioluminescence as a read-out. We found that wild-type Vibrio harveyi shows a strong increase in quorum sensing activity early during infection. In this respect, the bacteria behave remarkably similar in different larvae, despite the fact that only half of them survive the infection. Interestingly, when expressed per bacterial cell, Vibrio harveyi showed around 200-fold higher maximal quorum sensing-regulated bioluminescence when associated with larvae than in the culture water. Finally, the in vivo quorum sensing activity of mutants defective in the production of one of the three signal molecules is consistent with their virulence, with no detectable in vivo quorum sensing activity in AI-2- and CAI-1-deficient mutants. These results indicate that AI-2 and CAI-1 are the dominant signals during infection of brine shrimp.     

Analysis of noise in quorum sensing

Noise may play a pivotal role in gene circuit functionality, as demonstrated for the genetic switch in the bacterial phage lambda. Like the lambda switch, bacterial quorum sensing (QS) systems operate within a population and contain a bistable switching element, making it likely that noise plays a functional role in QS circuit operation. Therefore, a detailed analysis of the noise behavior of QS systems is needed. We have developed a set of tools generally applicable to the analysis of gene circuits, with an emphasis on investigations in the frequency domain (FD), that we apply here to the QS system in the marine bacterium Vibrio fischeri. We demonstrate that a tight coupling between exact stochastic simulation and FD analysis provides insights into the structure/function relationships in the QS circuit. Furthermore, we argue that a noise analysis is incomplete without consideration of the power spectral densities (PSDs) of the important molecular output signals. As an example we consider reversible reactions in the QS circuit, and show through analysis and exact stochastic simulation that these circuits make significant and dynamic modifications to the noise spectra. In particular, we demonstrate a "whitening" effect, which occurs as the noise is processed through these reversible reactions.     

细菌群体感应“合作-欺骗”研究进展

细菌利用信号分子进行细胞间的交流即为群体感应.群体感应调控着生物膜形成、公共物质合成、基因水平转移等一系列社会性行为.在群体感应过程中,公共物质分泌后可以被群体中任何个体所使用即合作;亦可以被一些不分泌公共物质的个体所使用形成欺骗.群体感应合作-欺骗既可能在种群中稳定维持,也可能由于欺骗子的快速增长造成种群崩溃.欺骗子致种群崩溃为病原菌控制新策略研发带来了希望,是目前群体感应研究方面的前沿和热点.本文在介绍细菌群体感应合作及欺骗的基础上,分析了群体感应合作-欺骗生态关系形成和发展的影响因素,重点从亲缘选择、谨慎代谢、代谢限制(基因多效型)、群体感应监管等方面探讨了细菌群体感应合作-欺骗的稳定维持机制,并对细菌群体感应合作-欺骗的相关研究进行了问题总结和展望,以期为深入理解群体感应、微生物种群生态提供参考.     

RND家族外排泵及其与微生物群体感应系统的相互关系

抗生素耐药性一直是细菌病害防治的难题,药物外排泵过量表达是细菌耐药性形成的重要机制之一。在革兰氏阴性细菌中,RND(Resistance-nodulation-cell division)家族外排泵在耐药性中发挥着重要作用,近年来的研究表明,依赖于小分子信号物质进行调控的群体感应系统与RND外排泵家族之间存在紧密的相互作用关系。本文在介绍RND家族外排泵的结构、转运机理和群体感应系统的类型及调控方式的基础上,剖析了群体感应系统对RND外排泵的调控机理以及RND外排泵对群体感应系统信号分子转运的影响。深入研究RND家族外排泵与群体感应系统之间的相互依赖、相互制约关系有利于阐明RND家族外排泵的调控机理,并有可能为克服微生物耐药性问题提供新的思路。     

喹诺酮信号系统研究进展

喹诺酮信号系统是铜绿假单胞菌群体感应调控网络中一个重要组成部分,对于绿脓菌素和弹性蛋白酶等毒力因子的表达及细菌生物被膜形成和细菌运动具有重要的调控作用,因此与临床细菌感染密切相关。3,4-二羟基-2-庚基-喹诺酮(Pseudomonas quinolone signal,PQS)及2-庚基-4喹诺酮(4-hydroxy-2-heptylquinoline,HHQ)是pqs调控系统中重要的信号分子。PQS对于细菌在压力下群体密度及细菌物质运输具有调控作用,从而增强细菌对于环境的适应能力。同时PQS等分子在一定程度上抑制了人体的免疫系统,帮助细菌在宿主体内生存。HHQ在其他革兰氏阴性细菌及革兰氏阳性细菌中也有合成并发挥调控作用,所以喹诺酮信号分子不仅是种内也是种间交流媒介。将喹诺酮系统作为靶点降低细菌的信号交流是抑制细菌感染的一个新思路。本文对喹诺酮信号系统进行概述。