真菌群體感應信號分子的研究進展

李 婷， 劉朝暉

作者單位：首都醫科大學附屬北京婦產醫院婦科，北京 100026。

早在1977年，Nealson對海洋細菌費氏弧菌（Vibrio fescheri）監控自身群體密度產生的自誘導生物發光現象進行報道[1]。而群體感應（quorum sensing，QS）是由Fuqua等[2]于1994年首次提出的一種密度依賴性微生物細胞間通訊機制，即通過分泌群體感應信號分子（quorum sensing molecules，QSM）或自誘導調節分子（autoinducer，AI）作為小擴散信號分子，與轉錄激活蛋白相互作用，將基因表達與細胞密度偶聯在一起。

QS現象在細菌細胞間通訊是十分常見并被廣泛認可的，主要包括4個步驟：① 細菌產生QSM；② QSM通過主動運輸或者被動運輸方式分泌到胞外；③ 當QSM水平達到一定閾值后，被特定受體所識別；④ 啟動相關基因的轉錄與表達[3]。QS現象不僅存在于原核生物 ，也存在于真核生物中。近年來，越來越多的研究表明真菌也存在類似于細菌的QS現象，以調節真菌菌相轉化、致病性、耐藥基因表達及生物膜的形成等行為[4]。真菌QSM的種類較多，包括脂類（氧化脂質）、肽（信息素）、醇（法尼醇、酪醇、色氨醇和1-苯乙醇）、乙醛，以及某些揮發性化合物，調節真菌多種關鍵功能，如致病性、形態發生及菌絲形成等[5]。在白念珠菌中發現QSM法尼醇是真核生物QS的一個重大突破。雖然真菌中QS現象的研究仍處于起步階段，但在一些真菌物種中已經記錄了類似細菌QS的種群密度行為[6-7]。最近研究表明，作為轉錄水平的全局調控系統，真菌QSM的生物學效應遠遠超出了作為自身細胞間通訊分子的作用，現在還發現它對其他種類真菌、細菌甚至哺乳類動物細胞（正常細胞或腫瘤細胞）也有作用。因此，QSM作為新的分子靶標在農業、醫藥和環保等領域已展示出誘人的應用前景。本文就國內外近年來對真菌QSM的研究進展進行綜 述。

1 白念珠菌QSM法尼醇

1.1 對白念珠菌的作用

白念株菌常以酵母相和菌絲相兩種形式存在，而這兩種形式的轉換存在一個密度臨界值，該效應與細菌QS調節其形態學的方式極為相似，其實就是白念珠菌的QS現象。在菌絲誘導條件下，當初始細胞密度接種量小于106/mL時，白念珠菌以菌絲相生長為主，而在菌體細胞密度較高時不易形成菌絲體，則以酵母相生長為主[8]。2001年，Hornby等[8]報道該原因是由于高密度菌體培養上清液存在一種物質抑制酵母相-菌絲相的轉換，經成分分析，分離出一種相對分子質量為222.37 kD的親脂分子，分子式C15H26O，首次分析證實該活性分子為法尼醇。 2002年，Ramage等[9]報道在培養基中加入法尼醇可以有效抑制白念珠菌生物膜的形成。目前已知，白念珠菌的 QSM主要有法尼醇、酪醇和法尼酸。

法尼醇是首個被發現的真核生物密度感應分子，它的發現是真核生物QS研究的一個重大突破。法尼醇是白念珠菌生物合成麥角固醇的中間產物，由焦磷酸法尼酯（farnesyl pyrophosphate，FPP）轉化而來，FPP是脂類代謝的重要分支點，也是特比萘芬、唑類、三唑類、兩性霉素B及制霉菌素等所有經典抗真菌藥物的上游（見圖1）[10]。它不僅可在高密度時控制過量細胞生長造成的營養競爭，也可對感染灶的播散和建立起關鍵的作用，因此認為其具有治療價值。法尼醇主要通過Ras1p-cAMP-PKA及MAPK等多種信號通路，上調過氧化氫酶編碼基因（CAT1）表達[11]，影響許多形態相關基因的表達，如上調TUP1、HOG1，下調CRK1和PDE2等基因，最終抑制白念珠菌酵母相向菌絲相的轉變[12]；法尼醇能夠影響白念珠菌菌絲形成，但不影響其細胞生長率[7]。法尼醇還抑制白念珠菌生物膜形成的不同階段，如侵襲黏附、菌絲形成、分泌細胞外基質[β-(1，3)-葡聚糖] 、生物膜成熟等[9]；促進胞體從生物膜表面分離游走，在營養充足的條件下再繼續附著、生長及分化，形成生物膜[13]。此外，它還能協同抗菌制劑增強對微生物的抗菌活性[14]。由于血清白蛋白的非特異性脂質結合能力，培養基中血清濃度會影響法尼醇抑制效應的濃度，且呈劑量依賴性，因此不同文獻報道的觀察結果不一致可歸因于實驗設計的差異[10]。法尼醇還能通過調控白念珠菌三磷酸腺苷結合體轉運子（adenosine triphosphate binding cassette，ABC）的藥物外排，與多種抗真菌藥物（如氟康唑、酮康唑、咪康唑及兩性霉素）協同誘導真菌凋亡[15]。

雖然目前學者們把法尼醇作為一種潛在的抗真菌制劑來進行研究，但最新研究表明，法尼醇對機體內白念珠菌的感染具有兩重性，即對黏膜真菌感染來說，法尼醇可能作為宿主保護性因子，但對體內系統性真菌感染來說，法尼醇則作為真菌的一種毒力因子[16]。Deveau等[17]發現，法尼醇通過抑制Ras1p-cAMP-PKA信號通路增強白念珠菌抗氧化應激反應能力。Hisajima 等[18]報道，法尼醇能夠抑制舌黏膜表面的真菌感染，且呈劑量依賴性，但不能阻止腎臟及肝臟等器官內的真菌感染。此外，Navarathna等[19]報道，法尼醇能夠下調保護性的Th1類免疫應答（IL -2 ，IFN γ及 TNF α下降），上調非保護性Th2 免疫應答（IL -4，IL -5升高）的表達。

圖1 真菌細胞膜形成及抗真菌藥物的作用靶點

1.2 對其他真菌及細菌的作用

白念珠菌自身分泌的法尼醇還能抑制其他能夠與之競爭生長的真菌，如近平滑念珠菌（Candida parapsilosis）、熱帶念珠菌（Candida tropicalis）、釀酒念珠菌（Saccharomyces cerevisiae）和煙曲霉（Aspergillus fumigatus）、構巢曲霉（Aspergillus nidulans）[20-23]。此外，法尼醇不僅對上述真菌有干預作用，還對細菌，如金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、表皮葡萄球菌（Staphylococcus epidermidis）及銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）也有一定的抑制作用[24-25]。法尼醇還能增強耐甲氧西林金黃色葡萄球菌對氨芐西林和苯唑西林的敏感性[26]。據報道，法尼醇能夠抑制游離態的表皮葡萄球菌及其生物膜，200 μmol/L法尼醇的抑制效果相當于萬古霉素達峰時的抑制效果[27]。因此認為，法尼醇可能作為抑制細菌生物膜形成及促進耐藥性逆轉的新型輔助藥物，具有巨大的潛在應用價值。

而法尼酸是法尼醇的一種氧化形式，其濃度高于法尼醇。它通過基因PHO81作用并抑制菌絲生長，法尼酸作用白念珠菌后，基因PHO81表達上調2倍從而抑制Ras相關MAPK及cAMP-PKA信號通路，基因PHO81突變細胞對法尼酸的抑制作用不敏感[28]，但法尼酸對真菌形態的抑制作用弱于法尼醇[29]。

1.3 對哺乳類動物細胞的作用

法尼醇對哺乳類動物細胞具有選擇性抑制甚至毒性作用，Yazlovitskaya等[30]報道法尼醇能誘導宮頸癌Hela細胞系的程序性細胞凋亡，而對正常成纖維CF-3細胞系無作用。近年來，法尼醇誘導部分癌細胞如肺癌[31]、前列腺癌[32]和結腸癌[33]細胞凋亡的研究成為抗腫瘤領域的一個熱點，從而為臨床治療腫瘤提供了新的思路和方法。此外，法尼醇還可能通過逆轉低密度脂蛋白/高密度脂蛋白、高密度脂蛋白/總膽固醇比值來調節脂質分布[34]，通過AMPK信號通路來抑制小鼠脂肪細胞和人脂肪組織間充質干細胞的脂肪生成，降低血清三酰甘油并改善脂類代謝異常，提示其今后可用于肥胖癥的治療[35]。

2 白念珠菌QSM酪醇

真菌QS系統中既然存在法尼醇負反饋信號因子也必然會存在與之抗衡的正反饋調節因子。酪醇是白念珠菌第二個被發現并報道的另一種QSM[36]。正反饋信號因子酪醇能促進白念珠菌從酵母相向菌絲相轉換，調控細胞周期、DNA復制和染色體分離[36]。有研究證實，法尼醇在調節菌相轉換方面的作用要優于酪醇，在法尼醇水平保持不變的情況下，添加酪醇也不能逆轉法尼醇對菌絲形成的抑制作用，說明酪醇可能只作為一種次要的QSM，只有當環境中法尼醇較低時才能發揮其負反饋信號作用[37-38]。目前我們已知的白念珠菌QSM均來源于糖酵解的代謝產物，說明真菌物質代謝途徑可能會對這些細胞間信號分子的形成產生重大影響[39]。

3 莢膜組織胞漿菌的QSM α-（1，3）-葡聚糖

除了白念珠菌外，真核生物還存在QS現象的另一種真菌是腐生真菌莢膜組織胞漿菌（Histoplasma capsulatum）[40]。莢膜組織胞漿菌為雙相真菌，在土壤中以菌絲相存在，但一旦被動物吸入，它就轉變成酵母相，隨后產生細胞壁多糖α-（1，3）-葡聚糖[41]。莢膜組織胞漿菌形成酵母相是致病的必要條件，而α-（1，3）-葡聚糖是莢膜酵母相的特征之一，其生物合成與毒力相關，并隨著其密度的增加而逐漸積累，即當接種密度高時，α-（1，3）-葡聚糖含量豐富，密度低時，大部分酵母細胞不再合成α-（1，3）-葡聚糖[40，42]。此外，有文獻報道，α-（1，3）-葡聚糖還參與吞噬溶酶體中的真菌保護作用，調節宿主巨噬細胞內的真菌增殖[40]，并與細胞內潛伏期密切相關[43]。

4 其他真菌QSM

除了上述真菌外，絲狀真菌產生的氧脂素（oxylipins）[44]、γ-丁內酯（γ-butyrolactone）[45]、釀酒酵母的苯基乙醇及色氨醇[46]、新型隱球菌的泛酸[47]也被陸續報道，這些物質的產生與菌體的形態轉化和次級代謝產物的產生都有關。

5 總結和展望

近年來抗真菌藥物研究雖然取得了較大進展，但也存在一定的局限性和問題。目前已有的抗真菌藥物種類缺乏，選擇范圍小，且存在不良反應；隨著臨床上抗真菌藥物的廣泛使用，真菌耐藥性日趨嚴重，且多藥耐藥不斷增加，給臨床真菌感染的治療造成了極大的困難，故開發新的藥物靶點迫在眉睫。QS概念的首次提出至今不過20年，但被視為近20年來微生物研究領域中最重大的進展之一。雖然對于真菌QS的研究仍處于初級階段，但真菌QSM在農業、生物技術和醫學等諸多領域展示了廣闊的應用前景。由于這些QSM的多樣性及其機制的復雜性，要將其用于實際臨床治療中仍有一段距離。因此對致病真菌的QS系統的深入研究，明確致病真菌的致病機制，有助于研究開發以真菌QS系統尤其是法尼醇為靶點的新型抗真菌藥物，為廣大真菌感染患者帶來福 音。