单细胞方法解析金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）中的群体感应（quorum sensing）动态

《Nature Communications》：Single-cell approach dissecting agr quorum sensing dynamics in Staphylococcus aureus

摘要

群体感应（Quorum Sensing, QS）使细菌能够通过分泌和感知可扩散的信号来协调集体行为。在单细胞水平上理解群体感应机制至关重要，因为群体层面的测量结果往往掩盖了调控过程中的异质性。在金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）中，辅助基因调节系统（agr）是一个主要的由自诱导肽（AIPs）激活的毒力调节因子。存在四种不同的agr类型，每种类型由特定的AIPs定义，并且它们之间能够相互抑制，但其激活动态和相互作用层次结构仍不甚明了。我们利用微流控技术、延时显微镜以及基于深度学习的图像分析方法，对同源和野生型agr菌株的agr激活过程进行了量化研究。不同agr类型对同源AIPs的敏感性存在差异：agr-III类型基本无反应，而agr-IV类型则表现出高度敏感性，并且具有较高的基础激活水平。agr的激活分布通常呈现双峰态（即同时存在agr-ON和agr-OFF状态的细胞），这种现象是由某些亚群在持续刺激下始终不激活或转变为agr-OFF状态所导致的。当同时使用同源和异源AIPs时，AIP-IV能够抑制预先被激活的agr-I，而AIP-I对agr-IV则没有抑制作用，这表明它们之间存在不对称的相互抑制关系。在空间分离的共培养体系中，通过扩散作用产生的相互作用形成了四种可重复的agr交互模式：稳定优势型、稳定双激活型、延迟激活型或不稳定双激活型，这些模式由agr类型的组合决定，并受到遗传背景的影响。我们的研究将单细胞信号传导过程与群体行为结果联系起来，揭示了agr类型之间的特异性不对称性，这对菌株间的竞争和毒力表现具有潜在影响。