乳酸菌中毒素-抗毒素系统研究进展

徐 谓，李洪军，贺稚非

（西南大学食品科学学院，重庆 400716）

乳酸菌中毒素-抗毒素系统研究进展

徐 谓，李洪军，贺稚非*

（西南大学食品科学学院，重庆 400716）

毒素-抗毒素系统（toxin-antitoxin system，TAS）是广泛存在于细菌和古细菌中的一类小型功能基因。目前已发现的TAS分为五大类型。超过75种乳酸菌（lactic acid bacteria，LAB）中的TAS被测定，TAS调控基因（改变细菌鞭毛类型、控制毒素毒性等）、应激环境下调节细菌代谢、在高浓度抗生素作用下形成持留细胞等调控机制已有较深入研究。本文概述近年来TAS分类发展及乳酸菌中TAS的研究情况，为深入研究乳酸菌中TAS并应用于食品工业提供理论依据。

乳酸菌；毒素-抗毒素系统；应用

目前，已经测定的乳酸菌基因序列超过75 种，近80 个乳酸菌的基因序列测定工作正在进行[1]。乳酸菌基因序列的测定使得越来越多的益生菌功能基因被发现[2]。2005年，S iezen等[2]对用于奶酪生产抗噬菌体菌株乳酸链球菌（Lactobacillus lactis）SK11中的4 个质粒进行测序，首次发现其中有数个适应型基因，这些基因表现出能在基因水平转移，而基因水平转移与菌种的许多功能，如马奶酒中分离得到的干酪乳杆菌灵活的糖利用功能[3]有明显关联。这些功能基因的发现为研制新工程菌并应用于食品工业奠定了坚实的理论基础。

毒素-抗毒素系统（toxin-antitoxin system，TAS）广泛存在于细菌染色体及质粒上，是细菌中数量庞大的一类小型功能基因[4-5]。近20 a中，细菌TAS一直是研究热点，主要集中在其生物学作用[6-7]、进化过程[8-9]、分类[10]、鉴定[11]、不同类别TAS的作用机理[12-13]等方面的研究。TAS是细菌基因中较灵活的组成部分，在基因活性调控中有重要意义，可调控毒素毒性、细胞应激反应等，对于维持细菌质粒的垂直遗传有不可替代的作用。

迄今为止，已发现的TAS分为五大类型，见表1。第一类TAS中，抗毒素为RNA，通过阻止毒素转录来阻碍毒素产生，例如hok-sok系统。第二类TAS几乎存在于所有的细菌和古细菌中[14]。抗毒素为蛋白质，通过与毒素蛋白结合形成复合物来完成阻碍毒素作用于细胞。目前已发现的第二类TAS有10 种以上，例如CcdA-CcdB系统。第三类TAS中抗毒素亦为RNA，但其作用机理不是阻碍毒素基因转录，而是直接与毒素蛋白形成复合物，从而抑制其活性。植物病菌欧文氏杆菌中的ToxI-ToxN是典型的第三类TAS[12]。第四类TAS的抗毒素可与毒素竞争性结合毒素在细胞中的靶位，并不直接与毒素形成复合体。CbeA-CbtA编码的毒素、抗毒素作用于MreB和FtsZ的聚合过程，为第四类TAS[15]。第五类TAS中抗毒素蛋白裂解编码毒素的mRNA。它由中国科学院南海海洋研究所Wang Xiaoxue等[10]发现，到目前为止，仅此一例。该TAS由抗毒素GhoS和毒素GhoT组成，其中毒素GhoT是一种细胞膜裂解肽，而GhoS为一个单体。GhoS通过特异性切割GhoT mRNA来抑制GhoT的毒性。

表1 TAS分类概括Table 1 Summary of TAS types

此外，TAS研究过程中还观察到一些特殊现象。TAS基因组成结构一般为抗毒素基因位于毒素基因上游，在hicA-hicB[18]、HigB-HigA[19]以及BrnT-BrnA[20]等系统中，抗毒素基因却位于毒素基因下游。一般意义上讲，TAS由毒素基因和抗毒素基因共同组成，但也有报道部分TAS由一个独立基因控制[21-22]。存在由3 个基因组成的TAS，其典型例子为ω-ε-ζ。该系统只存在于革兰氏阳性菌中，且其功能等尚不清楚[23]。抗毒素一般是41～206 个氨基酸组成的肽链，毒素一般由31～204个氨基酸组成，毒素通常比相应的抗毒素氨基酸链长。但HipB-HipA系统中毒素包含440 个氨基酸，远多于普通毒素。这些发现打破了原有的认识，为TAS的发现和研究带来困难。但同时也表明TAS形式的多样性，为更深入地研究、开发和应用提供科学基础。

1 乳酸菌中的毒素-抗毒素系统（TAS）

近几十年，乳酸菌作为益生菌广泛应用于食品和药品中。乳酸菌因能耐受胃酸和胆汁酸，存活至肠道，常被用作一些功能蛋白的载体[24]。乳酸杆菌属中大约有38%的菌带有质粒[25]，这些质粒因赋予宿主多种特性而引起人们广泛的研究兴趣，例如质粒携带的TAS基因可维持细胞质粒的遗传稳定性。乳酸菌中TAS研究受到了相当的重视，在第二类毒素-抗毒素系统资源网（a webbased resource for type 2 toxin-antitoxin loci in bacteria and archaea，TADB）上可查询TAS信息的乳酸菌属菌株共有18 个，两个干酪乳杆菌菌株Lacto bacillus casei ATCC 334以及Lactobacillus casei BL23均可查询，在它们的基因中已分别鉴定出了2 个和8 个TAS[26]。乳酸菌属中，鼠李糖乳杆菌（Lactobacillus rhamnosus）中TAS研究最为成熟。

1.1 鼠李糖乳杆菌中毒素-抗毒素系统

鼠李糖乳杆菌（L. rhamnosus）属乳酸菌属，是世界上最著名的益生菌之一。临床实验表明，鼠李糖乳杆菌可通过多种渠道改善胃肠道功能。目前对鼠李糖乳杆菌的研究主要集中在GG菌株（L. rhamnosus GG，LGG）上，其相关研究文献多于目前市场上绝大多数益生菌，在TAS相关方面的研究上占有优势。

基因序列测定结果表明，鼠李糖乳杆菌（L. rhamnosus）ATCC 53103与干酪乳杆菌（Lactobacillus casei）ATCC 334有极强的亲缘关系[27]，为干酪乳杆菌的亚种。截至2014年2月，已发现的经过主要基因测序的鼠李糖乳杆菌菌株已有14 个，依次为ATCC 21052、HN001、CASL、Lc705、ATCC 8530、LMS2-1、R0011、MTCC 5462、LRHMDP2、LRHMDP3，2 个GG菌株[27]和LOCK908[28]（之前认为是干酪乳杆菌），LR231[29]，它们的来源各不相同。Klimina等[27]分析了10 个鼠李糖乳杆菌菌株11 个基因组中TAS的组成和分布情况，推断出多种存在于鼠李糖乳杆菌（L. rhamnosus）中的TAS。截至目前，已经证实存在于在鼠李糖乳杆菌（L. rhamnosus）中的TAS有6 种，其中一种（PemK1-A1Lrh）由TADB报道。Blower等[30]通过聚合酶链式反应（polymerase chain reaction，PCR）分析了取自15 个实验室分离的鼠李糖乳杆菌（L. rhamnosus）的基因，证实了另外5 种（PemK2-A2Lrh、PemK3-RelB2Lrh、Rel-E1Lrh、RelB3-RelE3Lrh和YefM-YoeBLrh）TAS，为鼠李糖乳杆菌（L. rhamnosus）中TAS的研究做出了重要贡献。

1.2 其他乳酸菌中毒素-抗毒素系统

除鼠李糖乳杆菌（L. rhamnosus）外，多种乳酸菌属益生菌中TAS研究有较大进展。2014年，Emma等[31]在唾液乳杆菌（L. salivarius）JCM1046共生的质粒pMP1046A以及pLMP1046中鉴定出数对完整的TAS，并确定其在质粒pMP1046A基因上的位置：170398～170802为毒素基因、170802～171023为抗毒素基因。唾液乳杆菌（Lactobacillus salivarius）UCC118中的质粒pSF118-20编码pemI和pemK的同源物。在特定宿主中，细胞对质粒pSF118-20中抗毒素基因（pemI）和毒素基因（pemK）具有依赖性。该TAS可保证细胞分裂后的稳定性，同时也保障在翻译过程中产生PemI以维持质粒完整性。当该TAS基因不存在时，新产生的质粒会出现裂口。这表明，PemI在质粒pSF118-20转录翻译过程对其有愈合作用。这解释了前人无法获得完整质粒pSF118-20作为基因探针插入唾液乳杆菌（L. salivarius）UCC118的原因。研究者以此作为理论依据设计构造了新的质粒pLS201以引入唾液乳杆菌（L. salivarius）UCC118中[32]。由TAS在细菌质粒中的功能以及目前已经获得的研究成果可以推知，这些TAS对于JCM1046菌株的稳定性以及其中共存的质粒的稳定遗传有重要作用，但其具体作用机制及功能尚不明确，有待深入研究。

戊糖乳杆菌（Lactobacillus pentosus）能同时利用六碳糖以及五碳糖发酵产生乳酸，被认为是应用于发酵木质纤维素水解液生产乳酸的潜力菌种[33]。根据戊糖乳杆菌（L. pentosus）KCA1基因序列，可推断其包含7 种完整的TAS[34]，其中属于xre/HigA/VapI-HigB家族的TAS对其在抵抗抗生素尤其是氯霉素作用时有重要意义[35]。植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum）广泛存在于蔬菜、猪肉、鱼、乳制品等多种食品中[36-39]，经基因测序发现，其模型菌株植物乳杆菌（L. plantarum）WCFS1中仅含有一对完整的TAS[40]，对其功能等尚无研究。

除乳酸菌外，其他的益生菌中TAS的研究也有较大进展，例如乳酸片球菌（Pediococcus acidilactici）中的质粒pEOC01中TAS已有报道。因毒素、抗毒素结构的稳定性有差异--抗毒素相对于毒素较不稳定，在丢失质粒的子代细胞中，抗毒素被诱导水解，释放毒素从而杀死子代细胞，这一过程称为分裂后致死效应（postsegregational killing，PSK）。PSK效应选择性保留继承亲代质粒的细菌，从而保证质粒在细菌中稳定遗传。乳酸片球菌中的一对基因质粒pEOC01中ORF13～ORF15与酿脓链球菌（Streptococcus pyogenes）质粒pSM19035 中TAS（ω-ε-ζ）的操纵子同源性达99%[41]。这一操纵子控制的TAS（ω-ε-ζ）可影响质粒稳定性从而导致PSK。质粒pSM19035中ORF14类似ε（抗毒素），而ORF15类似ζ（毒素）[42]。粪肠球菌（Enterococcus faecalis）质粒pAD1中控制多肽类毒素Fst及其相似的几种毒素的TAS也有较深入的研究[43]。

2 乳酸菌中毒素-抗毒素系统的应用进展

TAS对乳酸菌的特性，例如同一TAS基因的不同种乳酸菌中表现出的基因多样性等研究是其应用的基础，目前已有一定进展。学者们基于乳酸菌中TAS的特性对其进行开发，目前，乳酸菌TAS已在鉴定乳酸菌种、测定人体益生菌群组成等方面应用。

基因序列测定结果表明，植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum）WCSF1和植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum）C11两个菌株的pln基因序列完全相同，且其蛋白结构差异也不大。然而，它们基因位点的一端存在差异：WCFS1菌株基因plnGHSTUW后面还有两个基因（plnXY），而C11菌株却没有，plnXY与TAS有极类似于一对TAS基因[44]。WCFS1-pln位点上plnXY的功能尚不清楚，但其可作为区别WCSF1和C11两个菌株的重要序列。

研究表明，不同肺炎链球菌中TAS（yefM-yoeB）抗毒素（yefM）基因编码同样的抗毒素蛋白，但其启动子序列却有很大不同[45]，这表明TAS基因结构的多态性与细菌菌株具有密切关系。俄罗斯联邦科学家Alekseeva等[46]利用这种多态性将TAS（RelB-RelE和MazE-MazF）用于乳酸菌种属的鉴定，并于2011年申请了一项专利。在2012年国际人体微生态大会上，Danilenko等[47]发表了关于利用TAS的多态性来鉴定人体益生菌组成的文章。

3 乳酸菌中毒素-抗毒素系统的研究意义及应用前景

TAS是乳酸菌中重要功能基因，其具体功能及作用机制尚不完全明确，需进行大量的研究以进一步深入了解。乳酸菌中TAS的研究对乳酸菌中菌株的多样化的元基因组分析以及乳酸菌开发有重要意义，为乳酸菌更好应用于食品工业开拓出广阔的前景。

在细菌生长的稳定期，如果受到高浓度的抗菌物质作用，TAS可调控细菌形成持留细胞从而得以存活[48]。通过研究TAS对细胞的这一调控作用，可以利用基因手段改善乳酸菌株对外界环境的抵抗能力，比如使其能耐受某些抗生素或是抗菌剂，从而在压力环境下维持菌群数量稳定；或是使细菌更稳定的遗传，防止重要特性变异。近年来，白藜芦醇由于其突出的抗氧化作用而得到食品行业的广泛关注，但其本身有抑菌作用，若要将其应用于某些带有益生菌的食品中，可通过改变TAS改善菌株对其耐受性从而得到对白藜芦醇更优的利用方法。研究乳酸菌种TAS为其更好地应用于食品生产提供依据。

TAS中两个基因分别控制毒素与抗毒素产生，抗毒素的不稳定性为毒素的积累提供条件。而抑制毒素的产生一方面可维持细胞增长，另一方面降低下游工程难度，提高产品的品质。深入研究乳酸菌中TAS，针对毒素的产生调控或改变其TAS，对于控制发酵过程中毒素的产生以及提高工业菌株品质等有重要意义。当抗毒素被大量水解时，游离毒素可大量产生从而导致细菌程序性死亡（programmed cell death，PCD）。医学研究中，有学者提出利用TAS可引起PCD开发两类非直接作用于TAS的抗菌药物：1）抑制抗毒素基因转录；2）抑制叶酸代谢从而引起胸腺嘧啶缺乏[49]。Kolodkin-Gal等[50]研究发现，在大肠杆菌细胞中，mazEF介导程序性死亡需要一种线性五肽的参与，并称之为胞外致死因子。一般情况下，胞外致死因子EDF可通过使单个细胞死亡来维持群体生存。如果EDF相关理论得到证实，我们可以用同样的思路探寻其他菌种的胞外致死因子加以利用。如，可以通过防止EDF进入细胞保护有益菌或是通过导入EDF抑制有害菌群生长。Williams等[51]提出可以利用TAS介导的PCD杀死细胞。例如，通过诱导蛋白酶产生加速抗毒素蛋白的水解。毒素-抗毒素基因的启动子可以产生一种分子阻断基因转录从而断绝抗毒素蛋白的补给，而Lon以及Clp等蛋白水解酶会降解已经产生的抗毒素，从而使毒素重新产生活性进而杀死细胞。

在发酵食品生产过程中，噬菌体污染是一个频发的问题。它可能导致生产崩溃，引起巨额经济损失，甚至反复发生。研究发现，TAS可使细菌对噬菌体产生排斥，Pecota等[52]报道了位于P1质粒上的hok-sok排斥T4噬菌体的现象。通过特异性改变TAS基因，研制抗噬菌体菌株，对于食品中乳品发酵等多个行业具有重大意义。

TAS的多种功能特性使其具有广阔的应用前景，但目前乳酸菌中TAS的相关基础研究尚未完善，需进一步开展基础研究工作，更明确地了解乳酸菌中TAS的遗传背景、功能特性等，为其应用性研究奠定坚实的理论基础。

4 乳酸菌TAS应用时应注意的问题

乳酸菌中TAS数量庞大，清楚地了解其进化背景是进行基因改造的基础。TAS在细菌基因中分布如此之广的重要原因是其可通过基因水平转移进行移动[53]。同一菌株中可发现同一TAS的多个拷贝。这成为TAS作为功能基因的优越特性，但同时也可能为其应用于生产实践带来菌株遗传稳定性的问题。TAS可调控细胞在高浓度抗菌剂作用下形成持留细胞得以存活，其在细菌中的基因水平转移可能导致TAS转入到有害微生物中引起有害细菌能够耐受高浓度抗菌剂。目前普遍认为由TAS引起的这一特性不会发展成为耐药性[15]，但仍须谨慎对待。食品生产中，一般不推荐应用带有位于染色体转座子或是质粒上的基因等可传播的耐抗生素基因的细菌。欧洲食品安全局推荐使用天然带有抗药性或是通过基因突变获得抗药性的菌株，不推荐通过植入基因获得抗药性的菌株[43]。以后在开发工程菌时也应将这一问题纳入考虑范围。

此外，有实验证明，从同一原始菌株中分离的两株菌基因测定结果有较大差异[1]。这说明乳酸菌在一定实验条件下存在基因并不稳定。这提示我们在菌株应用前必须重视菌株的稳定性测试。在一定程度上讲，新菌株与野生菌种功能同一性非常重要，一些关联细菌典型特性的表现型缺失可能会误导研究者，需引起注意。但是，TAS为一对基因，具有双稳性，可保证两个基因同时表达，这又在一定程度上保障了该系统本身的稳定性。

乳酸菌中TAS研究虽已经取得一定成果，且表现出广阔的应用前景，但仍不足以作为其广泛应用的支撑依据。有待研究者们对已经提出以及尚未发现的问题进行进一步深入研究和探讨，使TAS不再局限于医学应用，并且能够更好地服务于食品行业。

[1] ZHANG Heping, CAI Yimin. Lactic acid bacteria: fundamentals and practice[M]. Germany: Springer, 2014: 205-247.

[2] SIEZEN R J, RENCKENS B, van SWAM I, et al. Complete sequences of four plasmids of Lactococcus lactis subsp. cremoris SK11 reveal extensive adaptation to the dairy environment[J]. Applied and Environmental Microbiology, 2005, 71(12): 8371-8382.

[3] ZHANG Wenyi, YU Dongliang, SUN Zhihong, et al. Complete genome sequence of Lactobacillus casei Zhang, a new probiotic strain isolated from traditional homemade koumiss in Inner Mongolia, China[J]. Journal of Bacteriology, 2010, 192(19): 5268-5269.

[4] OGURA T, HIRAGA S. Mini-F plasmid genes that couple hostcell division to plasmid proliferation[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1983, 80(15): 4784-4788.

[5] MASUDA Y J, MIYAKAWA K, NISHIMURA Y, et al. Chpa and Chpb, Escherichia coli chromosomal homologs of the pem locus responsible for stable maintenance of plasmid R100[J]. Journal of Bacteriology, 1993, 175(21): 6850-6856.

[6] BLOWER T R, SALMOND G P C, LUISI B. Balancing at survival’s edge: the structure and adaptive benefits of prokaryotic toxin-antitoxin partners[J]. Current Opinion in Structural Biology, 2011, 21(1): 109-118.

[7] van MELDEREN L, de BAST M S. Bacterial toxin-antitoxin systems: more than selfi sh entities?[J]. PLoS Genetics, 2009, 5(3): e1000437. doi: 10.1371/journal.pgen.1000437.

[8] BROWN B L, GRIGORIU S, KIM Y, et al. Three dimensional structure of the MqsR: MqsA complex: a novel ta pair comprised of a toxin homologous to RelE and an antitoxin with unique properties[J]. PLoS Pathogens, 2009, 5(12): e1000706. doi: 10.1371/journal.ppat.1000706.

[9] LEPLAE R, GEERAERTS D, HALLEZ R, et al. Diversity of bacterial type II toxin-antitoxin systems: a comprehensive search and functional analysis of novel families[J]. Nucleic Acids Research, 2011, 39(13): 5513-5525.

[10] WANG Xiaoxue, LORD D M, CHENG H Y, et al. A new type V toxin-antitoxin system where mRNA for toxin GhoT is cleaved by antitoxin GhoS[J]. Nature Chemical Biology, 2012, 8(10): 855-861.

[11] SEVIN E W, BARLOY-HUBLER F. RASTA-bacteria: a web-based tool for identifying toxin-antitoxin loci in prokaryotes[J]. Genome Biology, 2007, 8(8): R155. doi: 10.1186/gb-2007-8-8-r155.

[12] FINERAN P C, BLOWER T R, FOULDS I J, et al. The phage abortive infection system, ToxIN, functions as a protein-RNA toxinantitoxin pair[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2009, 106(3): 894-899.

[13] DY R L, PRZYBILSKI R, SEMEIJN K, et al. A widespread bacteriophage abortive infection system functions through a Type IV toxin-antitoxin mechanism[J]. Nucleic Acids Research, 2014, 42(7): 4590-4605.

[14] TAfinder. A web-based tool to identify type II toxin-antitoxin loci in bacterial genome sequences[EB/OL]. [2014-11-25]. http://202.120.12.133/TAfi nder/Introduction.html.

[15] O’BRIEN K. Issues and challenges in compiling for the CBEA[J]. Acm Sigplan Notices, 2007, 42(7): 134.

[16] FOZO E M, MAKAROVA K S, SHABALINA S A, et al. Abundance of type I toxin-antitoxin systems in bacteria: searches for new candidates and discovery of novel families[J]. Nucleic Acids Research, 2010, 38(11): 3743-3759.

[17] HAYES F, MELDEREN L V. Toxins-antitoxins: diversity, evolution and function[J]. Critical Reviews in Biochemistry and Molecular Biology, 2011, 46(5): 386-408.

[18] JORGENSEN M G, PANDEY D P, JASKOLSKA M, et al. HicA of Escherichia coli defines a novel family of translation-independent mRNA interferases in bacteria and archaea[J]. Journal of Bacteriology, 2009, 191(4): 1191-1199.

[19] TIAN Q B, HAYASHI T, MURATA T, et al. Gene product identifi cation and promoter analysis of hig locus of plasmid Rts1[J]. Biochemical and Biophysical Research Communications, 1996, 225(2): 679-684.

[20] HEATON B E, HERROU J, BLACKWELL A E, et al. Molecular structure and function of the novel BrnT/BrnA toxin-antitoxin system of Brucella abortus[J]. Journal of Biological Chemistry, 2012, 287(15): 12098-12110.

[21] PANDEY D P, GERDES K. Toxin-antitoxin loci are highly abundant in free-living but lost from host-associated prokaryotes[J]. Nucleic Acids Research, 2005, 33(3): 966-976.

[22] MITTENHUBER G. Occurrence of mazEF-like antitoxin/toxin systems in bacteria[J]. Journal of Molecular Microbiology and Biotechnology, 1999, 30(1): 295-302.

[23] de la HOZ A B, AYORA S, SITKIEWICZ I, et al. Plasmid copynumber control and better-than-random segregation genes of pSM19035 share a common regulator[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2000, 97(2): 728-733.

[24] HIRAMATSU Y, YAMAMOTO M, SATHO T, et al. Recombinant fusion protein of cholera toxin B subunit with YVAD secreted by Lactobacillus casei inhibits lipopolysaccharide-induced caspase-1 activation and subsequent IL-1 beta secretion in Caco-2 cells[J]. BMC Biotechnology, 2014, 14(1): 1-38.

[25] WANG T T, LEE B H. Plasmids in Lactobacillus[J]. Critical Reviews in Biotechnology, 1997, 17(3): 227-272.

[26] Database Toxin-Antitoxin. Organism list of browse by organism[DB/OL]. [2014-11-25]. http://202.120.12.135/TADB2/ browse_org.php?alpha=L.

[27] KLIMINA K M, KJASOVA D K, POLUEKTOVA E U, et al. Identifi cation and characterization of toxin-antitoxin systems in strains of Lactobacillus rhamnosus isolated from humans[J]. Anaerobe, 2013, 22(10): 82-89.

[28] KORYSZEWSKA-BAGINSKA A, BARDOWSKI J, ALEKSANDRZAK-PIEKARCZYK T. Genome sequence of the probiotic strain Lactobacillus rhamnosus (formerly Lactobacillus casei) LOCK908[J]. Genome Announcements, 2014, 2(1): 114-120.

[29] AMBALAM P, PITHVA S, KOTHARI C, et al. Insight into the draft genome sequence of human isolate Lactobacillus rhamnosus LR231, a bacterium with probiotic potential[J]. Genome Announcements, 2014, 2(1): 111-114.

[30] BLOWER T R, SHORT F L, RAO F, et al. Identification and classifi cation of bacterial type III toxin-antitoxin systems encoded in chromosomal and plasmid genomes[J]. Nucleic Acids Research, 2 012, 40(13): 6158-6173.

[31] EMMA J R, BRIAN M F, MARCUS J C, et al. Unusual genome complexity in Lactobacillus salivarius JCM1046[J]. BMC Genomics, 2014, 15: 771. doi: 10.1186/1471-2164-15-771.

[32] FANG Fang, FLYNN S, LI Yin, et al. Characterization of endogenous plasmids from Lactobacillus salivarius UCC118[J]. Applied and Environmental Microbiology, 2008, 74(10): 3216-3228.

[33] BUSTOS G, MOLDES A B, CRUZ J M, et al. Influence of the metabolism pathway on lactic acid production from hemicellulosic trimming vine shoots hydrolyzates using Lactobacillus pentosus[J]. Biotechnology Progress, 2005, 21(3): 793-798.

[34] ANUKAM K C, MACKLAIM J M, GLOOR G B, et al. Genome sequence of Lactobacillus pentosus KCA1: vaginal isolate from a healthy premenopausal woman[J]. PLoS ONE, 2013, 8(3): e59239. doi: 10.1371/journal.pone.0059239.

[35] KOHANSKI M A, DWYER D J, HAYETE B, et al. A common mechanism of cellular death induced by bactericidal antibiotics[J]. Cell, 2007, 130(5): 797-810.

[36] ARYANTA R W, FLEET G H, BUCKLE K A. The occurrence and growth of microorganisms during the fermentation of fi sh sausage[J]. International Journal of Food Microbiology, 1991, 13(2): 143-155.

[37] AQUILANTI L, SANTARELLI S, SILVESTRI G, et al. The microbial ecology of a typical Italian salami during its natural fermentation[J]. International Journal of Food Microbiology, 2007, 120(2): 136-145.

[38] ERCOLINI D, HILL P J, DODD C E R. Bacterial community structure and location in Stilton cheese[J]. Applied and Environmental Microbiology, 2003, 69(6): 3540-3548.

[39] MUNDT J O, HAMMER J L. Lactobacilli on plants[J]. Applied Microbiology, 1968, 16(9): 1326-1340.

[40] SIEZEN R J, FRANCKE C, RENCKENS B, et al. Complete resequencing and reannotation of the Lactobacillus plantarum WCFS1 genome[J]. Journal of Bacteriology, 2012, 194(1): 195-196.

[41] ZIELENKIEWICZ U, CEGLOWSKI P. The toxin-antitoxin system of the streptococcal plasmid pSM19035[J]. Journal of Bacteriology, 2005, 187(17): 6094-6105.

[42] GEORGES B, PAUL B, de JOAQUIM B B, et al. Update of the criteria used in the assessment of bacterial resistanc e to antibiotics of human or veterinary importance[J]. The EFSA Journal, 2008, 732: 1-15.

[43] WEAVER K E, REDDY S G, BRINKMAN C L, et al. Identifi cation and characterization of a family of toxin-antitoxin systems related to the Enterococcus faecalis plasmid pAD1 par addiction module[J]. Microbiology, 2009, 155(9): 2930-2940.

[44] DIEP D B, STRAUME D, KJOS M, et al. An overview of the mosaic bacteriocin pln loci from Lactobacillus plantarum[J ]. Peptides, 2009, 30(8): 1562-1574.

[45] CHAN Waiting, NIETO C, HARIKRISHNA J A, et al. Genetic regulation of the yefm-yoeb toxin-antitoxin locus of Streptococcus pneumoniae[J]. Journal of Bacteriology, 2011, 193(18): 4612-4625.

[46] ALEKSEEVA MG D V, KLIMINA K M. The use of genes of toxin-antitoxin systems RelBE and MazEF for species and strain identification in Lactobacillus: Russian Federation, 2011152586[P]. 2011[2014-11-20].

[47] DANILENKO V, AVERINA O, ALEKSEEVA M, et al. The toxinantitoxin system gene polymorphism as a marker for specie s and strain identifi cation of the probiotic component of human microbiome[C]. Paris: Proceedings of the International Human Microbiome Congress, 2012.

[48] HARRISON J J, WADE W D, AKIERMAN S. The chromosomal toxin gene yafQ is a determinant of multidrug tolerance for Escherichia coli growing in a biofi lm[J]. Antimicrobial Agents and Chemotherapy, 2009, 53(6): 2253-2258.

[49] GHAFOURIAN S, RAFTARI M, NOURKHODA, et al. Toxinantitoxin systems: classification, biological function and application in biotechnology[J]. Current Issues in Molecular Biology, 2014, 16(1): 9-14.

[50] KOLODKIN-GAL I, HAZAN R, GAATHON A, et al. A linear pentapeptide is a quorum-sensing factor required for mazEF-mediated cell death in Escherichia coli[J]. Science, 2007, 318(10): 652-655.

[51] WILLIAMS J J, HERGENROTHER P J. Artificial activation of toxin-antitoxin systems as an antibacterial strategy[J]. Trends in Microbiology, 2012, 20(6): 291-298.

[52] PECOTA D C, WOOD T K. Exclusion of T4 phage by the hok/sok killer locus from plasmid R1[J]. Journal of Bacteriology, 1996, 178(7): 2044-2050.

[53] BRZOZOWSKA I, ZIELENKIEWICZ U. Regulation of toxinantitoxin systems by proteolysis[J]. Plasmid, 2013, 70(1): 33-41.

Advances in Toxin-Antitoxin System of Lactic Acid Bacteria

XU Wei, LI Hongjun, HE Zhifei*
(College of Food Science, Southwest University, Chongqing 400716, China)

As a functional gene, toxin-antitoxin system (TAS) is present widely in bacteria and archaea. Five types of TAS have been discovered until now. The TAS in more than 75 species of Lactobacillus rhamnosus has been identifi ed. TAS could regulate the genes such as changing the type of bacterial flagellum and controlling the toxicity of toxins, change the metabolism of bacteria under stress conditions, and metamorphose cells into persistent cells in medium with high concentration of antibiotics. In this review, we summarize recent progress in studying the TAS of L. rhamnosusin and its classifi cation, aiming to provide a solid theoretical foundation for future research and application in the food industry.

Lactobacillus rhamnosus; toxin-antitoxin syste m (TAS); application

TS201.3

A

1002-6630（2015）19-0260-05

10.7506/spkx1002-6630-201519047

2014-12-09

国家自然科学基金面上项目（31071566）

徐谓（1991-），女，硕士研究生，研究方向为食品科学。E-mail：xu.wei47@yahoo.com

*通信作者：贺稚非（1960-），女，教授，博士，研究方向为食品科学。E-mail：2628576386@qq.com