Quorum Sensing——Molecular Mechanism and Biotechnological
Application
作者：Giuseppina Tommonaro
出版社：Academic Press
索书号：Q93-3/Q9/2019/Y
ISBN：9780128149058
藏书地点：武大外教中心
大量研究表明在微生物群体中存在着细胞与细胞间的“信息交流”的现象，1994 年 Fuqua 等首次将这种现象命名为“群体感应” (Quorum Sensing，QS)。群体感应是指细菌在生长过程中会不断产生一些称为“自诱导物” (Autoinducer，AI)的小分子，这些 AI 被分泌到生长环境中并随着细菌数量的增加而增加，当环境中的 AI 数量达到一定阈值后，它们会进入细胞内与特定的受体结合，从而调控细菌胞内信号通路，在群体水平调控相关基因的表达，使细菌适应环境的变化。一个典型的 QS系统包括 3 个核心组分：自诱导物分子、感应受体和下游调控因子。目前的研究表明，QS 参与调控微生物许多重要的生命过程，例如毒力因子、生物膜形成、生物发光、共轭调节、DNA 摄取能力、孢子形成和抗噬菌体防御等。
QS 自发现以来长期被认为只存在于细菌中，然而，近年来在许多真菌，如 白色念珠菌(Canidia albicans)、酿酒酵母菌(Saccharomyces cerevisiae)中发现了 QS 的现象，它们在代谢物合成、毒素产生、孢子形成等方面发挥重要功能。此外，最近有多项研究表明在噬菌体这种非细胞生物中也存在QS现象，如：芽孢杆菌属噬菌体(Bacillus Phages)、弧菌属噬菌体(Vibriophage VP882)、肌尾科噬菌体(Myoviridae Phage)、气单胞菌属噬菌体(Aeromonas sp. ARM81)等，这些研究表明QS现象广泛存在于微生物中并对微生物的生存与进化至关重要，极大地扩展了我们对 QS 的认识。噬菌体(Phage)作为地球上最多的生物实体，是一种可以感染细菌、真菌、放线菌等的病毒总称，依赖微生物为宿主进行复制和增殖。噬菌体感染宿主细胞有 2 种策略：一种是噬菌体通过特异性感染宿主细胞，将宿主裂解释放大量的子代噬菌体，这种称为裂解性噬菌体(Lytic Phage)；另一种是噬菌体将基因组整合到宿主细胞，以原噬菌体的方式与宿主保持稳定关系，即为溶源性噬菌体(Lysogenic Phage)。目前发现的多种噬菌体 QS 的功能主要是依赖宿主细胞密度调控噬菌体溶源—裂解周期的转换。在这些已发现的噬菌体 QS 系统中，感应受体分别属于革兰氏阳性菌中的 RRNPP (Rap、Rgg、NprR、PlcR、PrgX)家族转录因子以及革兰氏阴性菌中经典的 LuxR 转录因子，对应的 AIs 分别为寡肽以及最新鉴定的 3,5-二甲基吡嗪-2-醇(3,5-Dimethylpyrazine-2-Ol，DPO)。
铜绿假单胞菌( Pseudomonas aeruginosa)中有2个标志性的群体感应系统，分别是LasI/LasR 和RhlI/RhIR,这两个系统用来调节细菌生物被膜的形成。其中LasI产生的信号分子3OC12HSL,可以被LasR感应;而RhlI产生的信号分子C4HSL,可以被RhlR感应。在合成生物学领域，LasI/LasR和RhlI/RhIR系统被用来设计成生物被膜信号通路，该通路在生物信号传递方面非常有潜力，能够被开发成为综合性的基因信号网络。基于对生物被膜信号通路的研究，研究者们通过控制枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)胞内外信号分子的表达，设计出一种工程生物被膜,这种新型被膜可以分泌多种抗菌肽来抑制硫酸盐细菌的生长，从而降低该细菌的腐蚀作用。此外,这种生物被膜信号通路也可用于大肠杆菌(Escherichiacoli)和荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens)中。
随着抗生素大量使用，细菌耐药性是人类21 世纪面临的一个严峻问题。噬菌体能够专一性感染细菌、真菌等微生物，其感染细菌具有专一性高、增殖性强、对环境和人基本无毒等特点。噬菌体疗法逐渐成为适合治疗抗生素耐药性的潜在手段之一。但在长期的进化过程中，细菌与噬菌体之间存在精妙的军备竞赛关系。细菌进化出许多免疫机制来应对噬菌体的侵染，例如细菌可以通过 QS 抵御噬菌体侵染，噬菌体同样可以通过 QS逃避细菌强大的 CRISPR免疫系统，并且噬菌体可以“窃听”宿主的 QS 调控溶源-裂解途径的转换，维持自身群体数量等生态学关系。这些发现拓展了人们对于噬菌体QS的认识，同时也为应用噬菌体对细菌的裂解来治疗细菌感染提供了新的方向，噬菌体疗法、噬菌体裂解酶等方式运用在治疗细菌耐药性方面具备独特优势，吸引了科学家的高度关注。
学习病毒间相互作用背后的语言可以为新生物技术工具的开发、设计治疗癌症和超级耐药菌的新治疗方法提供信息。尽管 QS 信号在噬菌体—细菌相互作用和进化中的关键作用方面研究取得了重大进展，但目前仅仅完成了少数噬菌体—细菌的表征，对 QS 信号生物学意义的研究仍处于起步阶段。噬菌体间的交流和合作仍是一个未被探索的领域，噬菌体中 QS 的研究还比较少，与细菌之间交流的研究有限。目前主要发现噬菌体QS 调控噬菌体的溶源-裂解周期，噬菌体中是否有类似于细菌中的其他类型的 QS 或者特有的QS，以及噬菌体 QS 其他的生物学功能等还需要大量研究。
《群体感应——分子机理与生物技术的应用》一书于2019年由Academic Press出版社出版，作者是Giuseppina Tommonaro。本书收集、描述和总结了专家们在QS机制方面取得的最有趣的成果，帮助读者理解调节这一机制的分子基础，并描述了应用领域的新发现。
本书作为研究群体感应的专业书记，内容专业详实，语言浅显易懂，除此之外还有以下特点：
1、本书从分子基础到抗生素治疗等医学应用，以及QS在病理中的参与描述了QS机制；
2、本文分析了QS在生物技术应用方面的潜在用途，如食品包装、药物输送和海洋生物膜；
3、语言浅显易懂，对于初学者有很大的帮助。
本书目录
1. 革兰氏阴性细菌的化学语言
2. 群体感应分子鉴定的分析方法
3. 海洋生物膜与环境中的群体感应
4. 嗜极微生物的群体感应
5. 植物病害发生中的群体感应
6. 群体感应和肠道微生物
7. 生物膜中的酶的群体猝灭
8. 酚对微生物细胞和细胞通讯的影响
9. 绿脓假单胞菌群体感应和生物膜抑制
10. 环肽在神经疾病中的应用:以环肽(His-Pro)为例
兰天 武汉大学生命科学学院 博士研究生