群體感應
編輯在生物學中,群體感應或群體信號 (QS) 是通過基因調控檢測和響應細胞群體密度的能力。 例如,QS 使細菌能夠將特定基因的表達限制在高細胞密度,在這種密度下,產生的表型將是最有益的。 許多細菌物種根據當地種群密度使用群體感應來協調基因表達。 以類似的方式,一些群居昆蟲使用群體感應來確定在哪里筑巢。 致病菌中的群體感知通過限制細菌攝入色氨酸等營養物質,激活宿主免疫信號并延長宿主存活時間,色氨酸會進一步轉化為血清素。 因此,群體感應允許宿主和病原菌之間的共生相互作用。 群體感應也可能對癌細胞通訊有用。
除了在生物系統中的功能外,群體感應在計算和機器人技術方面還有一些有用的應用。 一般來說,群體感應可以在任何去中心化系統中充當決策過程,其中的組件具有:(a)一種評估它們與之交互的其他組件數量的方法,以及(b)一旦達到閾值數量的標準響應 組件被檢測到。
發現
編輯1970 年,Kenneth Nealson、Terry Platt 和 J. Woodland Hastings 首次報道了群體感應,他們觀察到他們所描述的培養基條件,在該培養基中生長了生物發光海洋細菌 Aliivibrio fischeri。 這些細菌在新鮮接種的培養物中不合成熒光素酶,因此不發光,但只有在細菌數量顯著增加后才會發光。 因為他們將培養基的這種調節歸因于細胞群本身的增長,所以他們將這種現象稱為自感應。
細菌
編輯一些最著名的群體感應例子來自細菌研究。 細菌使用群體感應來調節某些表型表達,從而協調它們的行為。 一些常見的表型包括生物膜形成、毒力因子表達和運動。 某些細菌能夠使用群體感應來調節生物發光、固氮和孢子形成。
群體感應功能基于直接環境中細菌種群的局部密度。 它可以發生在單一細菌物種內,也可以發生在不同物種之間。 革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌都使用群體感應,但它們的機制存在一些主要差異。
機制
對于組成型使用群體感應的細菌,它們必須具備三種能力:信號分子的分泌、自體誘導劑的分泌(檢測信號分子濃度的變化)以及基因轉錄調節作為反應。 這個過程高度依賴于信號分子的擴散機制。 QS 信號分子通常由單個細菌以低水平分泌。 在低細胞密度下,分子可能只是擴散開來。 在高細胞密度下,信號分子的局部濃度可能超過其閾值水平,并引發基因表達的變化。
革蘭氏陽性菌
革蘭氏陽性菌使用自誘導肽 (AIP) 作為它們的自誘導劑。
當革蘭氏陽性細菌在其環境中檢測到高濃度的 AIP 時,AIP 會通過與受體結合以激活激酶來實現。 激酶磷酸化調節基因轉錄的轉錄因子。 這稱為雙組分系統。
另一種可能的機制是 AIP 被轉運到胞質溶膠中,并直接與轉錄因子結合以啟動或抑制轉錄。
革蘭氏陰性菌
革蘭氏陰性菌產生 N-酰基高絲氨酸內酯 (AHL) 作為它們的信號分子。 通常 AHL 不需要額外的加工,直接與轉錄因子結合以調節基因表達。
一些革蘭氏陰性菌也可能使用雙組分系統。
例子
費氏弧菌
生物發光細菌 A. fischeri 是xxx個觀察到 QS 的生物體。 它以互惠共生體的形式存在于夏威夷短尾烏賊的發光體(或發光器官)中。 當 A. fischeri 細胞自由生活(或浮游)時,自體誘導劑濃度低,因此細胞不顯示發光。
然而,當細胞群達到發光體的閾值(約 1011 個細胞/ml)時,熒光素酶的轉錄被誘導,導致生物發光。在 A. fischeri 中,生物發光受 AHLs(N-酰基-高絲氨酸內酯)調節,AHLs 是一種產物 LuxI 基因的轉錄受 LuxR 激活劑調節。 LuxR 僅在 AHL 綁定到 LuxR 時才起作用。
彎曲桿菌
彎曲桿菌 是一種革蘭氏陰性彎曲桿狀細菌。
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