牙菌斑生物膜密度感应信号的研究进展

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国际口腔医学杂志第３４卷第１期２００７年１月ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｔｏｍａｔｏｌｏｇｙＶｏｌ．３４Ｎｏ．１Ｊａｎｕａｒｙ，２００７

牙菌斑生物膜密度感应信号的研究进展

欧美珍综述凌均棨审校

（中山大学光华口腔医学院附属口腔医院牙体牙髓病科

［摘要］

广东

广州５１００８０）

自然界细菌主要以生物膜形式生存。生物膜内细菌之间存在着各种信号交流以协调群体

生理活动或竞争各类营养物质。口腔牙菌斑生物膜与龋病、牙周病密切相关。牙菌斑内的微生物信号传导近年来受到较多的关注并取得了研究进展。本文就近年来牙菌斑生物膜的信号传导研究作一综述。

牙菌斑；密度感应；信号传导

［文献标识码］Ａ［中图分类号］Ｒ３１８．０２１［关键词］

ＮｅｗＰｒｏｇｒｅｓｓｉｎＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＱｕｏｒｕｍＳｅｎｓｉｎｇＳｉｇｎａｌＣｏｎｄｕｃｔｉｏｎｉｎＤｅｎｔａｌＰｌａｑｕｅ５１００８０，Ｃｈｉｎａ）［Ａｂｓｔｒａｃｔ］

Ｂｉｏｆｉｌｍｉｓａｍａｊｏｒｅｘｉｓｔｆｏｒｍｏｆｂａｃｔｅｒｉａｉｎｎａｔｕｒｅ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｔｈｅｒｅｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌａｃｔｉｖｉｔｙｏｒ

ｃｏｍｐｅｔｅｗｉｔｈｏｔｈｅｒｓｉｎａｌｌｋｉｎｄｓｏｆｎｕｔｒｉｔｉｏｎｓ，ｋｉｎｄｓｏｆｓｉｇｎａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎａｒｅｕｓｅｄｉｎｐｌａｑｕｅｏｆｔｈｅｂｉｏｆｉｌｍ．Ｄｅｎｔａｌｐｌａｑｕｅｃｏｒｒｅｌａｔｅｓｃｌｏｓｅｌｙｗｉｔｈｄｅｎｔａｌｃａｒｉｅｓａｎｄｐｅｒｉｏｄｏｎｔｉｔｉｓ，ｓｉｇｎａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎｏｆｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｉｎｄｅｎｔａｌｐｌａｑｕｅｈａｓｇｏｔｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅａｔｔｅｎｔｉｏｎａｎｄｇｏｔｓｏｍｅｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｉｎｔｈｉｓｒｅｖｉｅｗ，ｗｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｓｉｇｎａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎｉｎｄｅｎｔａｌｐｌａｑｕｅｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ．［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］

ｄｅｎｔａｌｐｌａｑｕｅ；ｑｕｏｒｕｍｓｅｎｓｉｎｇ；ｓｉｇｎａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ

ＯＵＭｅｉ－ｚｈｅｎ，ＬＩＮＧＪｕｎ－

ｑｉ．（Ｄｅｐｔ．ｏｆＣｏｎｓｅｒｖａｔｖｅＤｅｎｔｉｓｔｒｙ，ＴｈｅＡｆｆｉｌｉａｔｅｄＨｏｓｐｉｔａｌｏｆＳｔｏｍａｔｏｌｏｇｙｏｆＳｕｎＹａｔ－ＳｅｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ

牙菌斑是由多种微生物组成的生物膜结构。

细菌形成生物膜后，它们的生物学性状发生很大改变，毒力大大增加，对各类抗生素作用的敏感度下降，对宿主的免疫抵抗力增强［１－４］。生物膜内细菌之间存在的信号传导与生物膜的形成、细菌毒力和耐酸能力等有很大关系。１

牙菌斑生物膜内信号传导系统的类型

根据信号传导系统的特点可将其分为３类。①革兰阴性菌同菌种间信号传导系统：革兰阴性菌间的信号系统较复杂，研究得较多的同一菌种间的信号传导是由Ｎ－酰基高丝氨酸内酯（ａｃｙｌｈｏｍｏ－ｓｅｒｉｎｅｌａｃｔｏｎｅｓ，ＡＨＬ）作为信号分子，受体蛋白ＬｕｘＲ作为感受部件组成的信号系统。ＡＨＬ属自诱导分子－（１ａｕｔｏｉｎｄｕｃｅｒ－１，ＡＩ－１），可以自由出入细菌的细胞膜。②革兰阳性菌同菌种间信号传导系统：该系统由短片段的寡肽分子作为信号分子，又叫

［收稿日期］２００６－０３－１３；［修回日期］２００６－１０－２０［作者简介］欧美珍（１９７８－），女，广东人，硕士研究生［通讯作者］凌均棨，Ｔｅｌ：０２０－８３８６２６２１

自诱导信号肽（ａｕｔｏｉｎｄｕｃｉｎｇｐｅｐｔｉｄｅ，ＡＩＰ），这些

信号分子被双组分激酶识别系统识别并与其结合介导信号交流。③非同种细菌之间的信号传导系统：在绝大多数革兰阳性菌和革兰阴性菌中都发现了自诱导分子－（２ａｕｔｏｉｎｄｕｃｅｒ－２，ＡＩ－２）系统的存在，ＡＩ－２信号分子可与不同种的细菌双组分激酶识别系统识别介导信号交流。

以生物膜细菌密度为依赖的信号传导系统又叫密度感应系统，首先在深海发光弧菌费氏弧菌（Ｖｉｂｒｉｏｆｉｓｃｈｅｒｉ）中被发现。革兰阴性费氏弧菌拥有两个信号系统，一个是同一菌种间的信号传导系统，即以ＡＨＬ为信号分子的信号系统，另一个就是以ＡＩ－２为信号分子的不同菌种间的传导系统。当细菌达一定密度时，两种信号分子都可以激发费氏弧菌发出荧光［５－６］。与费氏弧菌同一菌属的哈氏弧菌也具有相同的发光特性，费氏弧菌的这种特征被用来检测其他细菌产生ＡＩ－２的能力，口腔生物膜的很多细菌实验也用到了哈氏弧菌。由于牙菌斑主要由革兰阳性菌组成，最近关于牙菌斑的研究较集中于革兰阳性菌信号感受肽

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（ｃｏｍｐｅｔｅｎｃｅｓｔｉｍｕｌａｔｉｎｇｓｉｇｎａｌｐｅｐｔｉｄｅ，ＣＳＰ）信号系统和菌种间的ＡＩ－２信号系统。２

牙菌斑生物膜内同菌种间的信号传导牙菌斑中很多细菌都发现了ＣＳＰ，如变形链球菌［６］、中间链球菌、缓症链球菌、仓鼠链球菌、草绿色链球菌［７］等。这一系统由基因片段ｃｏｍＣＤＥ、ｃｏｍＡＢ和ｃｏｍＸ组成，ｃｏｍＡＢ基因编码ＡＢＣ转运子，ｃｏｍＣ编码ＣＳＰ信号肽，ｃｏｍＤＥ基因编码双组分信号传导系统，包括组氨酸激酶受体、胞内反应调控因子［８］。

变形链球菌中的ＣＳＰ介导的密度感应调节系统与变形链球菌的单一菌种生物膜形成有密切关系。最近的研究发现［９］，正常生物膜的形成以及致龋基因的表达有赖于一定量浓度的ＣＳＰ存在，过量的ＣＳＰ对变形链球菌的生存却有危害，介导了变形链球菌的死亡。实验用０．４ｍｍｏｌ／Ｌ的ＣＳＰ作用于一定量的变形链球菌培养物中，处理４ｈ后，变形链球菌生长被抑制５０％，加大用量至１．６ｍｍｏｌ／Ｌ时，变形链球菌生长被完全抑制。分析发现ＣＳＰ的这种抑制作用是通过ｃｏｍＤＥ的通路实现的。另外，在用１０μｍｏｌ／ＬＣＳＰ处理变形链球菌时，变形链球菌的ｆｔｓＡ基因表达减少，而ｆｔｓＡ基因与细菌分裂时中间形成的隔膜有关，说明过量的ＣＳＰ对细菌分裂有抑制作用。

细菌素是细菌为了抑制竞争菌的生长，以利于自己获得更多能量和空间而产生的一种蛋白质，ＣＳＰ还介导了编码细菌素基因的表达［１０］。

用变形链球菌的ＣＳＰ作用于表兄链球菌、血链球菌及格氏链球菌的培养物时发现，即使ＣＳＰ量浓度达到６５μｍｏｌ／Ｌ，细菌的生长代谢也不受影响，这更说明ＣＳＰ是菌种间特异性信号分子［９］。３

牙菌斑生物膜内不同菌种间的信号传导

全部阐明。费氏弧菌中的ＡＩ－２分子是一种叫呋喃硼酸二酯（ｆｕｒａｎｏｓｙｌｂｏｒａｔｅｄｉｅｓｔｅｒ）的物质，是蛋氨酸循环通路———甲基循环的一个副产品，由Ｓ－腺苷甲硫氨酸（Ｓ－ａｄｅｎｏｓｙｌｍｅｔｈｉｏｎｉｎｅ，ＳＡＭ）经过三步酶的催化反应后产生。合成过程中ＳＡＭ被作为一种甲基供体，由酶催化后生成Ｓ－腺苷高半胱氨酸（Ｓ－ａｄｅｎｏｓｙｌｈｏｍｏｃｙｓｔｅｉｎｅ，ＳＡＨ），而ＳＡＨ又被酶水解成Ｓ－核糖高半胱氨酸（Ｓ－ｒｉｂｏｓｙｌｈｏｍｏｃｙ－ｓｔｅｉｎｅ，ＳＲＨ）和腺嘌呤，再由酶蛋白ＬｕｘＳ催化ＳＲＨ裂解成为４，５－二羟基联苯－２，３－戊二酮（４，５－ｄｉｈｙｄｒｏｘｙ－２，３－ｅｎｔａｎｅｄｉｏｎｅ，ＤＰＤ），ＤＰＤ是ＡＩ－２分子的前体［１６］。

胞外ＡＩ－２的累积诱导一些基因的表达，这些基因编码Ｌｓｒ（ＬｕｘＳ－ｒｅｇｕｌａｔｅｄ）ＡＢＣ转运蛋白，ＡＩ－２在Ｌｓｒ的转运下进入细胞后进而调控其他基因表达。有学者检测了１３８种目前已知基因组的ＡＩ－２合成感受系统后发现，不同种属细菌中大部分存在催化ＡＩ－２生成的ＬｕｘＳ蛋白，而与之结合的周质结合蛋白ＬｕｘＰ却只在弧菌属中发现，因此认为弧菌以外的细菌有可能通过另外的信号传导系统感受ＡＩ－２［１７］。

３．２ＡＩ－２系统调节的机制

３．２．１调节生物膜形成ＡＩ－２系统对于单一菌种生物膜形成影响不大，但在混合生物膜中却起着很大作用［１８－２０］。把ｌｕｘＳ基因缺陷的变形链球菌接种在硫酸氢胺培养基中，对比野生变形链球菌株形成的连续光滑的生物膜，变异株生物膜结构松散呈散在颗粒状，聚集块较大［２０］。这种改变可以被ｌｕｘＳ正常的格氏菌、唾液链球菌、血链球菌的培养物修复，形成正常生物膜［１２］。同样，ｌｕｘＳ基因缺陷的牙龈卟啉单胞菌的生物膜也可以被放线菌产生的ＡＩ－２弥补，形成正常的生物膜［１８］。在格氏链球菌的研究中也得到相似的结果［１９］，把ｌｕｘＳ基因敲除后的牙龈卟啉单胞菌和格氏链球菌一起培养，前者只能在后者生物膜的浅表约１０μｍ散在生长，而与正常的格氏链球菌一起培养则前者

ｍ，并且发现，可以紧密附着于其生物膜上达３０μ

ＡＩ－２只作用在后继的粘附上而不是细菌对唾液包被的玻璃基底物质表面的粘附。

３．２．２调节生物膜的其他方面除了调节生物膜的形成，ＡＩ－２系统还调节着细菌的代谢、性状以及毒力因子的表达等。在ｌｕｘＳ缺陷的变形链球菌中［２０］，果聚糖酶的基因表达下调超过５０％，对酸敏感度上升，ｐＨ为２．８时，变异株生存数明显

ＡＩ－２是菌种间交流的信号分子。牙菌斑中变形链球菌、格氏链球菌、牙龈卟啉单胞菌、具核梭杆菌、中间普雷沃菌、放线菌［１１－１５］等都有ＡＩ－２的存在。口腔生物膜是一个复杂的微生态环境，各种细菌间的交流和协调有赖于共同的信号分子和具有同源性的信号感受系统，相对于菌种特异的ＡＩ－１来说，ＡＩ－２系统特异性不强，在生物进化史上更为原始和保守。３．１

ＡＩ－２系统的合成途径和转运

２

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国际口腔医学杂志第３４卷第１期２００７年１月ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｔｏｍａｔｏｌｏｇｙＶｏｌ．３４Ｎｏ．１Ｊａｎｕａｒｙ，２００７

减少，出乎意料的是，变异株比正常株对０．２％的过氧化氢耐受能力要强，对过氧化氢一过性处理能很好耐受并存活。变形链球菌调节压力的基因ｄｎａｋ和ｇｒｏｅｌ在变异株中表达均上调，显示ＡＩ－２系统是细菌压力的“温度计”。

在格氏链球菌中，ｌｕｘＳ缺陷菌株的基因如编码葡糖基转移酶的ｇｔｆＧ、编码细胞外果糖转化酶的ｆｒｕＡ、编码塔格糖二磷酸盐醛缩酶的ｌａｃＤ表达均下调，说明ＡＩ－２系统参与了调节格氏链球菌的糖类代谢［１９］。ａｆｕＡ是放线菌编码细胞周质铁转运蛋白的基因，ｌｕｘＳ缺陷的放线菌ａｆｕＡ基因表达下调８倍，说明ＡＩ－２系统与放线菌的铁吸收有关。另外ＡＩ－２系统还介导放线菌产生白细胞毒素和调节一个白细胞毒素膜外聚肽的合成［１８］。在牙龈卟啉单胞菌中，ｌｕｘＳ基因的缺陷导致此菌中编码氯化高铁血红素吸收蛋白等与铁吸收有关的基因表达变化，显示ＡＩ－２系统参与调节氯化高铁血红素的吸收。

３．２．３影响ＡＩ－２产生的因素

［２１］

定的三维结构。４

结束语

随着研究的深入，人们发现密度感应信号传导系统受到营养和压力等多种因素的影响，要开发信号系统作为防治龋病和牙周病的作用靶点需要更进一步的研究。５

参考文献

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［１４］ＦｏｎｇＫＰ，ＧａｏＬ．ＩｎｆｅｃｔＩｍｍｕｎ，２００３，７１（１）：２９８－３０８．［１５］ＳｐｅｒａｎｄｉｏＶ，ＴｏｒｒｅｓＡＧ．ＰｒｏｃＮａｔｌＡｃａｄＳｃｉＵＳＡ，２００３，

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［１６］ＣｈｅｎＸ，ＳｃｈａｕｄｅｒＳ．Ｎａｔｕｒｅ，２００２，４１５（６８７１）：５４５－５４９．［１７］ＳｕｎＪ，ＤａｎｉｅｌＲ．ＢＭＣＥｖｏｌＢｉｏｌ，２００４，（４１）：３６．［１８］Ｓｕｎ－ＦｏｎｇＫＰ，ＣｈｕｎｇＷＯ．ＩｎｆｅｃｔＩｍｍｕｎ，２００１，６９（１２）：

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［１９］Ｍｃ－ＮａｂＲ，ＳｕｚａｎｎａｈＫＦ．ＪＢａｃｔｅｒｉｏｌ，２００３，１８５（１）：

２７４－２８４．

［２０］ＷｅｎＺＴ，ＢｕｒｎｅＲＡ．ＪＢａｃｔｅｒｉｏｌ，２００４，１８６（９）：２６８２－

２６９１．

［２１］ＣｈｕｎｇＷＯ，ＰａｒｋＹ．ＪＢａｃｔｅｒｉｏｌ，２００１，１８３（１３）：３９０３－

３９０９．［２２］

ＢｌｅｈｅｒｔＤＳ，ＰａｌｍｅｒＲＪＪｒ．ＪＢａｃｔｅｒｉｏｌ，２００３，１８５（１６）：４８５１－４８６０．

［２３］ＥｇｌａｎｄＰＧ，ＰａｌｍｅｒＲＪＪｒ．ＰｒｏｃＮａｔｌＡｃａｄＳｃｉＵＳＡ，

２００４，１０１（４８）：１６９１７－１６９２２．

最近的研究显示，

ＡＩ－２的产生不是在ｌｕｘＳ基因转录水平而是在蛋白质合成的水平调节，合成的原料是否充足以及

氧压力与ＡＩ－２分子生成密切相关，推测ＣＯ２可能是环境中介导ＡＩ－２分子生成的一个信号［２２］。Ｂｌｅｈｅｒｔ等［２２］把ｌｕｘＳ缺陷和正常的格氏链球菌分别接种于Ｔｏｄｄ－Ｈｅｗｉｔｔ肉汤培养基（Ｔｏｄｄ－Ｈｅｗｉｔｔｂｒｏｔｈ，ＴＨＢ）、脑心浸出液（ｂｒａｉｎｈｅａｒｔｉｎｆｕｓｉｏｎ，ＢＨＩ）、含０．５％葡萄糖胰蛋白胨酵母浸膏培养基（ｔｒｙｐｔｏｎｅ－ｙｅａｓｔｅｘｔｒａｃｔｍｅｄｉｕｍｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ０．５％ｇｌｕｃｏｓｅ，ＴＹ－ｇｌｕｃｏｓｅ）、Ｌｕｒｉａ－Ｂｅｒｔａｎｉ肉汤培养基（Ｌｕｒｉａ－Ｂｅｒｔａｎｉｂｒｏｔｈ，ＬＢ）和人类唾液中，在前４种培养基中缺陷株和正常株的生物膜形成无多大区别，但在人类唾液培养管中，缺陷株形成指状突起的生物膜，与正常株形成的膜状均匀连续光滑的生物膜明显不同。在变形链球菌中也有类似的结果。缺陷株和正常株变形链球菌在加入葡萄糖的培养基中形成的生物膜差别不是太大，然而加入蔗糖后则差异明显。由此可见，ＡＩ－２分子的生成和作用与外界营养环境密切相关，是对外界环境的一个反应。３．２．４ＡＩ－２作用的距离最近研究发现［２３］，在口腔环境中，唾液不断流动，信号分子在短期内被唾液稀释，只有毗邻的细菌间信号分子才可以及时传递。由此推测，生物膜中的信号分子作用受距离限制，为了达到信号传导的最佳效果及协同生理活动，各种细菌按一定的规律排列形成了一

［２０］