黃禹錫事件回顧

編輯：wakenstep

普林斯頓大學Howard Hughes Medical Institute的科學家Bonnie Bassler最新研究證實，不同物種的細菌能進行對話並能藉此干擾彼此的行為。

細菌透過數量感應(quorum sensing, QS)機制得知周圍同類細胞的多寡並調控基因表達。細菌若干基因的表現例如生物發光(bioluminescence)、毒性因子(virulence factor)的散播等，需要大量細菌同時進行才有效率，這些基因的表現就由QS來調節。例如會發光的海洋弧菌V. harveyi，只有在細菌數量夠多、細胞密度(cell density)夠高的情況下，QS機制啟動發光基因luxCDABE (負責製造蟲螢光素luciferase)，它才能有效的發光。

用來調節QS機制的化學分子稱為自體誘導物(autoinducers)。V. harveyi製造的兩種自體誘導物AI-1、AI-2，在高細胞密度下，分別被LuxN、LuxPQ兩種感測器所偵測，經過一連串去磷酸化作用讓LexO無法行使repressor的功能，並且讓轉錄活化子(transcriptional activator) LuxR活化luxCDABE基因的表現。已知的自體誘導物大多用於同種細菌間的溝通，但AI-2已被發現普遍存在於超過五十種細菌，因此Bassler等人猜測不同物種的細菌可透過AI-2互相溝通。

對大腸桿菌(E. coli)而言，AI-2可活化它的lsr操縱子(operon)，生產AI-2的運輸酶，將環境中的AI-2大量送往自己的細胞內，而其目的可能是為了終止AI-2訊號，或是藉此操縱環境中其他細菌的行為。在最近的實驗中，博士後研究員Karina Xavier將大腸桿菌跟V. harveyi混在一起，發現由於大腸桿菌消耗掉環境中的AI-2，導致V. harveyi低估了周圍同類細胞的數量，發出的光僅剩原來的18%。無論是大腸桿菌或V. harveyi釋放的AI-2，都能啟動大腸桿菌的lsr操縱子或是V. harveyi的發光機制，因此AI-2可說是雙方皆能理解的語言。

現實世界中V. harveyi跟大腸桿菌所處的環境不同，但霍亂弧菌(V. cholerae)感染人類的時候則必須和大腸桿菌共存。霍亂弧菌透過QS機制活化一個蛋白質水解(protease)基因hapA，把自己從人的腸道移除以便感染下一個人。Bassler的實驗結果顯示此hapA基因的表現也由於大腸桿菌消耗AI-2而受到抑制，只是其受影響程度不如上述V. harveyi發光的例子。他們認為hapA基因可能同時受到其他因子的調控，以致於AI-2的影響較不明顯。

有趣的是大腸桿菌和V. harveyi能感測的AI-2實際上是不同的形式。在V. harveyi發現的AI-2為 (2S,4S)-2-methyl-2,3,3,4-tetrahydroxytetrahydrofuran borate (S-THMF-borate)，是極罕見的生物分子中含硼的例子，而腸內細菌的AI-2不含硼，已知的例子為在鼠傷寒沙門氏菌(S. typhimurium)中發現的AI-2，(2R,4S)-2-methyl-2,3,3,4-tetrahydroxytetrahydrofuran (R-THMF)。這些不同形式的AI-2都是4,5-dihydroxy-2,3-pentanedione (DPD)的衍生物，可互相轉換；甲細菌產生的AI-2在乙細菌能接收之前，必須轉換成乙能理解的形式。

這種不同細菌間互相溝通和干擾的機制，很可能關係到共生系統的平衡或是細菌和宿主間的互動，也可能成為人類疾病防禦必須注意的一個環節。

References：
“Interference with AI-2-mediated bacterial cell-cell communication,”
Karina B. Xavier, Bonnie L. Bassler, Nature 437, 750-753, 2005

“Vibrio harveyi quorum sensing: a coincidence detector for two autoinducers controls gene expression,”
Kenny C. Mok, Ned S. Wingreen and Bonnie L. Bassler, The EMBO Journal, 22, 870-881, 2003

“Structure Identification of a Bacterial Quorum-Sensing Signal Containing Boron,”
Chen et al, Nature 415, 545-549, 2002

“Salmonella typhimurium Recognizes a Chemically Distinct Form of the Bacterial Quorum-Sensing Signal AI-2,”
Miller et al, Mol. Cell 15, 677-687, 2004

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