真菌群體感應(yīng)分子法尼醇及其作用機(jī)制

1、第8卷第3期食品安全質(zhì)量檢測(cè)學(xué)報(bào)Vol.8No.32017年3月JournalofFoodSafetyQualityMar.2017基金項(xiàng)目:浙江省自然科學(xué)基金(LR13C200002)Fund:SupptedbytheNaturalScienceFoundationofZhejiangProvince(LR13C200002)通訊作者:陳啟和教授、博士生導(dǎo)師主要研究方向?yàn)槭称飞锇踩c生物技術(shù)。Email:chenqh@zju.Cre

2、spondingauth:CHENQiHeProfessDepartmentofFoodScienceNutritionFuliInstituteofFoodScienceZhejiangUniversityNo.866YuhangtangRoadXihuDistrictHangzhou310058China.Email:chenqh@zju.真菌群體感應(yīng)分子法尼醇及其作用機(jī)制柯慧慧牛永武吳嘉南陳啟和(浙江大學(xué)食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)系杭州310

3、058)摘要:群體感應(yīng)(quumsensingQS)是取決于細(xì)胞密度的微生物通信機(jī)制可調(diào)節(jié)細(xì)菌毒力因子分泌、生物膜形成、感受態(tài)和生物發(fā)光等行為。真菌群體感應(yīng)系統(tǒng)10年前在法尼醇控制致病多態(tài)性真菌白色念珠菌中的細(xì)絲化研究中被發(fā)現(xiàn)。研究顯示法尼醇作為群體感應(yīng)分子(QSM)對(duì)宿主和其他微生物發(fā)揮多種作用還發(fā)現(xiàn)芳香醇酪醇是控制白色念珠菌生長(zhǎng)、形態(tài)發(fā)生和生物膜形成的另一群體感應(yīng)分子。在釀酒酵母中發(fā)現(xiàn)另兩種芳香醇苯乙醇和色氨酸是在氮饑餓條件下調(diào)節(jié)形

4、態(tài)發(fā)生的群體感應(yīng)分子。此外類似于群體感應(yīng)的種群密度依賴性行為已在幾種其他真菌中描述。本篇綜述總結(jié)了目前發(fā)現(xiàn)群體感應(yīng)效應(yīng)的幾種關(guān)鍵真菌物種并重點(diǎn)陳述了研究較多的白色念珠菌和法尼醇作用的微觀機(jī)制研究進(jìn)展。關(guān)鍵詞:真菌群體感應(yīng)信號(hào)分子白色念珠菌法尼醇QuumsensingmoleculefarnesolitsactionmechanisminfungiKEHuiHuiNIUYongWuWUJiaNanCHENQiHe(Departmentof

5、FoodScienceNutritionZhejiangUniversityHangzhou310058China)ABSTRACT:Quumsensing(QS)isamechanismofmicrobialcommunicationdependentoncelldensitythatcanregulateseveralbehavisinbacteriasuchassecretionofvirulencefactsbiofilmfma

6、tioncompetencebioluminescence.InthepaststudyfarnesolhasbeenshowntoplaymultiplerolesinCidaalbicansphysiologyasasignalingmoleculeinducedifferenteffectsonothermicrobes.Inadditiontofarnesolthearomaticalcoholtyrosolwasalsofou

7、ndtobeaCidaalbicansQSmolecule(QSM)controllinggrowthmphogenesisbiofilmfmation.InSacomycescerevisiaeothertwoaromaticalcoholsphenylethanoltryptopholwerefoundtobeQSMsregulatingmphogenesisduringnitrogenstarvationconditions.Ad

8、ditionallypopulationdensitydependentbehavisthatresembleQShadbeendescribedinseveralotherfungalspecies.ThefungalspeciesthathaddiscoveredQSbehaviswerereviewedinthispaperthephysiologicaleffectsmechanismsoffarnesolinCidaalbic

9、answeremainlyintroduced.KEYWDS:fungiquumsensingquumsensingmoleculeCidaalbicansfarnesol1引言許多生物體呈現(xiàn)的化學(xué)通訊現(xiàn)象是現(xiàn)今化學(xué)微生物學(xué)界最突出的研究領(lǐng)域之一20多年來(lái)已認(rèn)識(shí)到不同細(xì)菌利用信號(hào)分子協(xié)調(diào)表型表達(dá)以實(shí)現(xiàn)其在植物、宿主動(dòng)物及人類環(huán)境中成功建群的能力。群體感應(yīng)(quumsensingQS)是微生物響應(yīng)群體密度和或其他微生物種類的存在來(lái)協(xié)調(diào)基因

10、表達(dá)的通信系統(tǒng)由稱為自體誘導(dǎo)物或群體感應(yīng)分子(quumsensingmoleculeQSM)的外源信號(hào)分子介導(dǎo)。這些分子在細(xì)胞生長(zhǎng)期間積累達(dá)到閾值濃度后誘導(dǎo)引發(fā)第3期柯慧慧等:真菌群體感應(yīng)分子法尼醇及其作用機(jī)制3的敏感性受環(huán)境條件和自身生長(zhǎng)階段影響指數(shù)生長(zhǎng)期的白色念珠菌較穩(wěn)定生長(zhǎng)期的耐受?研究還發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)豐富的白色念珠菌對(duì)法尼醇的耐受性強(qiáng)提示能源在法尼醇耐受中起一定作用[25]?有研究顯示法尼醇具誘發(fā)白色念珠菌細(xì)胞凋亡的作用。Shi

11、rtliff等[21]提出法尼醇通過(guò)活化白色念珠菌中一種推定存在的半胱天冬酶誘導(dǎo)菌體凋亡Zhu等[26]進(jìn)一步報(bào)道Cdr1調(diào)節(jié)的谷胱甘肽外排可能是法尼醇誘導(dǎo)白色念珠菌凋亡的機(jī)制之一?Lger等[27]提出類半胱天冬酶細(xì)胞凋亡酶(metacaspase)Mca1p可能是聯(lián)系白色念珠菌固有凋亡和非固有凋亡的樞紐在法尼醇誘導(dǎo)的凋亡中起雙重作用?3.6對(duì)其他微生物的作用Machida等[28]報(bào)道25μmolL的法尼醇抑制釀酒酵母生長(zhǎng)而不損害細(xì)

12、胞活力這種抑制與G1細(xì)胞周期停滯和細(xì)胞內(nèi)二?；视?DAG)水平顯著降低有關(guān)。DAG水平降低導(dǎo)致調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖和響應(yīng)DAG生長(zhǎng)的蛋白激酶C(PKC)信號(hào)通路失活。他們還表示法尼醇通過(guò)抑制釀酒酵母中的線粒體電子傳遞鏈誘導(dǎo)ROS形成因此認(rèn)為ROS生成是導(dǎo)致依賴于PKC途徑的細(xì)胞阻滯的替代信號(hào)[29]。已報(bào)道法尼醇觸發(fā)構(gòu)巢曲霉(Aspergillusnidulans)真菌凋亡的機(jī)制依賴于線粒體功能并涉及ROS、FadA異源三聚體G蛋白和(ADP

13、核糖)聚合酶(PARP)的產(chǎn)生(作用于DNA損傷)[30]。Salvodi等[31]發(fā)現(xiàn)可形成自噬體的ATG8基因的突變體對(duì)法尼醇作用敏感而蛋白激酶c突變體(calC2)更具抗性提示這種凋亡可能依賴于自噬和蛋白激酶C(pkcA)功能。法尼醇影響黑曲霉(Aspergillusniger)形態(tài)濃度高于10mmolL的法尼醇就可完全抑制分生孢子生長(zhǎng)并導(dǎo)致環(huán)腺苷酸(cAMP)水平十倍地下降[32]。Dichtl等[33]研究表明法尼醇抑制人類病

14、原體煙曲霉(Aspergillusfumigatus)野生型細(xì)胞生長(zhǎng)作為細(xì)胞壁應(yīng)激劑抑制細(xì)胞壁完整性信號(hào)通路導(dǎo)致tiplocalizedRho蛋白錯(cuò)誤放置引發(fā)菌絲形態(tài)問(wèn)題。法尼醇對(duì)禾谷鐮刀菌(Cidadubliniensis)具有誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡和影響大分生孢子產(chǎn)生、發(fā)育、萌發(fā)、存活的作用因此可作為潛在的新型抗真菌劑[34]。法尼醇抑制假絲酵母(Cidadubliniensis)中菌絲和假菌絲的形成[35]。外源添加法尼醇可引起近平滑假絲酵

15、母(Cidaparapsilosis)短暫性生長(zhǎng)停滯[36]在暴露于50μmolL的法尼醇2h后20%的Cidaparapsilosis細(xì)胞死亡此效應(yīng)可能與參與細(xì)胞衰老的基因過(guò)表達(dá)相關(guān)[36]。同時(shí)法尼醇還抑制Cidaparapsilosis生物膜形成對(duì)比白色念珠菌基因表達(dá)研究法尼醇對(duì)Cidaparapsilosis主要影響是氧化還原酶和參與甾醇代謝的基因表達(dá)的改變[36]。法尼醇能抑制恥垢分枝桿菌(Mycobacteriumsmegm

16、atis)多藥物外排泵降低溴化乙錠和利福平對(duì)恥垢分枝桿菌的最小抑制濃度[37]其還可抑制銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)喹諾酮信號(hào)(PseudomonasquinolonesignalPQS)的生物合成從而減少PQS調(diào)節(jié)的毒力因子綠膿菌素產(chǎn)生[38]。研究認(rèn)為法尼醇的作用是由于ROS誘導(dǎo)因?yàn)榭寡趸瘎┐嬖跁r(shí)效應(yīng)降低并且類似于銅綠假單胞菌添加過(guò)氧化氫時(shí)反應(yīng)[39]。另一方面研究指出銅綠假單胞菌通過(guò)信號(hào)分子3oxoC

17、12HSL抑制白色念珠菌形態(tài)轉(zhuǎn)換[40]這表明真菌間存在信號(hào)分子介導(dǎo)的跨界相互作用。法尼醇可降低哺乳動(dòng)物宿主細(xì)胞Th1細(xì)胞因子IFNγ和IL12的水平誘導(dǎo)Th2細(xì)胞因子IL5表達(dá)這表明其也可以抑制白色念珠菌的全身感染免疫應(yīng)答[41]。此外法尼醇還增加白色念珠菌細(xì)胞壁病原體相關(guān)分子模式(pathogenassociatedmolecularpatternsPAMPs)的反應(yīng)增加炎癥和調(diào)節(jié)細(xì)胞因子在小鼠巨噬細(xì)胞細(xì)胞系中的體外表達(dá)[42]。在

18、細(xì)胞壁病原體相關(guān)分子模式缺失下法尼醇抑制抵抗粘膜和全身性念珠菌病的關(guān)鍵細(xì)胞因子IL6產(chǎn)生[4243]其還通過(guò)誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞的氧化應(yīng)激和凋亡來(lái)抑制鼠巨噬細(xì)胞對(duì)白色念珠菌的抗菌活性[44]其誘導(dǎo)人精子的凋亡和壞死表明微生物和宿主不育之間可能聯(lián)系[45]。4QS信號(hào)通路和受體法尼醇在白色念珠菌中的信號(hào)通路和受體是目前研究進(jìn)展較多的領(lǐng)域本部分將以法尼醇為例闡述QS中群體感應(yīng)分子微觀作用機(jī)制。4.1法尼醇調(diào)控白色念珠菌形態(tài)轉(zhuǎn)換和生物膜形成目前認(rèn)為法

19、尼醇通過(guò)至少3條信號(hào)通路影響白色念珠菌形態(tài)轉(zhuǎn)換(圖1)。Cek1促分裂素原活化蛋白激酶(mitogenactivatedproteinkinaseMAPK)信號(hào)通路在白色念珠菌中參與菌絲形成法尼醇在白色念珠菌的Cek1p磷酸化中起抑制作用從而調(diào)控菌體形態(tài)轉(zhuǎn)換[46]。Sato等[47]使用RTPCR分析發(fā)現(xiàn)法尼醇處理后的白色念珠菌細(xì)胞中MAPK級(jí)聯(lián)中的信使核糖核苷酸(HST7和CPH1)顯著降低推測(cè)法尼醇通過(guò)HST7CPH1MAPK級(jí)聯(lián)

20、通路抑制菌絲形成進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)CPH1可能只是法尼醇作用的次要靶點(diǎn)因?yàn)榉岽紝?duì)cph1缺陷株的酵母菌絲轉(zhuǎn)換同樣有抑制效果[48]。參與菌絲形成的Ras1pcAMPPKA信號(hào)通路是目前研究最多的信號(hào)通路很多實(shí)驗(yàn)證實(shí)法尼醇通過(guò)下調(diào)Rasp1p信號(hào)通路抑制酵母菌絲轉(zhuǎn)換。法尼醇通過(guò)直接抑制腺苷酸環(huán)化酶(Cyr1p)活化[49]或影響Rasp1p膜定位[50]從而影響環(huán)磷酸腺苷(cAMP)信號(hào)通路抑制菌絲生長(zhǎng)。DavisHanna等[48]實(shí)驗(yàn)表

21、明外源加入cAMP的類似物如聯(lián)丁酰基環(huán)磷酸腺苷(dbcAMP)可抵消法尼醇作用恢復(fù)菌絲生長(zhǎng)。Ras1信號(hào)通路下游信號(hào)分子Czf1也被證實(shí)參與法尼醇調(diào)節(jié)的白色念珠菌形態(tài)轉(zhuǎn)換[51]。Lu等[52]研究發(fā)現(xiàn)菌絲形成啟動(dòng)既需要下調(diào)依賴cAMPPKA信號(hào)通路的基因NRG1轉(zhuǎn)錄又需要Sok1調(diào)節(jié)的Nrg1蛋白的降解后者被泛素連接酶Ubr1調(diào)節(jié)的Cup9降解激活?因此法尼醇是通過(guò)抑制Cup9降解控制白色念珠菌的菌絲形成啟動(dòng)?雙組分信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白Chk