综述 | 华中农大：革兰氏阴性菌群体感应信号分子对宿主细胞的影响(国人佳作)

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编译：微科盟小木，编辑：微科盟茗溪、江舜尧。

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导读   群体感应(quorum sensing, QS)是原核生物中一种基于分子信号的通讯机制。在基本模式下，某些细菌释放的信号分子被群落中其他成员的胞内受体或膜结合受体感知，导致同源基因信号分子合成和同步活动。这种调节机制对于细菌与宿主的共生关系以及毒力和生物膜的形成至关重要。值得注意的是，群体感应信号分子(QSSMs)不仅能够控制微生物群落行为，还可以调节宿主细胞的生理状态。本文对革兰氏阴性菌群体感应信号分子在调节宿主细胞功能和肠道健康中的重要性进行了全面的综述，并提出通过阻断群体感应信号分子发挥其功能的途径来应用于防治人类和动物疾病的可能性。  

图文摘要

论文ID

原名：Impact of quorum sensing signaling molecules in gram-negative bacteria on host cells: current understanding and future perspectives 

译名：革兰氏阴性菌中群体感应信号分子对宿主细胞的影响：当前理解和未来展望

期刊：Gut Microbes

IF：9.434

发表时间：2022.2

通讯作者：陶诗煜 

通讯作者单位：华中农业大学动物科学技术学院

DOI号：10.1080/19490976.2022.2039048

综述目录

1 前言

2 革兰氏阴性菌QSSM的特征

3 革兰氏阴性菌QS系统

4 QSSM AHL对宿主细胞的影响及其潜在机制

5 QSSM AHL对宿主肠道健康的影响及其潜在机制

6 结论

主要内容

1 前言

国际学术界将多种微生物共同生活的系统称为微生物群落，也称为微生物区系。然而，许多年前，研究人员发现细菌间可以相互通讯，通过这种通讯，它们获得了协调运作的能力。细菌间通讯主要依赖于微生物群体感应(QS)。QS的概念最早由Fuqua等人提出，指只有当细菌数量达到一定密度时才会发生的感应现象。据报道，在革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌中都存在QS，并且在细菌感染中经常观察到QS信号分子(QSSMs)的局部浓度升高。QS已成为微生物学领域的一个重要研究领域。20世纪60年代，Tomasz等人在肺炎链球菌(Streptococcus pneumoniae)中发现了第一种QSSM。随后的一项研究表明，QS系统广泛存在于各种微生物种群中。随着新的研究进展，研究者发现QSSM不仅可以调控微生物群体行为，还可以调节人类致病菌中毒力因子的表达，逐渐引起了公共卫生领域的关注。

细菌群体感应(QS)是细菌交换细胞内或细胞间信息、协调种群行为、调节基因表达的机制，所有这些都取决于种群密度。当一个细菌群落达到一定密度时，它通过分泌可扩散的信号小分子(也称为QSSMs)来启动与细菌群落密度相关的基因表达。QSSMs扩散到环境中，当环境中的信号分子达到一定的阈值浓度时，它们会诱导细菌中依赖于细胞密度的特定基因的表达，从而导致细菌在群落规模上表现出新的行为特征，如生物发光、调节毒力因子分泌、芽胞形成或生物膜形成、细胞分化、运动和胞外多糖形成。目前已经确定了多种微生物相关的QSSMs。对于革兰氏阴性菌，大多数QSSMs属于N-酰基高丝氨酸内酯(AHL)家族。不同AHLs之间的主要区别在于N-侧链的长度、3-碳位置的取代基以及侧链中是否存在一个或多个不饱和键。

以往对QS的研究主要集中在微生物间的相互作用。近年来，QSSMs对宿主细胞功能的直接影响也引起了广泛的关注。QSSMs是脂溶性小分子，很容易渗透到细胞内影响细胞功能。本文综述了国内外有关微生物QS的研究现状。基于对QS理解的最新进展，我们还强调了QSSM AHL与宿主细胞之间相互作用的重要性，包括AHL在哺乳动物宿主细胞中的作用和潜在机制、AHL与肠道健康的关系以及AHL导致肠屏障功能障碍的机制。微生物QSSM的多靶点可能为细菌性感染性疾病的诊断和治疗提供了新的可能性。

2 革兰氏阴性菌QSSM的特征

i)小分子量：革兰氏阴性菌QSSM，如AHL及其衍生物、寡肽、γ-丁内酯等，都是可以自由进出细胞或由寡肽渗透酶分泌到环境中并在环境中积累的小分子。ii)物种特异性：AHL在革兰氏阴性菌中具有强烈地特异性。通常，革兰氏阴性菌使用LuxR型受体，这是一种细胞质转录因子，可以检测由伴侣LuxI型合酶产生的AHLs。iii)对生长期和细菌密度的依赖性：一般情况下，革兰氏阴性菌QSSM在环境中的积累在细菌生长的对数期或稳定期达到较高的浓度，此时它调节了大多数基因的表达。此外，细菌生长稳定期的上清液可以在培养阶段引起细菌生理状态的变化(较低的细菌密度)。iv)在革兰氏阴性菌感染中的调节作用：许多产生QSSM的革兰氏阴性菌属于动植物致病菌或共生细菌，其在细菌与宿主的相互作用中起着重要的调节作用。

  3 革兰氏阴性菌QS系统

革兰氏阴性菌可向周围环境释放一类小分子信号因子(AHL)，该因子可自由进出细菌，AHL在QS系统中起着关键作用。表1显示了不同革兰氏阴性菌QSSMs及其功能的信息。

AHL最早在海洋细菌费氏弧菌(Vibrio fischeri)的生物发光系统中发现，这种现象与细菌的种群密度呈正相关。对于革兰氏阴性菌，由LuxI/LuxR组成的QS系统研究最广泛。以费氏弧菌为例，该菌的LuxI同源基因负责QSSM AHL的合成，而LuxR同源基因作为AHL受体被激活，进而调控多种下游基因的转录。AHL介导的微生物间信号转导可调控革兰氏阴性菌的多种功能，如毒力因子的产生、抗生素和胞外多糖的生物合成、细胞聚集、进入稳定生长期等。在细菌呈指数增长的过程中，AHL在细胞质中合成并通过细胞膜扩散，从而到达细菌外部并在环境中积累。当AHL达到特定的临界浓度时，LuxR与AHL结合形成LuxR-AHL复合体，该复合体可激活相关基因的启动子，最终启动靶基因的转录(图1)。LuxR通过使用AHL作为折叠开关来稳定其结构，并在AHL缺失时自动降解。许多具有QS的细菌可以产生一种以上的AHL分子。例如，铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)可以同时产生C4-HSL和3-oxo-C12-HSL，不同类型的AHL分子调节微生物群体行为的功能和机制可能存在差异。此外，一些研究人员发现，一些细菌缺乏与LuxI功能相似的基因，导致细菌无法自行合成AHL。有趣的是，这些细菌编码LuxR的同源蛋白SdiA，该蛋白可以感知其他细菌产生的各种群体信号，并通过窃听机制调节其自身QS相关基因的表达。

在以AHL为QSSM的革兰氏阴性菌QS系统中，信号转导途径多样。目前铜绿假单胞菌的研究最为成熟，其主要包含四个QS系统。第一个是lasR/lasI系统，由转录激活因子lasR和乙酰高丝氨酸内酯酶lasI蛋白组成。LasI指导QSSM N-3-氧十二烷酰高丝氨酸内酯(3-oxoC12-HSL)的合成，并在主动运输过程中将其分泌到细胞外。3-oxoC12-HSL能在一定阈值浓度下结合lasR，激活碱性蛋白酶、外毒素A、弹性酶等毒力因子的基因转录，从而增加铜绿假单胞菌毒力基因的表达。第二个是rhlR/rhlI系统。RhlR是一种转录调节因子；RhlI编码AHL合成酶。该系统产生高丝氨酸内酯QSSM，其结构为C4-HSL，可自由通过细胞膜，调节大量基因的表达，如几丁质酶、氰化物、绿脓素和其他基因。假单胞菌喹诺酮信号(PQS)是最近发现的铜绿假单胞菌的第三个QS系统。喹诺酮信号系统的信号分子具有抗菌活性且不溶于水，其利用细菌间信号转导的机制尚不清楚。它可能涉及通过胞吐样转运机制在细菌之间传递PQS信号。PQS可以连接lasR/lasI和rhlR/rhlI两个系统。一方面，lasR/lasI和rhlR/rhlI控制PQS的产生；另一方面，PQS影响lasR/lasI和rhlR/rhlI的基因表达。这两者之间有着微妙的平衡。此外，PQS还发挥着调节细菌密度和释放毒力因子的作用。除上述三种QS系统外，铜绿假单胞菌的另一种QS辅助系统GacS/GacA系统，最近被发现并报道其在提高细菌传播能力、释放可可碱乙酸钠和促进生物膜形成方面发挥了重要作用。

图1 革兰氏阴性菌群体感应信号。(A) N-酰基高丝氨酸内酯(AHLs)是革兰氏阴性菌中相互通讯的QSSM。LasI/RhlI指导LuxI合成AHLs，当AHLs积累到阈值浓度时，AHLs在细菌膜外自由扩散，并与其受体LuxR结合。LuxR-AHLs复合物激活靶基因的表达，触发毒素、生物膜、抗生素或荧光的发生。(B)典型AHL的化学结构：N-3-氧十二烷酰高丝氨酸内酯(3-oxo-C12-HSL)。

表1 不同革兰氏阴性菌QSSMs及其功能信息表。 

4 QSSM AHL对宿主细胞的影响及其潜在机制 4.1 AHL对细胞凋亡的影响

QSSMs是一类脂溶性小分子，其可以通过扩散到达黏膜上皮或皮下组织，甚至扩散到脉管系统中。研究表明，AHL是革兰氏阴性菌QSSM，可以影响宿主真核细胞的功能。由于其脂溶性，AHL可以迅速进入哺乳动物细胞，诱导细胞凋亡。因此，AHL在诱导宿主细胞凋亡中起着直接作用。AHLs可以快速启动小鼠胚胎成纤维细胞的凋亡，激活caspase-3/7和8，使线粒体膜电位去极化，并将细胞色素c从线粒体释放到细胞质中，导致细胞和细胞核收缩，最终导致细胞死亡。将呼吸道上皮细胞暴露于AHLs仅1小时就会导致上皮细胞间的紧密连接解体。然而，有报道称一种膜穿透性泛caspase抑制剂(Z-VAD-FMK)可以阻断这种损伤，这表明紧密连接的破坏是由AHL引发的细胞凋亡的早期事件。低浓度的AHL足以降低未分化的Caco-2细胞的活力，并通过抑制AKT的磷酸化而诱导凋亡，而AKT过表达可部分逆转细胞凋亡。此外，粘蛋白MUC3可保护上皮细胞免受AHL造成的损伤。AHL的促凋亡作用与细胞内Ca2+信号转导有关。用抑制Ca2+进入内质网的抑制剂毒胡萝卜素(thapsigargin)预处理细胞10分钟可以保护屏障免受AHL损伤并减少细胞凋亡。AHL强烈诱导巨噬细胞和中性粒细胞凋亡。此外，AHL以剂量依赖性方式促进精子凋亡，从而降低精子活力。AHL对癌细胞也有较强的促凋亡作用。

  4.2 AHL对免疫的影响

根据酰基链长度、双键和浓度，AHL可以不同程度地影响宿主先天免疫系统。对于巨噬细胞，AHL通常以多种方式降低其炎症反应，导致铜绿假单胞菌的慢性感染。结果表明，铜绿假单胞菌产生的AHL在RAW264.7小鼠巨噬细胞中具有抗炎作用，且呈剂量依赖性。同时，AHL诱导RAW264.7细胞分泌的TNF-α浓度降低，IL-10浓度升高。此外，有报道称AHL存在时巨噬细胞具有更强的吞噬活性。对于树突状细胞(DCs)，其作用因细胞类型而异。在AHL存在的情况下，脂多糖刺激可抑制人和小鼠DCs中促炎细胞因子IL-12和干扰素-γ的分泌。然而，相同浓度的AHL和脂多糖只能增强人DCs分泌IL-10的能力，而不能增强小鼠DCs分泌IL-10的能力。AHL对宿主适应性免疫也有一定程度的影响。AHL能抑制有丝裂原刺激和抗原刺激的T淋巴细胞增殖和功能，并能调节B淋巴细胞产生抗体。此外，AHL可通过线粒体途径诱导Jurkat细胞系凋亡，从而抑制DCs和T细胞的活化和增殖，并下调DCs上共刺激分子的表达。

4.3 AHL影响宿主细胞功能的细胞类型特异性和剂量特异性

AHL诱导哺乳动物细胞凋亡具有明显的细胞特异性。例如，大量体外研究表明，AHL可诱导气管上皮细胞、乳腺癌细胞、巨噬细胞和中性粒细胞凋亡，但对肝Hep2和肺CCL185上皮细胞系不具有诱导凋亡作用。AHL对哺乳动物细胞免疫的调节也具有细胞类型特异性，有研究报道AHL可以上调炎症细胞因子，但也有研究表明AHL可以减少细胞炎症。此外，AHL对宿主细胞功能的影响同样具有剂量特异性。在较高浓度(>25 μM)下，细胞内事件可能占主导地位，但在较低浓度(<10 μM)下，更敏感的受体驱动效应将占主导地位。较低浓度(10~30 μM)的AHL可通过抑制未分化Caco-2细胞中的AKT磷酸化来降低细胞活力，并伴有细胞凋亡。在临床环境中，胃肠道被认为是产生AHL的铜绿假单胞菌最重要的栖息地，其与较高的患者死亡率相关。人体临床研究表明，铜绿假单胞菌具有黏附和穿透肠上皮细胞以及形成生物膜的能力。AHL存在于铜绿假单胞菌生物膜中，浓度高达300-600 μM。因此，我们前面列出的AHL影响宿主细胞功能的研究中使用的浓度具有生理学意义，这些研究有助于指导临床实践。

  4.4 AHL影响宿主细胞功能的潜在机制

虽然AHLs触发宿主细胞损伤的分子机制尚未明确，对哺乳动物细胞中已鉴定的AHL受体靶点的研究仍处于早期阶段，但已阐明了几种介导AHL活性的信号通路和机制。通常，当病原微生物及其代谢物入侵时，宿主通过模式识别受体(PPRs)激活先天免疫系统。toll样受体(TLRs)是PRR的一种，能够直接激活免疫反应。据报道，AHL可调节中性粒细胞吞噬作用并抑制DC抗原呈递，从而诱导促炎细胞因子并加剧气道炎症。AHL也被报道能够抑制脂多糖诱导的核因子-κB(NF-κB)激活，从而触发淋巴细胞死亡。已有研究证明宿主响应AHL不需要TLR。在之前的一项研究中，我们发现虽然AHL处理后TLRs表达发生了改变，但NF-κB磷酸化并未发生改变。此外，NF-κB转录活性抑制剂并不能减轻AHL诱导的氧化应激和细胞活力，表明TLR-NF-κB信号通路不参与AHL诱导的宿主细胞损伤。因此，AHL的效应功能似乎是通过一个独特的信号平台发生的。

脂筏是质膜上富含胆固醇和鞘磷脂的微结构域。脂筏是蛋白质停泊的平台，与膜信号转导和蛋白质分选密切相关。脂筏最初可能在内质网中形成，一些脂筏运输到细胞膜后可不同程度地与膜下细胞骨架蛋白交联。目前，关于脂筏是否介导AHLs对宿主的有害生物学功能尚未达成共识。由于AHL是一种脂溶性小分子，有报道称细胞膜上的胆固醇是AHL的潜在受体，AHL可以通过细胞膜上的脂筏运输到细胞内执行特定的生物学功能。脂筏的破坏者MβCD通过移除细胞膜上的胆固醇来破坏脂筏的结构，能有效抑制AHL诱导的Caco-2细胞通透性增加。然而，另一篇报道表明AHL可通过被动运输途径进入宿主细胞，与细胞膜几乎没有相互作用。研究结果出现这种差异的原因可能是由于使用的细胞类型不同，但脂筏和AHL之间的关系仍需进一步研究(图2)。

目前，AHLs调节宿主细胞功能的机制尚不清楚，宿主细胞结合AHLs的受体尚未确定。然而，有人提出过氧化物酶体增殖物激活受体-γ(PPAR-γ)可能作为哺乳动物AHL的潜在受体。PPAR-γ是一种核受体，作为转录因子调节脂质代谢。以往对PPAR-γ的研究主要集中在调节脂肪细胞的分化，而对其介导细胞凋亡的研究较少。体外研究也证实PPAR-γ激动剂可以在体外诱导培养的T细胞凋亡，这表明PPAR-γ激动剂是一种潜在的抗炎分子，在严重炎症反应过程中发挥免疫功能障碍的作用。PPAR-γ表达增加也可诱导癌细胞凋亡，但对于神经元细胞则相反，PPAR-γ过表达或其受体激动剂罗格列酮都可以通过上调抗凋亡蛋白来保护线粒体，从而发挥抗凋亡作用(图2)。

对氧磷酶2(PON2)在哺乳动物组织中广泛表达，其主要功能是水解QSSM AHL。因此，PON2可能是AHL发挥生物学功能的潜在调节因子。目前，关于PON2在AHL中调节宿主细胞功能的作用尚无定论。研究表明，PON2在人主动脉内皮细胞中具有抗氧化、抗炎和抗凋亡的特性，这取决于其水解能力。为了支持这一假设，研究人员报道称，基于PON2的抗氧化和抗凋亡活性，PON2可以减弱AHL介导的损害宿主细胞功能的生物学效应。与之相反，最近的一项研究表明，AHL以PON2依赖性方式诱导小鼠胚胎成纤维细胞凋亡。随后的研究表明，PON2可将AHL水解为AHL酸并将其储存在线粒体中，从而在哺乳动物细胞中产生一系列生物学效应(图2)。

在铜绿假单胞菌感染过程中，周围细菌通过群体感应系统分泌并感知信号分子AHL。AHL与LasR结合，导致其自身的同源基因合成。在宿主免疫细胞的AHL损伤模型中，一部分AHL被整合到宿主细胞膜中，导致脂质结构域的破坏，即真核细胞膜中独特的有序脂质结构域，在AHL存在时可被溶解。这反过来导致肿瘤坏死因子受体1(TNFR1)被强制排出到膜的无序阶段，在缺乏外部配体的情况下导致更高程度的自发三聚化和TNFR1信号转导。仅这种分布变化就驱动了caspase 8和caspase 3轴激活和凋亡的整个过程，并被铜绿假单胞菌用来抑制宿主免疫。因此，当宿主防御系统被削弱时，铜绿假单胞菌获得了生存优势。在这种情况下，AHL的毒性至少部分是通过主动劫持宿主细胞死亡信号通路来实现的。这些发现表明了一种以前未知的真核细胞如何感知微生物代谢产物的机制(图2)。

图2 AHLs介导宿主细胞生物学效应的潜在机制模型。位于细胞膜上的脂筏和肿瘤坏死因子受体(TNFR1)以及位于细胞质中的对氧磷酶2(PON2)和过氧化物酶体增殖物激活受体-γ(PPAR-γ)是AHLs的潜在受体，它们可能共同诱导具有AHLs宿主细胞的凋亡和炎症反应。

5 QSSM AHL对宿主肠道健康的影响及其潜在机制 5.1 AHL对人和小鼠肠道健康的影响

哺乳动物肠道中是否存在AHL在科学界是一个尚未解决的问题。有人提出，使用基于LuxR的生物传感器可能无法检测肠道中的AHL，因为它们的检测限太高；因此，有必要开发新的、更灵敏的方法。Kumari等人开发了一种检测AHLs的全细胞传感器系统，并表明在唾液和粪便中检测到的这些信号分子可能是胃肠道疾病潜在的内源性生物标志物。基于LC/MS的方法也被用于检测生物样品中的AHLs。此外，最近的研究开发了一种基于UPLC-MS/MS的检测方法，在肠道微生物群和宿主中筛选出27种AHLs。在常规饲养的小鼠的粪便、血清和肝脏中鉴定出了多种AHL分子，但在无菌小鼠中未检测到。在感染柠檬酸杆菌(Citrobacter rodentium)的小鼠的粪便和血清中可检测到致病菌产生的C4-HSL，而在未感染的小鼠中则未检测到。此外，鼠类柠檬酸杆菌感染显著提高了血清中几种AHL分子的水平。该研究表明，肠道微生物可以产生多种AHLs并将其运输到宿主体内。此外，研究人员利用质谱技术在IBD患者和健康个体的粪便中检测出14种不同的AHLs，且AHLs的分布与疾病状态相关。

5.2 AHL对反刍动物和猪肠道健康的影响

在欧美等发达国家，由于经济实惠，谷物食品被广泛用于反刍动物的饲养。由于缺乏优质牧草，高比例精料饲料在中国也被广泛用于反刍动物的饲养，以最大限度地提高动物的生长速度和经济效益。在奶牛特定的生理期给奶牛饲喂高精料日粮可以有效地提高产奶量。然而，长期饲喂可降低胃肠道pH值，导致挥发性脂肪酸(VFAs)过度积累，进而导致亚急性瘤胃酸中毒(SARA)。据报道，泌乳早期和中期奶牛SARA患病率分别可达19%和26%。SARA的临床症状不明显，但会对消化道黏膜造成物理性损伤，细菌及细菌产物容易侵入体循环，进而导致乳腺炎、蹄叶炎、肝脓肿等疾病，最终影响反刍动物的健康和生产并造成重大的经济损失。据统计，SARA每年给美国乳制品行业造成10亿美元的损失。Erickson等人首次研究了反刍动物消化道中AHL信号分子的分泌。作者在80%的牛瘤胃液中检测到不同浓度的AHL。此外，饲喂高精料日粮的反刍动物瘤胃液中AHL侧链较低精料日粮的反刍动物长。上述结果表明，反刍动物消化道中确实存在AHL，高精料饲粮在一定程度上影响了消化道中AHL的分泌。此外，Edrington等人通过研究季节对AHL分泌的影响，发现在所有季节的反刍动物后肠内容物样本中均未检测到AHL。作者从两个方面解释了这一现象：i)在正常生理条件下，后肠道pH呈碱性，导致AHL开环并失活；ii)肠道中可能缺乏产生AHL的微生物。然而，饲喂高精料日粮后，反刍动物后肠道过度发酵引起后肠酸中毒，大大降低了肠腔pH值。因此，这可能为AHL结构的稳定提供了有利条件。在我们的研究中发现，反刍动物在饲喂高精料日粮后，肠道酸度下降，肠道微生物群发生剧烈变化，这可能会增加病原微生物和某些条件致病菌的数量，最终导致AHL的分泌。目前，尚不清楚AHL是否对反刍动物后肠道宿主细胞的功能状态产生影响，更不清楚其潜在机制。

养猪业在中国经济中占有非常重要的地位。然而，在养殖过程中，猪的出生体重和个体生产性能的差异，给规模化养猪场在畜舍利用、疾病预防和饲料配制等管理方面带来了极大的不便。在现代养殖条件下，猪虽然具有相同的遗传背景和养殖环境，但个体生产性能之间仍存在明显差异。IUGR导致仔猪出生体重低，哺乳期死亡率高，整个生命周期内生长性能低下。这些都是养猪业存在的突出问题。据统计，我国IUGR仔猪出生体重在1.1 kg以下的占15%~20%。IUGR仔猪出生后常伴有肠道功能紊乱，影响其出生后的生产潜力。与正常出生体重仔猪相比，IUGR仔猪后期饲料利用效率降低30%，平均屠宰时间延长30天。中国养猪业每年造成的经济损失高达150亿。此外，IUGR对仔猪肠道健康的影响可持续至生长期。通过系统分析生长期猪后肠(结肠和盲肠)上皮屏障的功能，发现IUGR会导致形态结构、氧化应激和细胞凋亡的持续恶化。此外，IUGR导致生长期猪后肠上皮屏障功能受损，革兰氏阴性菌在猪肠道的增殖可能发挥了重要作用。有研究表明，革兰氏阴性菌通过分泌AHL调节真核细胞的功能，从而破坏宿主肠道上皮细胞的稳态，最终导致肠上皮屏障功能障碍。结果表明，革兰氏阴性菌(拟杆菌Bacteroides和梭菌Clostridium)是IUGR猪肠道的优势菌群。IUGR仔猪肠道内革兰氏阴性菌的增殖表明，IUGR仔猪肠道内AHL浓度可能显著升高，而AHL可能引发IUGR仔猪肠上皮屏障功能的恶化。我们进一步检测了9种AHLs，包括3-oxo-C12-HSL及其类似物，发现IUGR猪粪便中2种AHL(3-oxo-C12-HSL和3-oxo-C14-HSL)的浓度显著高于正常出生体重猪。Spearman相关分析显示，3-oxo-C12-HSL与IUGR猪粪便中不同微生物有较强的相关性。体外细胞测定研究表明，3-oxo-C12-HSL以剂量依赖性方式损害IPECJ2细胞活力。通过进一步探究3-oxo-C12-HSL诱导肠上皮细胞损伤的分子机制，我们发现3-oxo-C12-HSL主要改变了肠上皮细胞跨质膜的输入以及精氨酸和脯氨酸代谢途径。

5.3 AHL损害肠道健康的潜在机制

黏液层是肠道抵御病原微生物和有害代谢产物入侵的第一道防线，它覆盖在肠道上皮细胞的外层。黏液层的主要成分是由肠道杯状细胞合成和分泌的粘蛋白，是覆盖整个肠道表面的屏障。研究表明，粘蛋白的缺失或异常表达可导致肠道疾病，而致病微生物及其部分代谢物可诱导粘蛋白异常表达。关于AHL对肠道黏液屏障的影响，我们首先建立了3-oxo-C12-HSL和肠道杯状细胞的共培养模型，并证明3-oxo-C12-HSL通过引起线粒体肿胀、线粒体膜电位去极化、线粒体功能障碍和细胞凋亡来诱导肠道杯状细胞内稳态失衡。此外，3-oxo-C12-HSL抑制粘蛋白的合成和硫酸盐化，最终破坏肠道黏液屏障。在此基础上，建立了3-oxo-C12-HSL/PON2特异性抑制剂/肠道杯状细胞共培养模型，发现3-oxoC12-HSL以PON2依赖性方式诱导一系列有害的生物学效应，最终导致肠道杯状细胞结构和功能紊乱(图3)。

物理屏障是肠屏障系统的一个重要特征。其主要作用是保证必需营养物质的吸收，防止致病物质的转运。因此，物理屏障需具有选择性穿透的特性。正常情况下，肠腔内物质通过细胞旁路和跨细胞途径穿过肠上皮屏障。细胞旁路途径的完成需要位于肠上皮细胞顶端区域的连接复合物的参与。细胞间的紧密连接复合体主要由紧密连接、粘连连接和桥粒组成。紧密连接是由跨膜蛋白、外周膜蛋白和调节分子组成的多蛋白复合体，主要包括claudin、occludin和ZO家族。紧密连接复合体中蛋白质的降解、磷酸化或再分布可导致紧密连接结构和功能改变、细胞骨架破坏或上皮细胞跨膜电阻降低、上皮通透性增加、上皮屏障完整性破坏，以及屏障功能失调。因此，维持肠上皮细胞间紧密连接蛋白的正常表达和分布对肠上皮屏障的功能至关重要。近年来，许多研究表明3-oxo-C12-HSL可通过破坏上皮细胞之间的紧密连接而引起肠屏障功能障碍。对人体结肠Caco-2细胞系的研究表明，3-oxo-C12-HSL可通过降低紧密连接蛋白的表达和细胞内分布来损害屏障功能，并诱导基质金属蛋白酶活性丧失，从而破坏屏障通透性及屏障功能。Vikstrom等人发现3-oxo-C12-HSL通过降低跨上皮细胞间阻力、降低ZO-1的表达和分布以及阻断和重新分布F-肌动蛋白来破坏Caco-2细胞的完整性。我们的研究表明，3-oxo-C12-HSL通过诱导细胞凋亡、触发线粒体功能障碍和氧化还原失衡、降解细胞外基质、破坏紧密连接等方式破坏肠上皮细胞屏障功能(图3)。

图3 AHLs驱动的群体感应调节宿主肠道损伤的模型。在对氧磷酶2(PON2)的催化作用下，激活caspase3的表达，诱导肠道杯状细胞凋亡，抑制粘蛋白合成和分泌，最终破坏肠道黏液屏障。AHLs诱导肠上皮细胞钙离子超负荷、线粒体损伤、氧化还原失衡和凋亡，但抑制紧密连接蛋白和细胞外基质蛋白的表达，从而破坏肠上皮细胞屏障。

结论

综上所述，近几十年来，人们对微生物QSSM的认识有了很大的提高，并对微生物QSSM与哺乳动物宿主细胞的相互作用进行了深入的研究。在此基础上，我们总结了革兰氏阴性菌产生的信号分子AHL对宿主细胞的影响及其潜在机制。此外，我们还回顾了AHL与某些肠道疾病的关系，证实3-oxo-C12-HSL作为一种AHL在SARA、IUGR等代谢性疾病的发生发展中发挥关键作用，这可能有助于指导我们通过阻断QS信号来干预细菌感染。

尽管AHL影响哺乳动物细胞生理状态的相关研究进展迅速，但仍有许多问题有待解决。i)目前关于AHL-宿主相互作用的研究大多局限于体外细胞培养实验，迫切需要通过动物实验了解AHL是否能够通过协调微生物的行为和调节微生物网络或单个细菌来发挥有害的生物学效应。近期，我们以SPF和GF小鼠为动物模型，结合粪便微生物群移植(FMT)技术，发现3-oxo-C12-HSL通过扰乱肠道微生物群落引起肠道屏障损伤和全身性炎症反应，但具体机制有待进一步研究。ii)肠腔AHL的明确来源尚不清楚。科学界迫切需要通过精心设计实验，以及先进的技术(宏基因组学、代谢组学和培养组学)来追踪AHL的起源。iii)需要采用定性、定量、定位相结合的方法来分析AHL在肠腔和肠上皮细胞之间的运动轨迹，以便更好地研究AHL如何与肠上皮细胞接触并发挥其生物学效应。综上所述，了解人和动物中微生物QS和QSSMs的协同进化模式，以及从多渠道的角度科学制定预防和治疗QS依赖性的细菌性传染病的策略，还有很长的路要走。

原文链接：https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/19490976.2022.2039048 获取此篇微文原文pdf请扫描下方二维码联系微科盟多组学老师即可。 微文推荐阅读

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