微生物自溶现象研究概要微生物自溶现象被认为是在微生物自身水解酶类的作用下细胞的消解过程，并伴随着胞内物质的释放，一般可分为诱导自溶与自然自溶。采用各种物理、化学或生物学方法处理，可引起微生物在任何发育阶段产生自溶，称之为诱导自溶。
基本概念
自溶素是细菌自身产生的可降解
细菌细胞壁的
蛋白水解酶，与细菌细胞分裂、
生物膜形成、表面黏附、遗传
感受态和细胞壁更新有关。自溶素的活性受到严格调控。
形成机制
当培养液中的
感受态因子积累到一定浓度后，与
细胞表面受体相互作用，通过一系列信号传递系统诱导一些
感受态一特异
蛋白质(competence specific protein)表达，其中一种是自溶素(autolysin)，它的表达使
细胞表面的
DNA结合蛋白及
核酸酶裸露出来，使其具有与DNA结合的活性。
细菌自身产生的可以降解细菌细胞壁的蛋白水解酶称为自溶素（autolysin）。肽聚糖是细菌细胞壁的重要组分之一，自溶素主要指肽聚糖水解酶。
根据酶作用于肽聚糖不同位点的化学键， 自溶素分为 N- 乙酰葡萄糖胺酶、N- 乙酰胞壁酸酶、N- 乙酰胞壁酰- 丙氨酸- 酰胺酶、肽酶和糖基转移酶等。自溶素与细胞壁更新改建、细胞分裂、细胞黏附、生物膜形成、基因感受态等一系列代谢活动密切相关，对细菌生存和致病毒力至关重要。自溶素活性受到严格调控，既保证细菌细胞壁适度降解满足其生存和攻击宿主的要求，又防止自溶素过度降解细胞壁造成细菌自溶。近年来，越来越多的水解酶类在
革兰阳性细菌中得到证实， 如
枯草杆菌（Bacillussubtilis）、
乳酸乳球菌（Lactococcuslactis）、单核细胞增多性李斯特菌（Listeriamonocytogenes）、
金黄色葡萄球菌（Staphylococcusaureus）、
粪肠球菌（Enterococcusfaecalis）和
肺炎链球菌（Streptococcuspneumoniae）等。自溶素和细菌致病毒力的关系日益受到人们的关注。
细菌自溶素参与的细菌生理活动
参与细菌生长发育
枯草芽孢杆菌的自溶素 (LytC、LytD、LytE、LytF、YwbG等)参与细菌生长和发育中各种生理活动。自溶素(LytC、LytD、LytE、LytF、YwbG)参与细胞的分裂, 通过降解分裂隔膜的肽聚糖, 而使子代细胞分离开来;自溶素(LytC、LytD)在细胞延伸过程中发挥重要作用,通过水解旧的肽聚糖而使新的肽聚糖得以延伸;LytC、LytD、LytF与调节基因sigD和sinR共同调节鞭毛的运动性和趋化性。
参与孢子形成过程
孢子形成过程中可分为六个阶段: 细胞延伸、不对称隔膜分裂、前孢子的吞噬、前孢子外两个肽聚糖层组装、外膜的形成和皮质的成熟, 母细胞的裂解。 自溶素参与孢子形成过程中的四个阶段:不对称隔膜分裂、前孢子 的吞噬、外膜的形成和皮质的成熟、母细胞的裂解。 如:枯草芽孢杆菌自溶素SpoIP、SpoID和蛋白SpoIBSpoIM共同参与前孢子的吞噬作用。自溶素SpoID、SpoIP和蛋白SpoIM组成一个蛋白复合物(SpoID-SpoIP-SpoIM),复合物中蛋白质之间相互作用而紧密联结,SpoIM借助于蛋白SpoIB而结合在中间隔膜, 从而使自溶素准确定位在中间隔膜并发挥肽聚糖水解活性, 降解中间隔膜的肽聚糖层。
生物膜形成
自然状态下大多数细菌可形成复杂的细菌群落结构-生物膜 , 并黏附在固体表面。 生物膜对致病菌非常重要, 细菌通过生物膜可黏附在宿主表皮和移植的生物仪器上, 表现出对抗生素的抗性, 是药物治疗的一个难点。 研究报道指出细菌自溶素参与生物膜形成 , 通过其肽聚糖水解活性, 改变细胞表面电荷或暴露一些细胞吸附因子, 进而参与生物膜形成 。另外
表皮葡萄球菌在自溶素AtlE介导下裂解后,释放出细胞外DNA,其在表皮葡萄球菌生物膜形成中发挥关键作用, 使表皮葡萄球菌表现出毒性。
此外细菌自溶素还参与不对称隔膜的消化、皮质的成熟、发芽、休眠细胞的复苏、捕食性细菌的裂解、遗传转化中的自 溶和肽聚糖层扩增等其他重要的生理活动。
自溶素调控网络
自溶素可降解细胞壁, 因此应高度严格的控制其表达水平及活性, 避免对
宿主细胞的不正常的裂解。 正常细菌的自溶素表达水平很低, 到特定生长阶段 (孢子形成、细胞分裂等)或受到抗生素和其他因素影响时, 自溶素才会提高其表达水平。 细菌对其调节是多水平的, 从转录水平到转录后水平 。 另外自溶素发挥作用是一个复杂的
调控网络 , 形成一个级联的通路, 使得自溶素在特定的时间点才表现出活性。
研究发现, 金黄色葡萄球菌内存在复杂的调控网络, 调节Alt、LytM、LytN、Slel[6]多种自溶素的作用。金黄色葡萄球菌内的cid和lrg操纵子参与自溶素作用的调节 ,cid操纵子含有两个重叠的转录区,一个包括cidA、cidB、cidC基因,cidA基因编码一类穴蛋白类似物, 控制细胞裂解的, 其表达受多氧条件下过量的葡萄糖发酵形成的乙酸的诱导;而cidB和cidC基因的表达依赖于sigmaB,其中cidC基因编码产物参与乙酸生成,有助于细胞死亡和溶解。lrgA基因编码一类抗穴蛋白类似物,抑制cidA基因编码产物的活性。而cid和lrg操纵子的活性受cidR基因编码产物调节。
自溶素与致病
自溶素参与一些致病菌的致病和宿主细胞内的存活。 其机制主要包括以下几个方面:
参与致病菌的吸附
一些
革兰阳性菌自溶素的 C端细胞壁结合功能域含有 GW模块, 可借助这些重复区域吸附到宿主组织上并聚集。 如单核细胞增多性李斯特菌的自溶素 、表皮葡萄球菌的 AtlE和 Aae等都具有类似的 GW 重复序列。 AltC蛋白由 29个氨基酸的信号肽、两个酶催化功能域, 三个可结合
纤维蛋白的功能域组成。 纤维蛋白结合功能域的中央和末端含有甘氨酸-色氨酸模序(Glycine-trypto- phan, GW 模序), 致病菌可通过 GW重复序列结合到宿主细胞玻璃粘连蛋白、纤维结合素等。
调节宿主免疫系统
细菌通过自溶素调节肽聚糖的降解和胞壁肽的释放, 从而在细菌感染和宿主细胞内存活过程中发挥重要作用。
幽门螺杆菌等一些细菌在复苏促进因子(Rpfs)作用下形成不被宿主
免疫系统所识别的胞壁肽 , 改变了细菌肽聚糖结构, 应对外界环境压力, 参与休眠细胞的复苏。 另外
单核细胞增多性李斯特菌等一些细菌释放可被宿主TLR2/NOD1/NOD2/NLR或其他免疫受体所识别胞壁肽, 通过干扰宿主的免疫系统, 而造成毒性反应 , 从而促进细菌感染。
应用
新型治疗剂
伴随着抗生素的广泛使用, 多重耐药菌不断增多, 常规治疗方法已难以治愈, 急需开发新的药物来应对微生物感染。 细菌自溶素具有种属特异性、底物特异性和高活性、容易通过基因工程的手段进行不断修饰改善、细菌难以对其产生抗性等优点, 使其在食品科学、生物技术和医药领域有着广泛的应用前景。 实验表明小量纯化的
重组蛋白体外即可在几分钟甚至几秒内裂解高密度的细菌细胞悬液。 此外, 纯化的蛋白可与抗生素一起使用控制微生物感染, 获得增强的抗菌效果, 并探索对耐药菌株的抗菌活性。
体内和体外试验证明自溶素 LytA是一类有效的治疗剂,可显著的降低腹膜内的细菌数量, 静脉注射后, 可用来治疗 - 内酰胺类抗性的肺炎链球菌引起的腹膜炎-败血病 ;注射自溶素的小鼠对金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌感染表现出抗性 。 此外研究发现自溶素 LytA与
头孢噻肟、
莫西沙星协同作用时可杀灭肺炎链球菌耐药菌株 。
医学方面的应用
利用细菌特异性的自溶素建立了灵敏、高特异性的病原菌检测方法, 对预防和控制病原菌感染有着重要的意义。 鳗状弧菌是一类鱼类的主要致病菌,HongGE等针对编码 N-乙酰胞壁酰-L-丙氨酸酰胺酶的 amiB基因而设计出检测临床鳗状弧菌的方法。 PCR扩增特异的鳗状弧菌自溶素 amiB基因, 而该基因不存在于其他 25种弧菌和肠道菌群, 以 1pg的鳗状弧菌 DNA为模板就可扩增出目的产物, 快速、灵敏。 而基于肺炎链球菌的自溶素 lytA基因开发出 LightCyclerPCR法是另外一类快速、灵敏的
临床诊断肺炎球菌脑膜炎的方法, 即使在抗生素治疗后仍具有很高的敏感性, 可在非培养的条件下准确的诊断
肺炎链球菌感染 。