AI-2信号分子及其在口腔微生物中的研究进展

罗安勇 陈万英

（中国十九冶集团有限公司职工医院口腔科，四川 攀枝花 617000）

AI-2信号分子及其在口腔微生物中的研究进展

罗安勇 陈万英

（中国十九冶集团有限公司职工医院口腔科，四川 攀枝花 617000）

在自然状态下口腔中种类繁多的细菌以生物膜（biof i lm）的形式生活。它们彼此混合生长、共同生存，想要保持菌群的构成比始终平衡，就需要对菌种的信号进行高效传导。近年来的研究发现AI-2群体感应信号分子是口腔中细菌与细菌之间的信号传导的一种重要分子。本文就AI-2信号分子及其在口腔微生物中的研究进展做一综述。

AI-2；群体感应；细菌；口腔

最近几年，经过研究表明：各个细菌间都能够互相交流信息。大多数细菌都可以进行合成，并且产生一种为称之诱导性物质的信号分子，细胞以外的AI浓度伴随着细菌的密度改变而改变，进而到达浓度临界数值。AI可以将菌体内有关基因进行启动、表达，对菌体的生物活动进行控制，如形成毒素、抗生素、产生生物膜、孢子、荧光等，从而与环境的改变相适应。人们一般将上述情况称之为群体感应。群体感应一般仅出现在细菌密度高于一定数值后，因此，人们也把此情况称之为细胞密度的基因依赖性表达。QS体系能够让细胞呈多细胞的形式完成单细胞不能实现的功能。对于种群来讲其对QS体系的适应性与诱导分子、感应分子和下游的调控蛋白共同构成。一般依据合成细菌的AI和感应机制的不同，将其划分成3类：其一，革兰阴性菌体系；其二，革兰阳性菌体系；其三，LuxS/AI-2依赖的QS系统。目前细菌信号分子AI-2被认为是细菌通用的信号分子，参与口腔细菌间的交流，调控牙菌斑生物膜的稳定性。本文就AI-2分子的合成途径与结构，与口腔中细菌关系的研究进展做一综述。

1 AI-2的合成途径与结构

AI-2信号分子早期出现于研究哈氏弧菌的QS体系中，并使哈氏弧菌产生生物学发光现象。随后的研究发现，AI-2样活性广泛存在于各种微生物中。目前，AI-2分子的合成途径与结构已经基本确定。AI-2分子的实质就是一类呋喃丙酮类的化合物，其结构为对称的双五环形式，隶属于呋喃酰硼酸二酯一类。其是由S-腺苷甲硫氨酸经过三步催化酶合成、催化形成的，S-腺苷甲硫氨酸作为甲基供体，是毒素的中间物质，再被核苷酸酶Pfs水解，分成腺嘌呤及S-核糖高半胱氨酸，LuxS蛋白催化SRH产生4，5-二羟基2，3-戊二酮和高半胱氨酸，但是，戊二酮的结构较不稳定，如果在硼酸盐的情况下，戊二酮被快速环化，形成的物质为呋喃酰硼酸二酯，也可以称其为AI-2的信号分子。把Phs，LuxS，SAH在体外混合后能够检测到AI-2活性，LuxS是产生所必需的蛋白。对活性基因进行突变、克隆表明luxS是产生AI-2所必需的基因。Al-2是当前已知的、单一的可以进行物种间及物种内通信的语言，在细菌的测序操作期间，存在一般以上的基因组，其内涵luxs基因的相同序列，另外，很多细菌都被证明了存在AI-2的特性。

2 AI-2与口腔中细菌关系

人的口腔是一个复杂的微生态环境，其中生存着大约700多种，这些细菌与口腔健康的维护以及疾病的产生密切相关。现今，很多研究调查显示，大多数口腔内的致病菌基因中都含有LuxS基因的同源的序列，AI-2信号分子与牙菌斑内细菌间进行信息沟通，同时通过QS体系对特定的生理行为进行控制。

2.1 变形链球菌。对于龋病来讲，其指的是牙齿的坚硬组织出现慢性损坏的一类疾病，造成龋病得原因在于存在变形链球菌。AI-2的信号分子对其基因调控起了重要作用。Akihiro等发觉AI-2能够对葡糖的基因表达及转移进行控制，GTF基因中的B、C、D共同构成了GTF得基因编码，同时，其产生的非水溶性葡聚糖又具备较强的粘结性，是S.mutans的重要毒素分子之一。同野生的S.mutans植株相比，其LuxS缺陷株gtfB、gtfC活性明显增强。所以，缺陷植株可以产生更多的非水溶性葡聚糖，对细菌间的黏附、聚集性能产生促进作用。Wen等通过比较变异链球菌野生株（UA159）和luxS突变株（TW26）的AI-2信号分子对细菌各种生物学行为的影响。将两种菌株分别在混有盐酸和过氧化氢的培养液中培养时发现，突变株耐酸力下降，抗过氧化氢能力增强；在蔗糖存在的条件下，突变株生物膜松散成蜂房状；基因融合技术显示，突变株中细菌的果聚糖酶下调50%；RNA印记杂交显示，luxS突变菌株中编码酸诱导DNA修复酶相关的recA、smnA、nth等基因的表达下调，编码信号识别蛋白亚单位的ffh基因和编码膜调节蛋白的brpA基因也出现下调反应，上述基因提示表达下降情况可能是造成酸性耐力降低的原因；另外，luxS突变株的压力反应显示，DnsK和GroEL的蛋白表达显著提升，向细胞提示缺少AI-2的分子信号，能够利用压力反应测试的方法被蛋白表达量感知，而在插入失活突变体中，则没有发生变化。有相关学者研究显示，luxS的基因编码上端存在一个极为关键的调节构件，其覆盖了基因编码的大部分区域。所以，在突变体敲除后，对调节构件可能造成损坏，如果在失去活性的突变体中插入，则该构件不会受到影响。这也是造成luxS基因突变植株丧失活力的关键因素之一。

2.2 牙龈卟啉单胞菌牙龈卟啉单胞菌是形成黑色素的短杆厌氧细菌，是产生牙周炎，特别是成人慢性及早发性牙周炎的关键优势细菌之一，是当前世界人们普遍认同的导致牙周病的细菌。AI-2能够通过调控Pg来获取血红素。对于Pg来讲，其在LuxS缺陷的条件下获取血红素蛋白及精氨酸特异蛋白酶（RgpA）表达显著提高，同时，血红素可以对Pg的毒素因子表达造成影响。Burgess等通过相关方法显示一些牙龈卟啉单胞菌，并且在对数生长中期的时候达到相应的最高峰，同时在静止的阶段降至最低，然而，变异链球菌却是持续上升的。虽然和牙龈卟啉单胞菌之间的毒性有着一定的联系，然而胱氨酸蛋白酶基因Rgp和Kgp在变异链球菌失去活性的时候就可以降低45%与30%，但是，变异链球菌的缺陷株在牙龈卟啉单胞菌的感染模型中，其可以生存的时间不会变化。进而可以得出，变异链球菌的毒性调控效果与有关基因间不存在着一定的联系，进而也就不会降低牙龈卟啉单胞菌的毒性。Yuan等的研究发现Pg的luxS突变株表现出对温度、pH及H2O2等具有较强的承载能力，也说明AI-2在Pg对改变口腔环境所造成的压力反应中发挥着调节的功能。

2.3 戈登链球菌目前的研究发现AI-2在戈登链球菌（Streptococus gordoni）存在同Pg的生物混合膜，尽管戈登链球菌的luxs缺少植株可以在玻璃片上进行定植，然而Pg的luxs突变株却无法产生生物膜。把luxs的基因引入到突变植株上，从而恢复生物混合膜的产生，说明二者间无论哪种细菌，AI-2都可以促进其进行沟通与交流，产生生物膜，同时研究还发现戈登链球菌luxs缺失菌株的gtfG、fruA等基因表达被下调。

2.4 伴放线放线杆菌伴放线放线杆菌与牙周炎，尤其是青、少年的牙周炎之间存在密切的关联。Aa是仅有的、可以将白细胞的毒素分泌的细菌，可以对牙龈的内部及外周的多核单细胞造成影响，对细胞膜造成损坏，从而造成白细胞的死亡。其释放一种溶菌酶，可以造成牙齿周围组织的损坏。Fong等研究发现，当Aa处于对数生长阶段，AI-2提升，AI-2报告菌株BB170的发光效应提高了190多倍，在生长早期阶段，在含有AI-2的培养液里，细菌形成Aa的白细胞毒素上升5倍，同时，编码铁离子中的转运蛋白afuA基因转录能力提升了8倍左右，由此可以发现，AI-2在Aa形成的外毒素和铁离子在运作期间具有十分关键的功能。

3 展 望

在自然状态下口腔中种类繁多的细菌以生物膜（biofilm）的形式生活。它们彼此之间混合生长、共同生存，想要保持菌群的构成比始终平衡，就需要对菌种的信号进行高效传导。而龋病，牙周病等正是由于细菌与宿主的相互作用引起的。QS系统是一种群体行为调控机制究，对AI-2的细致研究有利于掌握细菌同宿主间信息交流的方法，对细菌的种内沟通及种间交流进行揭示，从而为这些口腔常见病提供新的治疗和预防手段。

R780.2

A

1671-8194（2014）22-0073-02