《Gut Microbes》：Autoinducer 2 as a universal language in microbial consortia: decoding molecular mechanisms, ecological impacts, and application
Abstract
在自然和工程生态系统中，多种物种以复杂方式相互作用，形成高效的微生态。这些相互作用的一个关键协调者是自体诱导剂-2（Autoinducer-2, AI-2），这是一种信号分子，在微生物群落组装、代谢流和对环境干扰的恢复力中扮演着至关重要的角色。
1. Introduction
微生物常与不同物种共存于自然环境（包括肠道微生态）中。细菌在各种环境中的内在适应性源于其感知和响应短暂环境变化的非凡能力。群体感应（Quorum Sensing, QS）是细菌进化出的复杂策略之一，涉及自体诱导剂（Autoinducers）的产生、检测和响应。AI-2是唯一已知在革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌中都存在的种间信号分子，使其成为不同细菌群落中广泛感知和响应的分子。本文旨在对AI-2的生物合成途径、受体及其作为种间信号分子的发现和作用进行全面概述。
2. The synthesis of AI-2 involved in activated methionine cycle (AMC)
AI-2的生物合成与活化甲硫氨酸循环（Activated Methionine Cycle, AMC）紧密耦合。S-腺苷甲硫氨酸（S-adenosylmethionine, SAM）作为中心甲基供体，其合成自甲硫氨酸，由甲硫氨酸腺苷转移酶（MetK）催化。SAM经甲基转移反应产生S-腺苷高半胱氨酸（S-adenosylhomocysteine, SAH），SAH随后裂解形成高半胱氨酸（Homocysteine, Hcy）和S-核糖基高半胱氨酸（S-ribosylhomocysteine, SRH），并伴随生成AI-2的前体4,5-二羟基-2,3-戊二酮（4,5-dihydroxy-2,3-pentanedione, DPD）。不稳定的DPD中间体发生自发环化，产生作为直接AI-2前体的呋喃衍生物。
2.1. Biosynthesis pathways: metabolic cross-talk with AMC
AI-2的生物合成与AMC紧密相连，SAM是其核心前体。DPD的亲水性使其在水环境中易于多种异构体形式之间快速平衡。
2.2. Structural dynamics of two forms of AI-2
AI-2存在两种主要的生物活性异构体：在霍乱弧菌（Vibrio harveyi）中发现的硼酸化形式（2S,4S）-2-甲基-2,3,3,4-四羟基四氢呋喃-硼酸盐（S-THMF-borate），以及在鼠伤寒沙门菌（Salmonella enterica serovar Typhimurium）中发现的非硼化形式（2R,4S）-2-甲基-2,3,3,4-四羟基四氢呋喃（R-THMF）。这两种形式可以通过DPD前体的酮-烯醇互变异构进行相互转化。硼酸盐的补充可驱动平衡向S-THMF-borate形成方向移动。这种环境调节的平衡为微生物群落提供了双模式信号能力。
2.3. AMC facilitates AI-2 as a universal language for bacteria
通过AMC产生的SAM同时也是革兰氏阴性菌中介导细胞间通讯的酰基高丝氨酸内酯（Acyl-Homoserine Lactones, AHLs）和霍乱弧菌（Vibrio cholerae）中霍乱自体诱导剂-1（Cholera Autoinducer-1, CAI-1）的生物合成前体。这表明AMC作为一个代谢枢纽，同时支持AI-2、AHLs和CAI-1的生物合成，从而实现对微生物社会行为的分级控制。
3. Sensing of AI-2 by multi-receptors
AI-2的感知由多种受体介导。目前，通过晶体学和结合实验明确证实的AI-2受体主要有两种：LuxP和LsrB。
3.1. LuxP
LuxP是研究最深入的AI-2受体之一。在霍乱弧菌中，AI-2（硼酸化形式）与周质结合蛋白LuxP结合，进而与跨膜传感器激酶LuxQ相互作用，形成LuxPQ双组分系统。该信号通过磷酸转移酶LuxU传递至转录调节因子LuxO，最终通过小调控RNA（Qrr1-5）和Hfq蛋白影响LuxR的表达，从而调控目标基因（如发光基因簇luxCDABE）。
3.2. LsrB
LsrB是另一个经过严格表征的AI-2受体，主要结合非硼化的AI-2（R-THMF）。在鼠伤寒沙门菌、大肠杆菌（Escherichia coli）等细菌中，LsrB作为高亲和力的周质底物结合蛋白，与ABC转运蛋白复合体LsrACDB合作，将AI-2内化进入细胞。胞内的AI-2被激酶LsrK磷酸化，形成的磷酸化AI-2与转录抑制子LsrR结合，解除其对lsr操纵子的抑制，启动QS反应。
3.3. dCACHE domain-containing proteins
一类含有dCACHE结构域的跨膜蛋白家族也被认为与AI-2感知有关。例如，枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）的组氨酸激酶KinD和沼泽红假单胞菌（Rhodopseudomonas palustris）的双鸟苷酸环化酶rpHK1S-Z16，其dCACHE结构域被证实可直接结合AI-2并增强其酶活性。然而，对于其他许多推测的dCACHE受体，直接的生化证据仍需进一步验证。
3.4. GAPES1
γ-变形菌周质传感器1（Gammaproteobacterial Periplasmic Sensor 1, GAPES1）被提出作为革兰氏阴性菌中一类新型的细胞外AI-2受体。结构分析表明其N端结构域可能结合AI-2并具有双鸟苷酸环化酶（Diguanylate Cyclase, DGC）活性，可能将AI-2感知与c-di-GMP信号联系起来。
3.5. FruA
在肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）中，FruA被认为是一个潜在的AI-2受体候选者，但其证据主要基于遗传筛选和表型观察，缺乏直接的AI-2结合实验证实。
4. AI-2 involved in quorum sensing for interspecific interactions
AI-2能够调节细胞代谢流，并响应环境变化自主表现出协调行为，介导多种细胞间相互作用。
4.1. Collective coordinated behavior mediated by AI-2
AI-2 QS系统在调节细菌代谢和应激抵抗中发挥关键作用。例如，在植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum）中，AI-2可调节苯乳酸和细菌素的产生，发挥抗真菌或抗菌活性。AI-2也广泛参与生物膜形成、毒力因子表达、粘附定殖等社会行为的调控，从而增强菌株对胃肠道应激、胆盐、铜毒性等逆境的抵抗力。
4.2. Manipulation of cell-cell interspecific interactions by AI-2
AI-2介导的种间相互作用形式多样。
4.2.1. Pathogens- pathogens
例如，艰难梭菌（Clostridium difficile）产生的AI-2影响脆弱拟杆菌（Bacteroides fragilis）的多物种生物膜形成，而后者则通过诱导代谢反应抑制前者的生长和毒力。戈登链球菌（Streptococcus gordonii）的AI-2通过调节碳水化合物代谢介导与牙龈卟啉单胞菌（Porphyromonas gingivalis）的双物种生物膜形成。
4.2.2. Pathogens- probiotics
AI-2在益生菌与病原体相互作用中至关重要。例如，清酒乳杆菌（Lactobacillus sakei）可降低肠出血性大肠杆菌O157:H7的细胞存活率、AI-2活性和毒力因子表达。乳杆菌通过产生细胞外糖蛋白促进自身定殖并防御病原体附着。
4.2.3. Probiotics- probiotics
AI-2也介导乳酸菌之间的种间相互作用。共培养可显著增强植物乳杆菌的AI-2活性、抗菌活性和相关基因（如luxS, pln操纵子）的表达，促进协同效应。
4.3. Manipulation of multi-species interspecific interaction by AI-2
AI-2介导的QS研究已从双菌体系扩展到复杂的多物种系统。
4.3.1. Synthetic microbial community
在合成微生物群落模型中，AI-2转运体被确定为维持群落平衡的关键介质。在口腔生物膜微生物群中，AI-2信号缺失会延迟生物膜基质聚合，损害结构完整性。
4.3.2. Gut microbiota
在胃肠道复杂的微生物生态系统中，AI-2 QS与微生物定殖动力学和趋化行为密切相关。外源补充AI-2可增强鼠李糖乳杆菌（Lactobacillus rhamnosus）在抗生素扰动的小鼠肠道中的定殖，并减轻肠道炎症。AI-2浓度梯度可塑造肠道生态系统内的群落结构。
4.3.3. Natural ecology
在自然环境中，如珊瑚的黏液层和瘤胃微生物群中，AI-2介导的信号传导在维持宿主与微生物群的共生稳态方面发挥作用。
5. Application of AI-2 mediated interspecies communication
AI-2 QS系统作为种间信号的关键介质，具有多方面的应用价值。
5.1. Host-microbe engineering: maintain human health
5.1.1. Regulation of the intestinal microbiome
AI-2信号影响肠道微生物群的组成、稳定性和与宿主的相互作用。益生菌可利用AI-2调节自身行为及与宿主和其他细菌的相互作用，增强定殖效率，破坏肠道病原体的定殖过程和毒力表达。AI-2水平与坏死性小肠结肠炎（Necrotizing Enterocolitis, NEC）等疾病阶段相关，提示其作为诊断生物标志物的潜力。肠道微生物群来源的AI-2还可通过肠-肺轴调节肺部炎症。
5.1.2. Medical applications - anti-infection strategies
针对AI-2的抗QS疗法（如使用AI-2类似物或QS淬灭技术）可干扰病原体的信号传导，抑制生物膜形成和毒力表达，且不易产生耐药性，为抗感染治疗提供了新策略。
5.2. Agriculture and ecology: optimization of plant-microbial interaction
5.2.1. Maintain the health of plants
在植物根际，AI-2介导根际细菌间的相互作用。接种产AI-2的植物根际促生菌（Plant Growth-Promoting Rhizobacteria, PGPRs）可增强有益微生物群落的协作和稳定性，促进植物生长并诱导系统抗性。
5.2.2. Strengthen biological control
利用AI-2信号协调生防菌的引入，可增强其在根际的定殖、生物膜形成和抗菌物质产生，从而加强对植物病原菌的抑制效果，减少对化学农药的依赖。
5.3. Industry and biotechnology: regulation of microbial fermentation
5.3.1. Optimize the fermentation efficiency of the mixed bacterial community
在生物乙醇生产等工业发酵过程中，添加AI-2 QS抑制剂可抑制污染菌的生物膜形成，提高乙醇产率。在厌氧膜生物反应器（AnMBRs）中，AI-2补充可通过上调产甲烷古菌的mcrA基因表达来提高甲烷产量。
5.3.2. Improve the fermentation flavor and preservation of food
AI-2可调节代谢途径，影响食品风味。例如，DPD可增强发酵香肠中游离氨基酸、醛、酮、醇等风味物质的含量。AI-2介导的种间相互作用也可用于食品保鲜，如利用植物乳杆菌抑制水产品表面病原菌的生长。
5.4. Environmental bioprocessing: pollutant degradation and ecological restoration
5.4.1. Microbial community regulation in wastewater and sludge treatment
AI-2介导的QS通过调节微生物群落组成和个体代谢，间接提高废水和污泥的处理效率。例如，AI-2可促进厌氧颗粒污泥的形成、系统稳定性和有机物降解。同时，基于AI-2淬灭的抗污染策略可用于控制膜生物反应器（MBR）的膜污染。
5.4.2. Environmental residual pollutant removal
AI-2介导的种间通讯可用于去除环境中的残留污染物，如通过调节AI-2增强阿特拉津（Atrazine）的 biodegradation rate，或通过改变膜通透性促进过氧化氢的降解。
6. Regulation of AI-2 production by various factors
AI-2的产生受到内部和外部多种因素的复杂调控。
6.1. Regulation of AI-2 production by internal factors
6.1.1. Influence of growth density
细菌的生长阶段和细胞密度影响AI-2的产生、积累和QS响应。即使在相同细胞密度下，个体细菌之间也存在瞬时的异质性。
6.1.2. Differences in cell growth states
与浮游细胞相比，生物膜细胞具有更活跃的AI-2合成和代谢途径。AI-2介导的QS系统可调节细菌从生物膜中脱离，形成分散相的浮游细胞，以适应不利条件。
6.1.3. Exploration on heterogeneity
单细胞分析技术的进步揭示了许多细菌物种中QS相关基因表达存在表型异质性。这种异质性可能源于空间无序、环境结构等多种因素，但其普遍性、优缺点及遗传性仍需深入研究。
6.2. Regulation of AI-2 synthesis by external conditions
6.2.1. External biological factors
营养状况和环境胁迫（如pH、胆汁酸、温度、渗透压、饥饿）等生物因素可物种和菌株特异性地调节AI-2的活性。例如，酸胁迫可增强乳杆菌的QS反应，高温可诱导珊瑚病原体AI-2产量的增加。
6.2.2. External abiotic factors
非生物因素，如聚集、扩散和流体流动，也影响QS信号的产生和调控。流体剪切力可破坏生物膜中的AI-2梯度，延迟QS激活。环境表面的物理结构也会影响AI-2的时空分布。
7. Future perspectives
未来研究需关注以下几个方面：利用单细胞技术解析QS响应中的个体异质性；揭示复杂微生态中多种QS系统的协同/拮抗机制；探索AI-2在非细菌界（如真菌）中的信号作用；研究代谢物（如短链脂肪酸）与AI-2信号的交互作用；开发基于AI-2的“智能”生物膜用于环境监测。解决这些挑战需要利用从单细胞代谢组学到合成群落设计等跨学科工具。
8. Conclusions
AI-2作为一种通用信号分子，调控着微生物相互作用、代谢协调和生态恢复力。其双结构适应性（S-THMF-borate/R-THMF）以及与AMC和多种QS系统的层级整合，奠定了其介导跨物种通讯的基础。多样化的受体系统实现了物种特异性的感知。AI-2动态调节代谢流、生物膜形成以及在合成群落、肠道微生物群和环境系统中的多物种相互作用。其在宿主健康、农业、工业和环境生态等领域的应用前景广阔。AI-2的产生受生长阶段、环境胁迫和物理化学因素调控。未来的重点包括解析QS响应的表型异质性，解码AI-2在非细菌界的作用，以及整合多QS串扰用于合成生态学应用。连接分子见解与工程框架将释放AI-2在微生物资源利用方面的全部潜力。
