表皮葡萄球菌生物膜形成分子机制的研究进展

表皮葡萄球菌生物膜形成分子机制的研究进展

!"卷#期$%%"年&%月微生物学报!"#$%&"’()&(*(+&"$,&-&"$’()*!"+,-(./01(*#$%%"

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表皮葡萄球菌生物膜形成分子机制的研究进展

张青雷呈祥赵旭

（复旦大学生命科学学院微生物学系

上海

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关键词：表皮葡萄球菌，生物膜，,-$JKLF，M;CL，N,:O，OP.Q中图分类号：D2"

文献标识码：J

文章编号：%%%&65$%4（$%%"）%#6%53&6%#

细菌感染性疾病已成为了各临床科室关注的重要问题。其中条件致病感染菌具有耐药性，难以治疗，尤为棘手。表皮葡萄球菌（2&$#31/)-)--75"#,8"%’,8,5）是重要的条件致病菌。近来，随多种插管、透析技术、人工心瓣膜、人工关节和人工晶体等医疗材料的广泛应用，人口老年化及免疫低下人群的出现等，生物膜感染上升为医院细菌感染的前!位，并且感染后果日趋严重。表皮葡萄球菌作为存在于健康人皮肤表面的正常菌群并不致病，但可伴随“异物”（高分子材料如塑料等）进入人体，并通过粘附形成生物膜（L;(R;)9），入侵血循环而致败血症等。在生物膜中的细菌不仅耐抗生素还可耐抗体的杀菌作用，危害性严重。因此，近年来有关细菌生物膜的基础研究和临床研究受到人们极大的关注。本文对表皮葡萄球菌生物膜的特点、形成过程、形成生物膜所需相关因子及生物膜形成的基因调控机制作了综述。

7生物膜的特点

（&42$年）首先认识到表皮葡萄球菌生物膜形成与其在多聚物表面定植有关。后来，L:?P-(B和S/BB?

（T)?,(,:)?G）中形成生通过扫描电镜发现表皮葡萄球菌在导管表面定植，多层细菌嵌于多糖6蛋白复合物

［&，$］物膜。生物膜中水份含量可高达42U，除了水和细菌外，生物膜还可含有细菌分泌的大分子多聚

物、吸附的营养物质和代谢产物及细菌裂解产物等。因此，生物膜中存在各种主要的生物大分子如蛋白质、多糖、肽聚糖、脂和磷脂等物质。生物膜多细胞结构的形成是一个动态过程，包括细菌K1J、O1J、初始附着、生物膜发展和成熟等阶段，生物膜细菌在各阶段具有不同的生理生化特性。

8生物膜形成过程及相关因子

表皮葡萄球菌生物膜形成分为两个阶段：首先是由细菌表面疏水性蛋白或多糖粘附素对生物材料

介导，相互聚集，的初始附着，随后细菌主要通过多糖胞间粘附素（S()?P:,,@:0;V/;B-/0,/))I):0:V@/P;B，SNJ）形成生物膜。897

表皮葡萄球菌初始附着（!"./,"4,22,*-/%’2）

即细菌直接或与宿主体内的基质蛋白等因子作用间接附着在生物细菌初始附着（S0;9:0?:--:,@9/B-）

基金项目：国家自然科学基金（"%$2%%&3）

作者简介：张青（&4556），男，江苏淮阴人，博士，主要从事微生物遗传学及病毒分子生物学研究工作。7/)：356$&6

869:;)：<=43&>?:@((*,(95#5!$3%3；

收稿日期：$%%$6&&6&3，修回日期：$%%"6%#6$5

表皮葡萄球菌生物膜形成分子机制的研究进展

B?D微生物学报><卷

材料表面的过程。生物材料植入机体后，很快被各种吸附蛋白覆盖，形成一层蛋白吸附层，使进入机体的细菌附着在材料表面。通常这种附着没有特异性，随血流的冲击、机体的吞噬作用和抗生素的应用而被迫迁徙或被杀灭。但是若细菌配体一旦遇到能与之结合的生物材料或吸附在材料表面上蛋白层中的受体上，则牢固地粘附在生物材料表面，完成粘附过程中受体与配体的结合。表皮葡萄球菌初始附着阶段，需要很多因子参与，如表皮葡萄球菌荚膜多糖粘附素（!"#$%&"’#(&)$"**+"’,-."-+.$,/，、自溶0123）素34&5（3%4(&)$,/34&5）、纤维蛋白原结合蛋白（6,7’,/(8./7,/-,/8#’(4.,/，67.）和葡萄球菌表面蛋白（14"#+)9

［<］

等。其中!"#$基因编码;<<=个氨基酸的34&5蛋白，分子量约为;>?@A，%"#$&(**"&$%’:"*.#’(4.,/，1$#;）

表达于细胞表面，包含BC@A和=D@A两个结构域，分别具有酰胺酶（3E,-"$.）和氨基葡糖苷酶（F&%*($"E,/9功能，编码纤维原结合蛋白，分BC@A蛋白在粘附过程中可能具有重要作用。另一重要基因为&’(，,-"$.）

［<］

子量约为;;G@A，为纤维蛋白原配体。我们最近研究的初步结果表明，从临床感染病人中分离的表皮

葡萄球菌，正常人群中分离的表皮葡萄球菌&’(基因分布研究正在进行中。如正&’(基因检出率达?=H，则提示&’(基因可能与表皮葡萄球菌致病性相关。常人群中分离的表皮葡萄球菌&’(基因检出率较低，

需要用!"(5、34&5、67.蛋白在细菌初始附着过程中的确切功能，&’(基因剔除及基因敲入实验加以证实。

细菌粘附于材料表面可免于被流体带到不利于其生长的环境。在细菌初始粘附阶段，由于缺乏成熟的生物膜结构保护，细菌的抗性不强，因此，抗菌药物的疗效相对较好。如细菌在生物材料表面聚

［>］集形成生物膜，则可逃避机体吞噬细胞和大剂量抗生素的杀灭。

材料表面吸附的血浆蛋白（主要是纤维蛋白原、球蛋白、纤维结合蛋白和白蛋白）影响表皮葡萄球菌在材料表面吸附，这些蛋白也是决定生物膜成份的重要因素。若吸附的是纤维蛋白原和纤维连结蛋白，则有利于细菌粘附及与血小板形成复合体，导致在材料表面形成含细菌的血栓。吸附白蛋白时，就极少与血小板形成复合体，不利于细菌粘附。!"!

生物膜形成的聚集阶段（#$%&$’()**+(+’),$%-）

细菌在生物材料表面初始附着后，细胞增殖、细胞间相互粘附形成多层的细胞团块，外层有粘液包被，形成生物膜的过程即为聚集（I,(:,&E"**%E%&"4,(/）。细菌粘附到表面后，即调整其基因表达，在生长。501可粘结单个细菌而形成细菌团块，即微菌繁殖的同时分泌大量胞外多糖（5J(#(&)$"**+’,-.，501）

［=，B］落（K,*’(*(&(/)）。大量微菌落使生物膜加厚，因此501分子的产生对生物膜结构的发展十分重要。

在表皮葡萄球菌聚集阶段，除观察到501合成的增加外，也经常观察到细菌对抗生素抗性的提高。成熟的生物膜形成高度有组织的结构，它是由微菌落组成的，在这些微菌落之间围绕着输水通道，可以运

［L］送养料、酶、代谢产物和排出废物等。当细菌在增殖时可因菌种、营养、附着的表面和环境条件不同，

形成疏松或致密以及厚薄不等的生物膜结构。成熟的生物膜在内在的调节机制或在外部冲刷力等作用下可部分脱落，脱落的细菌又转变成浮游生长状态，可再粘附到合适的表面形成新的生物膜。生物膜的形成是一个动态过程，结构上存在不均质性，不均质性是细菌生物膜的另一个重要特性，也与细菌的抗性有关。

在聚集阶段，表皮葡萄球菌相互连接，形成生物膜。需要多糖胞间粘附素（0(&)$"**+"’,-.,/4.’*.&&%&"’

［<］

、血凝素（N.E"88&%4,/,/）和聚集相关蛋白（3**%E%&"4,(/"$$(*,"4.-#’(4.,/，330）等因子参与。"-+.$,/，0M3）

其中0M3是生物膜形成必需的。通过O9$.#+"’($.柱层析可将0M3分为两个组份，0M3!和0M3"。0M3!

主要由#（（P?CH），其中;=HQDCHA9葡糖胺残基是非乙9;9B）9D9脱氧9D9氨基9A9吡喃葡萄糖残基组成但A9葡糖胺残基乙酰化程度较高，另外含有磷酸及琥珀酸，酰化的，带正电荷；0M3"结构与0M3!相关，

［<，?，G］带负电荷（RDCH）。

.

."/

生物膜形成的基因调控

!"#01#2基因座位控制340形成

通过转座子插入失活分析发现)*!3AI!基因座位（M/4.’*.&&%&"’"-+.$,(/(#.’(/，)*!）控制0M3形成。

表皮葡萄球菌生物膜形成分子机制的研究进展

/期张青等：表皮葡萄球菌生物膜形成分子机制的研究进展M1.

!"#!"#$组成一个操纵子，!"#!"#$转录为一个多顺反子%&’!，!"#!、!"#"、!"##、!"#$分别编码()*!、()*"、()*#、()*$蛋白。()*!为+,-个氨基酸组成的跨膜蛋白，()*$为.//个氨基酸组成的疏水膜蛋白，可能为分泌蛋白。$%#&’()*"*""+,"#-.*,+,体外2(!合成实验表明，()*#为-01个氨基酸组成，()*!单独呈可使酶活性大大提高，可合成最大链长达-4个现低的’3乙酰葡糖胺转移酶活性，!"#!和!"#"共表达，残基的寡聚物。只有当!"#!、合成的多聚物才能与2(!特异性抗血清反应，还不!"#"和!"#$协同表达，清楚该多聚物是否为全长2(!链还是2(!合成的中间体。此.个基因中任何一个发生突变，生物膜都不能形成。()*#似乎不直接参与2(!合成，因为在$5"#-.*,+,中，重组!"#!"$就能使细胞聚集，说明只此

［］

.个基因就可以合成有功能的2(!分子.。

!"#$%&’阻遏!"#()*+基因表达

生物信息学分析显示其可能为转录调节因子%/%&家族成员之!"#&基因位于!"#!"#$操纵子上游，

一，转录方向与!"#!"#$相反。$67867等（-44-年）研究能形成生物膜的野生型表皮葡萄球菌$9:+,+01及其/-0#基因插入突变株($!&,、（;)*&!<%=），发现!"#&启动子基因转录在野生型及突($!&-、($!&.变株相差无几。突变株/-0#基因插入!"#&，不影响!"#&从启动子转录，表明()*&蛋白不参与自身转录互补实验也证明!"#&基因编码调节。但!"#&基因插入突变使!"#!"#$操纵子转录增加/>1倍以上，

调节!"#!"#$转录。进一步研究表明()*&需与其它因子协同才能完全阻遏!"#!"#$操纵子阻遏蛋白，

［］

!"#!"#$转录,4。

!"!,-.*激活!"#()*+基因表达

B4

（9;?%*@*)A6=）共存于一个细胞中，进化上与大肠杆菌!相关的转录因子在原核细胞中，几个!因子

可分为两组。第一组是基本!因子（2=;%*=C!@*)A6=），激活持家基因（D6EFGHGGI;7??G7G）表达，持家基因表达产物是对数期细胞生长所必需的；第二组是可替换!因子（!8AG=7*AG!@*)A6=），其水平及活性，随环境压（$6=G&’!I68C%G=*FG，&’!2）与特殊!因子结合起动具有保守序列模式的力而调节。核心&’!聚合酶

［,,］#

是在原核中被报道的第一个可替换!因子。一系列特殊启动子的转录，枯草杆菌的!

#［,-，

最近研究发现表皮葡萄球菌生物膜形成需要9;?#因子（9;?%*@*)A6=#，9;?#6=!）,.］。,!1#操纵

!

（$%#&’()*"*""+,#+-/+,）中!、子由-,2J3-,2K3-,2L3,!1#基因簇组成。金黄色葡萄球菌9;?#已被鉴定，9;?#

为.0H""’!结合蛋白，能调节9;?#依赖的启动子，如,#-座位,#-$启动子、碱休克蛋白!FI-.启动子转

［,+，,/］

录及涉及’!"D产生和膜运输机制等蛋白编码基因的转录。,!1#突变株中!"#!"#$不能表达，导

致生物膜不能形成，将带,!1#基因的质粒电转化,!1#突变株，又可形成生物!"#!"#$基因正常表达，膜。进一步研究表明9;?#调节!"#!"#$基因表达需要其它因子介导，因为序列分析显示!"#!"#$启动子上游不存在9;?#结合保守序列，另外9;?#正常表达、!"#!"#$基因也未突变菌中其它未知基因突变同如若介导因子不存在，样导致生物膜不能形成，说明即使9;?#正常表达，9;?#同样不能调节!"#!"#$基

［,M，,B］因表达。9;?#对!"#!"#$基因表达调节机制目前还不清楚。

!"/’012通过,-.*调节生物膜形成

由+个N&:F表皮葡萄球菌,!1#操纵子序列与金黄色葡萄球菌及枯草杆菌,!1#操纵子同源性很高，

（N&:-ON&:/）组成，排列为-,2J3-,2K3-,2L3,!1#。P76Q86)R等（-44,年）利用转座子S70,B插入表皮葡萄获得两突变株T,/和T,0，序列分析表明两突变株皆为-,2J插入突变，球菌,+/B染色体，S70,B插入位点位于-,2J翻译起始密码子（USU）下游,0QI处。S70,B插入-,2J导致2(!不能合成及不能形成生物

［,1］膜。&FQJ（&G?E8*A6=6@F;?%*3#，为9;?#因子的正调节因子，其通过9;?#调节生物膜形成的模式&FQJ）

（图,）。&FQL与9;?#结合阻断了9;?#与核心&’!聚合酶（&’!2）结合，不能启动转录；如果&FQL与则9;?#便处于自由状态，即可与&’!2结合，启动转录。&FQL与9;?#结合受能量水&FQK形成复合体，

平及环境因子改变调节。&FQL同时具有的激酶活性，能使&FQK转变为无活性的&FQK2形式，&FQK2不能与&FQL形成复合体。低水平!S2（如营养耗尽、饥饿）能限制&FQL激酶活性，促进&FQK与&FQL结合，激活9;?#。在高水平!S2情况下环境压力（如’*$8高渗）启动另一条受&FQJ调节的途径激活

表皮葡萄球菌生物膜形成分子机制的研究进展

卷

促进%&’)与%&’,形成复!"#$。%&’(为%&’)专一性磷酸酯酶，%&’(能降解%&’)*+为%&’)活性形式，

［，］

合体，则释放!"#$，!"#$即可与%-.+结合启动转录/012。

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生物学报

（双月刊，!&%)年创刊）

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