Quorum Sensing Involvement in T4Bacteriophage Infection

【摘要】长期以来,人们一直认为由于细菌以单细胞形式存在,彼此之间没有信息交流和协作分工。近年的大量研究表明,为了适应复杂多变的外界环境,细菌也可以通过细胞内或细胞间的信息交流来协调群体的行为,使其能够与多细胞一样,行使单个细胞无法完成的功能。群体感应(QuorumSensing,QS)是微生物间通过分泌、释放一些特定的信号分子,并感知其浓度变化,当浓度达到一定阀值时,便能启动或是抑制一系列基因的表达,以此来监测菌群密度、调控菌群生理功能,从而适应周围环境的一种信号交流机制。群体感应首先在海洋细菌费氏弧菌[Vibriofischeri)中发现,现在被证实存在于众多的微生物群体中。群体感应不仅与致病菌的毒力因子合成、生物膜形成有关,而且与生物发光、芽孢形成、运动性、抗生素的生成等多种细菌群体行为相关。很多细菌群体行为都与人类生活关系密切。因此,群体感应的研究在医疗、环境、农业、食品、发酵等领域受到广泛关注。目前,在铜绿假单胞菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌及费氏弧菌等许多细菌中都发现了群体感应系统,而弧菌及假单胞菌的群体感应现象研究的最为清楚。已报道的细菌群体感应系统有三种类型：第一类是以酰基高丝氨酸内酯AHL(Al-1)作为信号分子的革兰氏阴性菌群体感应系统；第二类是以寡肽类分子作为信号分子的革兰氏阳性细菌的群体感应系统；第三类是以DPD类衍生物(AI-2)为信号分子的细菌群体感应系统,这类信号分子在革兰氏阳性和阴性菌种均存在,可用于进行不同细菌种群间的信息交流。大肠杆菌、T4噬菌体作为模式生物,广泛应用于分子生物学等研究领域。研究发现,在大肠杆菌中存在着两套群体感应信号系统：以AI-1为信号分子的群体感应系统一,以及以AI-2为信号分子的群体感应系统二。大肠杆菌利用这两套系统对种群的群体行为进行调控。在所有已知的烈性噬菌体的生活周期中,噬菌体都是通过控制宿主的代谢系统来实现对宿主的“接管”,并利用宿主细胞中的核糖体、蛋白质合成时所需的各种因子等来实现其自身的生长和增值。细胞内成熟子代噬菌体颗粒的释放引发了宿主细胞的破裂死亡,从而间接控制了其宿主细菌的种群密度。群体感应是细菌间信息交流的重要方式并控制着细菌的种群密度；噬菌体也是控制细菌种群规模的重要生物因子,它们二者均依赖于细菌的种群密度,在这一点上它们天然存在一定的相关性。为了探索群体感应与噬菌体感染存在的相互关系及揭示两者相互作用机制,本研究以T4噬菌体及其宿主大肠杆菌BL21为研究材料,分析了影响细菌种群密度的生理生化因子(包括温度、pH、不同的培养基类型)、宿主不同生长时期以及人为加入的已知信号分子(AHL、Indole)对噬菌体感染裂解活性的影响。培养温度对T4噬菌体裂解活性的影响实验：分别选用4℃、15℃、25℃、30℃、37℃、41℃、45℃、55℃、70℃这几个温度梯度。实验表明：当培养温度为4℃时,大肠杆菌生长极为缓慢,噬菌体无裂解现象；当外界培养温度为15℃、25℃、30℃时,相同的培养时间内,大肠杆菌种群密度随温度的升高,呈现逐步增长的趋势,并均伴随有噬菌体感染裂解情况的发生,且感染裂解活性随温度的升高而增强。当温度为37℃时,相同时间内大肠杆菌种群密度的增长达到最大,此时,噬菌体裂解活性最强。随着温度的进一步的升高,大肠杆菌种群密度增长变慢,噬菌体裂解活性也随着下降,41℃为T4噬菌体发生裂解的最高温度,当培养培养温度超过41℃时,平板内无T4噬菌体裂解现象的发生不同营养成分的培养基对噬菌体裂解活性影响实验：实验表明,大肠杆菌种群密度的增长与培养基中的营养丰富程度有直接的关系,营养成分越丰富,一定时间内细菌种群密度的增长越快。本研究共选用了营养丰富程度高低依次排列的四种不同类型的培养基：LB+葡萄糖培养基(LBG)、LB培养基(LB)、营养培养基(NM)、基础培养基(MM),通过选用这四种不同的培养基分别对噬菌体的感染裂解活性进行测试。37℃培养时,LB+葡萄糖培养基细菌种群密度最高,T4噬菌体裂解活性也最高,而选用基础培养基(MM)时,细菌种群密度最低,噬菌体裂解活性也最低。说明了T4噬菌体的感染裂解活性与大肠杆菌种群密度呈正相关。pH对T4噬菌体感染裂解活性影响实验：实验表明,大肠杆菌适应力强,能在一个较为广谱的pH范围内生长繁殖并维持一个相对稳定的种群密度。本研究选用的pH范围为4-10,通过观察平板上是否出现噬菌斑来判断T4噬菌体的裂解。结果表明,在pH为4-10时,噬菌体均可裂解,无显著差异。宿主不同生长时期对噬菌体感染裂解活性影响实验：实验表明,当细菌培养至对数生长中后期时,其分泌并积累在细胞外的信号分子浓度达到最大,极易突破阀值从而通过主动／被动运输方式进入细胞,继而引发一系列的细菌群体行为。在这一过程中,随着信号分子进入细胞内与受体结合,胞外的信号分子浓度逐渐降低。本研究分别取培养至对数期、稳定期、衰亡期这三个不同生长阶段的大肠杆菌,在相同条件下对其进行裂解实验。37℃培养大肠杆菌处于对数生长期时,T4噬菌体的感染裂解活性最高,而当大肠杆菌处于稳定期或死亡期时,T4噬菌体的裂解活性较对数生长期有所降低。细菌信号分子(AHL、Indole)对噬菌体感染裂解活性影响实验：大肠杆菌具有不完整的以A工-1为信号分子的群体感应系统一,以及完整的以A工-2为信号分子的群体感应系统二。不完整的群体感应系统一是指大肠杆菌中仅有能够与其他细菌的AI-1信号分子结合的受体。本研究通过人为加入信号分子来探讨信号分子对噬菌体感染裂解活性的影响。通过实验表明,一定浓度的AHL类信号分子对T4噬菌体的裂解具有显著的促进作用,能提高感染率一倍左右,并使单个噬菌斑直径增大近一倍；而吲哚的作用则正相反,它显著抑制了噬菌体的裂解活性,使噬菌体感染率下降了50%。新群体感应信号分子的分离鉴定实验：本研究采用浓缩(5K蛋白浓缩管)、透析(100Da)、蛋白纯化(AKTA)、分离纯化(HPLC)及物质结构的分析(TOF-MASS)等实验技术对T4噬菌体裂解液进行了分离和鉴定工作,最终分离得到了两组具有活性的组分(W1/W2)。通过相关实验表明,两组成分均能促进T4噬菌体的裂解。进一步的研究表明两个组分对低温(-20℃、液氮)、有机溶剂(氯仿)不敏感,对高温(煮沸)敏感性较高。然而,由于样品的复杂性,至今未能将它们彻底分离纯化和进行鉴定。通过研究,首次证明T4噬菌体的感染裂解活性对影响大肠杆菌种群密度的生理生化因子(温度、pH、不同的培养基类型)及宿主不同的生长时期具有高度的依赖性；不同类型的信号分子对噬菌体的感染裂解活性有着不同的影响,且T4噬菌体裂解中存在能提高其裂解活性的信号分子。本研究初步证实了大肠杆菌群体感应系统与T4噬菌体的感染存在的相互关系这一现象,这为揭示噬菌体与宿主相互作用深层机制提供了新的视角。
【作者】TAJMUHAMMADKAMRAN（太极）；
【导师】魏云林；
【作者基本信息】昆明理工大学，环境生物学，2014，博士
【关键词】群体感应；大肠杆菌；T4噬菌体；信号分子；

【参考文献】
[1]徐鹏.基于覆盖率和数据传输链的LEACH协议研究[D].华侨大学,计算机技术（专业学位）,2014,硕士.
[2]张春红.公民人身自由的法律保障[D].华中师范大学,法律,2013,硕士.
[3]徐茜.基于石墨烯/酚醛树脂复合材料的制备及导电性能的研究[D].华南理工大学,2014.
[4]王震.中产阶级与新社会运动[D].南京大学,社会工作（专业学位）,2013,硕士.
[5]陈波.早期结外鼻型NK/T细胞淋巴瘤治疗失败的模式与预后模型[D].北京协和医学院,肿瘤学（专业学位）,2014,博士.
[6]刘韵怡.村庄拆迁和村庄政治的“拆迁”[D].华中师范大学,政治学理论,2013,硕士.
[7]孙榕潞.江南少女独有的心灵成长[D].南京大学,戏剧（专业学位）,2013,硕士.
[8]余恺,李元实,王智,鲍明,蔡盛盛.基于压缩感知的新型声信号采集方法[J].仪器仪表学报,2012,01:105-112.
[9]朱晓琳.论《大雷雨》中卡捷琳娜悲剧的必然性[D].山东师范大学,俄语语言文学,2013,硕士.
[10]高翔,周健,周红,张激.IEC61850标准在南桥变电站监控系统中应用[J].电力系统自动化,2006,16:105-107.
[11]马祥云.高职高专非英语专业学生听力元认知意识和听力水平的相关性研究[D].重庆大学,外国语言学及应用语言学,2014,硕士.
[12]祖玉明,高和,吴国军.板坯连铸机扇形段主要参数的确定[J].一重技术.1998(03)
[13]熊宁,程浩忠,马则良,朱忠烈,姚良忠,张建平,傅业盛.基于负荷裕度最大化的发电出力优化(二)模型求解[J].电力系统自动化,2009,20:43-46+115.
[14]王霞,杨炳儒.Web搜索结果挖掘的研究与应用[J].计算机工程与应用,2003,14:187-189+207.
[15]杨杰.转向泵滑阀测试系统的设计与研究[D].大连海事大学,船舶与海洋工程,2013,硕士.
[16]孔滨,廖琦.聚乙烯熔融结晶和表面诱导结晶的分子模拟[A].中国化学会高分子学科委员会、中国化学会计算机化学专业委员会.中国化学会2014年大分子体系理论、模拟与计算研讨会论文集[C].中国化学会高分子学科委员会、中国化学会计算机化学专业委员会:,2014:2.
[17]金义亭.海洋环境多物理参数传感检测技术研究[D].杭州电子科技大学,电路与系统,2011,硕士.
[18]丁媛媛.关于农民市民化是我国扩大内需的重要途径的分析[D].首都师范大学,马克思主义基本原理,2013,硕士.
[19]周全,汪岳峰,魏大鹏.基于蓝宝石基底转移石墨烯的中波红外透过光谱分析[J].红外技术,2014,09:695-699.
[20]甄凤远.基于区域的SAR分割算法及其在SAR图像分类中的应用[D].北京交通大学,2014.
[21]冉隆奎.电磁带隙材料及其在微波滤波器中的应用研究[D].华东师范大学,无线电物理,2004,硕士.
[22]邓海峰.湖南新田县双方言语音比较研究[D].湖南师范大学,汉语言文字学,2004,硕士.
[23]杜磊,杜星,宋擒豹.一种k-NN分类器k值自动选取方法[J].控制与决策,2013,07:1073-1077+1082.
[24]张晓霞.农用地整理潜力研究[D].长安大学,土地资源管理,2014,硕士.
[25]孙明轩,许利达,邬玲伟.离散时间系统重复控制的理想误差动态方法[J].控制与决策,2013,12:1771-1778.
[26]吕连姝.小学语文教学培养学生创造力的策略探讨[J].科技创新导报,2015,07:152+154.
[27]刘素平.基于智能策略的网络自管理模型及应用研究[D].东华大学,2008.
[28]何静娴.石墨烯/铜系功能复合材料的控制合成及性能探究[D].西北师范大学,无机化学,2013,硕士.
[29]刘长令,李继德.农药品种及其原料和中间体开发现状与发展趋势(二)[J].精细与专用化学品.2001(11)
[30]张伶.“风乎舞雩，咏而归”[D].海南大学,中国哲学,2014,硕士.
[31]马文超.公元3至5世纪初高句丽的民族融合[D].东北师范大学,专门史,2012,硕士.
[32]熊馨.基于室内外耦合解析的室内自然通风研究[D].华中科技大学,建筑学,2013,硕士.
[33]李建雄,李明杰,赵秀岐,刘春芳.断陷湖盆层序地层学解释与隐蔽油气藏勘探[J].石油地球物理勘探,2004,05:607-613+499-628.
[34]王娜.南海及福建近岸水体中群落与细菌呼吸的研究[D].厦门大学,环境科学,2014,硕士.
[35]龚广义.有关单形的一些概念和结论[D].苏州大学,基础数学,2012,硕士.
[36]郭贝.形成性评价在大学英语写作教学中的应用研究[D].华中师范大学,外国语言学及应用语言学,2013,硕士.
[37]林雪渊.资产证券化设计与定价研究[D].上海交通大学,工商管理,2013,硕士.
[38]白杨.基于IS09000标准构建高校教学质量管理体系[D].兰州理工大学,工商管理,2013,硕士.
[39]远征.汉语颜色词研究[D].上海师范大学,语言学及应用语言学,2004,硕士.
[40]陈馨.俄罗斯外交中的民族心智[D].西安外国语大学,俄语语言文学,2013,硕士.
[41]俞玉萍.含RGD序列多肽靶向结合整合素αvβ_3的分子基础研究[D].浙江大学,物理化学,2014,硕士.
[42]皮思.某煤炭企业呆滞物资库存优化研究[D].北京交通大学,2014.
[43]崔志峰,王燕华,马宁,汪琨,汪倩雯,朱延恒.黄连醇提物对真菌几丁质合酶的抑制作用[J].浙江工业大学学报,2014,01:16-19+26.
[44]黄静丽.旅游合同违约之精神损害赔偿问题研究[D].西南政法大学,民商法学,2012,硕士.
[45]戴晓晖,李敏强,寇纪淞.遗传算法理论研究综述[J].控制与决策,2000,03:263-268+273.
[46]王亮.蒽类光敏染料的合成及在太阳能电池中的应用与研究[D].郑州大学,有机化学,2013,硕士.
[47]刘云鹏.循环流化床锅炉温度场检测系统[D].大连海事大学,电力电子与电力传动,2004,硕士.
[48]张丽云.中亚热带典型针阔混交林生长竞争与直径结构的关系[D].中南林业科技大学,生态学,2013,硕士.
[49]邹宏.非传统安全与中国应对策略思考[D].河南大学,马克思主义理论与思想政治教育,2004,硕士.
[50]胡勇.招商银行竞争力研究[D].重庆大学,工商管理,2003,硕士.