LuxS/AI-2密度感应系统介导口腔双菌种生物膜细菌相互作用的机制研究

Quorum sensing (QS) is an important molecular mechanism of bacterial cells communication in biofilm community. Studies indicated that QS system LuxS/AI-2 regulates oral multi-species biofilms by releasing AI-2 signaling molecules ,which may affect the characteristics of dental plaque. Previously, we found that S. mutans strains varied in their interactions with S. gordonii with different levels of the activity of AI-2, which indicates the important role of LuxS/AI-2 in inter-species behavior modulation. Based on the above findings, this project intends to further clarify the mechanism of these bacterial interactions and the role of LuxS/AI-2. It will verify the relationship of the single/dual-species biofilms characteristics (including biomass, spatial structure, metabolic activity and antimicrobial resistance) and the LuxS gene.Furthermore, RNA-seq and RT-PCT will be applied to test different gene expression and select target genes. This proposed project will not only help to understand the role of LuxS/AI-2 in oral dual-species biofilm interaction and reveal the mechanism of ecological balance in oral bacteria, but also to use AI-2 or AI-2 analogs to interfere with bacterial QS system, seek to maintain the ecological balance of microbial communities and develop a new caries prevention strategy.

密度感应（quorum sensing，QS）是生物膜状态下细菌细胞间的重要分子通讯机制。研究指出QS系统LuxS/AI-2通过释放AI-2信号分子，调控口腔多菌种生物膜，影响牙菌斑生物学特性。课题组前期研究发现，在双菌种生物膜状态下戈登链球菌改变变形链球菌的生物学行为，AI-2浓度发生改变，提示在变形链球菌与戈登链球菌相互作用过程中，LuxS/AI-2可能发挥重要的调控作用。本项目拟在上述工作基础上进一步明确细菌间LuxS/AI-2信号交流与通讯机制，分析 luxS基因对单、双菌种生物膜量和空间结构、代谢活力与抗药性的调控； 应用高通量RNA测序构建上述生物膜条件下的转录组差异表达谱，筛选差异表达基因，RT-PCT验证，阐明细菌间LuxS/AI-2信号交流与通讯机制，为进一步利用AI-2或AI-2类似物，通过密度感应系统干扰细菌，寻求维护微生物群落生态平衡的新途径，建立龋病生态防治策略。

口腔牙菌斑是复杂的多菌种生物膜，与口腔健康与疾病密切相关。密度感应系统是细菌的一种信号传递机制，细菌通过识别环境中群体密度变化，调节基因表达，改变相应的生理功能，从而更好的适应环境变化。 LuxS/AI-2密度感应系统以 AI-2为信号分子。因 AI-2在不同细菌中结构类似，被认为是细菌种间的信号分子，由此推测这一系统可能参与菌间的相互作用的调控。本研究通过构建戈登链球菌 luxS基因突变株，建立戈登链球菌 -变异链球菌体外双菌种生物膜模型；比较戈登链球菌突变株 /野生株与变异链球菌形成的双菌种生物膜和变异链球菌单菌种生物膜的生物学差异，探讨戈登链球菌 luxS基因在双菌种生物膜形成中的作用。进一步通过体外合成戈登链球菌的 AI-2分子，研究其对于变异链球菌生物膜形成及有关毒力因子表达的影响。最后通过高通量测序技术，筛选变异链球菌在与戈登链球菌共培养条件下表达发生变化的基因，为 LuxS/AI-2密度感应系统在双菌种生物膜形成中的调控机制提供新的理论依据。研究结果显示，戈登链球菌野生株可以帮助变异链球菌定植；戈登链球菌 luxS基因缺失后，形成爽菌种生物膜的能力减弱，产酸能力和对洗必泰的耐受性降低。添加 0.1 μM AI-2后变异链球菌生物膜 gtfB、gtfC、 gtfD、 spaP基因表达上调，fruA基因表达下调；添加 10 μM AI-2对以上基因表达无明显影响。低浓度 AI-2可促进变异链球菌生物膜形成，高浓度 AI-2对变异链球菌生物膜形成无显著影响。共培养状态下的变异链球菌生物膜蔗糖特异性 PTS编码基因、果糖特异性 PTS编码基因和葡萄糖特异性 PTE编码基因表达上调；三羧酸循环相关的基因和 F1F0-ATP酶相关基因表达下调。比较两种共培养条件下的变异链球菌生物膜，与野生株共培养的变异链球菌乳糖特异性 PTS相关基因表达上调，而与突变株共培养的变异链球菌 Pst系统编码基因表达下调。戈登链球菌共培养条件下的变异链球菌形成生物膜的过程中，糖相关代谢和耐酸相关的通路受到调控，戈登链球菌 LuxS/AI-2系统在这一过程中可能通过影响乳糖转运的相关通路和 Pst系统，调控细菌间的相互作用。