肺炎鏈球菌的社交網絡

S. pneumoniae (or pneumococcus，肺炎鏈球菌）是中耳炎、細菌性腦膜炎、敗血症和社區獲得性肺炎的主要病因。世衛組織將肺炎鏈球菌列為一種抗生素耐藥的「優先病原體」。

肺炎鏈球菌是下呼吸道感染的主要原因之一，每年在全世界造成近100萬兒童死亡。肺炎鏈球菌在人類宿主中佔據不同的生態位，導致共生和致病性存在。侵襲性肺炎鏈球菌疾病是一個多步驟的過程。它是通過肺炎鏈球菌滲透進入富含糖的粘液層，然後粘附到人鼻咽的上皮細胞層而引發的。通常，微生物在鼻咽中定殖較長時間而不會引起疾病。

另外，由於未知的原因，它可以擴散到中耳，肺，大腦或血液中。直接從鼻咽或最經常通過肺部進入血液，可以進入中樞神經系統，心臟和脾臟。在所有這些組織中，肺炎鏈球菌都受到免疫系統和各種環境條件的攻擊。

剛剛，來自美國賓夕法尼亞州匹茲堡卡內基梅隆大學生物科學系的一篇綜合評論文章題為：「The pneumococcal social network」 綜合闡述了人類致病菌肺炎鏈球菌分泌肽的機制和功能特點。討論了三大類小肽的序列特徵、轉運機制和受體：雙甘氨酸肽、Rap、RGG、NprR、PlcR和PRGX(RRNPP)結合肽，以及含羊毛硫氨酸的小肽。強調影響攜帶和致病的因素，特別是遺傳多樣性、微生物競爭、生物膜發育和環境適應。

註：羊毛硫氨酸是一類結構獨特的肽類，因其序列中含有羊毛硫類非常規胺基酸而得名。

革蘭氏陽性細菌使用一系列分泌肽來控制種群水平的行為，以響應環境提示。最近肺炎鏈球菌多肽研究的擴展揭示了一個相互作用的信號系統的複雜網絡，其中多個多肽被整合到同一信號通路中，允許多個進入該通路的點，並向新的方向擴展信息內容。

此外，由於多肽存在於細胞外環境中，因此存在串擾、群體感應(QS)以及株內、株間和種間相互作用的機會。關於人群行為導致疾病的方式的知識為設計和開發抗感染策略提供了一條途徑。

社會行為在生物體內廣泛存在。蟻群的形成、蝗蟲的協調運動和魚類的淺水化都是複雜的社會行為例子。這些行為通過保護人們免受捕食、增加食物供應或比競爭對手具有戰略優勢而受益。細菌也不例外。

細菌執行群體感應（QS）：細胞密度相關的信號傳導，導致群體水平的反應。QS的早期證明是在海洋細菌fischeri弧菌中，高細胞密度誘導生物發光，這是細菌與魷魚共生關係的一部分。從那時起，細菌群的行為就被牽涉到細胞過程中，比如基因轉移、運動、抗生素的產生和生物膜的形成。

細胞-細胞間的通訊是由供體細胞分泌到細胞外環境中的信號分子來協調的，並由產生細胞和鄰近細胞感應到。感知導致基因表達的變化，最終觸發同步的群體行為。這種細胞-細胞通訊的核心是通過自體誘導劑-2（AI-2）和肽發出信號。

肺炎鏈球菌細胞間通信系統的總體分類

肺炎鏈球菌細胞-細胞通信系統可根據肽序列、轉運蛋白和受體分為3大類（圖1）。這些是（1）雙甘氨酸肽，（2）與QS蛋白RRNPP超家族相關的肽，（3）含羊毛硫氨酸肽。從它們的作用來看，肽介導的細胞-細胞通信系統至少履行了三個主要功能：確保遺傳多樣性、微生物競爭和環境適應。

圖1 肺炎鏈球菌分泌肽的三大類示意圖

雙甘氨酸肽

最具特徵的肺炎鏈球菌雙甘氨酸肽是能力刺激肽(CSP)。其他例子包括細菌素誘導肽(BIP)、感受態誘導細菌素(Ciba和CibB)、細菌素免疫區的肽(BIR)、毒力肽1(VP1)、感受態誘導的生物膜調節肽(BRIC)、RTG位點的肽和LANA(表1)。此外，比較基因組學方法已經揭示了額外的雙甘氨酸肽，這些多肽還有待鑑定。

表1：核糖體合成肽在肺炎鏈球菌中的實驗研究

雙甘氨酸肽的特徵是保守的N末端前導序列，該序列終止於Gly–Gly殘基（或更常見於Gly–Ala或Gly–Ser）。前導將這些肽引導至含有肽酶的ATP結合盒（ABC）轉運蛋白（具有C39肽酶結構域），其可切割前導序列並將肽輸出到細胞外。  CSP和BIP的基因座分別編碼同源的輸出蛋白ComAB和BlpAB。移碼突變使BlpAB在大約60％的菌株中失去功能。

QS蛋白的RRNPP超家族的肽

該組中的肽通過與它們的同源細胞質轉錄因子直接相互作用而發出信號，它們是RRNPP超家族的成員（圖1B）。如前所述，這些肽可以基於多種序列特徵進行分類。在肺炎鏈球菌中，已經鑑定了短疏水肽（SHP）SHP144，SHP939，SHP1518和RtgS，以及磷酸酶調節劑（Phr）肽PhrA和PhrA2。

在整個鏈球菌中，糖基轉移酶（Rgg）蛋白質的調節基因與它們的同源SHP結合後被激活，後者通常在rgg基因附近編碼。  SHP僅在出口後才有活性，這是由通常短於35個殘基的前體多肽加工而成的。尚未在肺炎鏈球菌中研究加工蛋白酶，但在其他鏈球菌物種中，膜結合金屬蛋白酶（Eep）有助於加工。 

多種鏈球菌物種通過ABC轉運蛋白PptAB出口SHP，其糞便腸球菌的同源物出口性信息素。在缺乏已知靶序列的情況下，將SHP引導至其轉運蛋白的機制仍不清楚。成熟的肽通過寡肽滲透酶系統重新導入細胞，在那裡它們與同源的Rgg調節劑相互作用，從而改變細胞的轉錄狀態。

在肺炎鏈球菌中，RtgS是唯一顯示其前體肽由PptAB出口並由Ami寡肽進口商AmiACDEF內化的SHP。鑑於PptAB在物種間的廣泛功能，其他肺炎鏈球菌SHP可能利用相同的機制進行進出口。

含羊毛硫氨酸肽類

這是由革蘭氏陽性細菌產生的一族小肽（19-38個胺基酸），具有各種結構和功能。這些是環狀肽，其特徵是翻譯後修飾，導致硫醚胺基酸、羊毛硫氨酸和甲基羊毛硫氨酸的引入（圖1C）。當前肽中的絲氨酸或蘇氨酸殘基脫水並與半胱氨酸硫醇連接時，它們的特徵結構由LanM修飾酶形成。該肽通過專用的LanT轉運蛋白輸出。許多含羊毛硫氨酸的肽形成細菌素的兩大類中的一種。

這些肽被稱為羊毛硫氨酸抗生素或羊毛硫氨酸的抗生素。用於加工羊毛硫氨酸的肽，修飾酶，免疫蛋白和轉運蛋白的基因通常以簇的形式組織。肺炎鏈球菌中有許多這樣的簇。其中，已經研究了與Tpr / Phr和肺炎鏈球菌素簇相關的瘦肽。

肺炎鏈球菌細胞間通信系統的功能屬性

肺炎鏈球菌肽介導的細胞-細胞通訊系統提供多種功能，而不是相互排斥。細胞-細胞通信系統可以被概念化為控制種群水平結構和行為的電路。

許多細胞-細胞通訊迴路對不同的環境刺激作出反應，如菌群密度、營養狀況、pH值、氧氣供應和抗生素壓力。來自細胞-細胞通訊系統的信號在群體水平的變化中表現為聚合。這些可能會影響生物膜的發育或與細胞表面成分的改變有關，如膜成分和膠囊表達。

細胞-細胞通訊系統的行為也可能伴隨著DNA攝取、自殘或殺菌能力的改變。這些生理變化可能改變細胞獲得抗生素抗性基因的傾向，並影響疫苗逃逸株的出現。

此外，細胞間通訊系統還可以調節宿主基質的降解、生物膜的發育和營養吸收能力。因此，這些特性共同影響致病潛能、抗生素耐藥性和對疫苗的反應。

調節群體反應的能力為肺炎鏈球菌細胞提供了相對於居住在鼻咽的其他微生物物種的競爭優勢。細胞間的通訊系統使微生物能夠改變其轉錄模式，以獲得合適的表型，從而優化種群水平的適應性。它能在DNA水平和轉錄水平上引入多樣性，從而能夠長期維持鼻咽部的共生生活方式，在無症狀時期，肺炎鏈球菌在高度可變的生物膜中被發現。

此外，一般來說，「轉錄適應」不僅有助於在動態的鼻咽中存活，而且在感染期間微生物從一個宿主生態位遷移到另一個宿主生態位時也能促進存活。

遺傳和表型多樣性的產生

當檢測到CSP，雙甘氨酸肽家族的典型代表就會被激活。肺炎鏈球菌泛基因組擁有comC的6個不同等位基因，其中大多數菌株編碼2個等位基因變體中的1個。在混合種群中，能力不僅在空間上局限於生物膜內的某個區域；信號可能局限於單個的信息類型（框1）。CSP是由高細胞密度、pH值增加、氧利用率和抗生素壓力等因素引起的。

除了在環境中擴散外，CSP還通過其他機制（包括自分泌信號和細胞-細胞接觸）向鄰近細胞發出信號。激活會導致一個菌株的10%的基因發生轉錄變化。最典型的反應是激活轉化機制，允許通過重組將外源DNA納入，並且在這樣做的過程中，通過等位基因的交換和基因擁有量的變化來促進遺傳多樣性的產生（圖2）。

全基因組內遺傳物質的交換測試了新穎的遺傳組合，其中單個等位基因或基因片段已經克服了通過選擇修剪的問題。

圖2  多個雙甘氨酸肽的分級活化

微生物競爭

種內和種間競爭是呼吸道肺炎鏈球菌生活方式的一部分。殺菌活性通過雙甘氨酸和羊毛硫氨酸的肽家族中的小分子產生。限制競爭者生長的能力對於細菌定殖很重要。此外，受害者可能成為DNA的來源，增加了進化的可能性。

能力激活導致許多這些效應分子的產生，包括CibAB和BIR基因座。雙甘氨酸肽CibAB引發異源分解或反式裂解，並以細胞接觸依賴性方式負責非功能細胞的裂解。與乳酸乳球菌IFPL105相似，據信這種殺微生物劑是通過將細菌素插入敏感細胞的膜中而導致其細胞能量消耗而產生的。

此後，細胞壁水解酶（包括自溶素LytA，溶菌酶LytC和莫林蛋白酶水解酶CbpD）的作用引起裂解。跨膜肽CibC保護細胞免受CibAB的同素分解作用。  CibAB從非感受態細胞釋放的營養物質和DNA可能會使攻擊細胞受益。在定殖的鼠模型中，CibAB誘導的同素分解作用使常駐菌株具有通過入侵菌株抵抗競爭和定殖的能力。

IR編碼多種效應基因，賦予其抑菌作用或抑制作用的免疫力。  BIR基因座是同系的，但細菌素（假定的和特徵的）和免疫蛋白在不同菌株之間差異很大。blpIJ，blpMN和blpK的產品已證實具有殺菌活性。這些是雙甘氨酸肽，由BlpAB輸出，並與同源免疫蛋白共轉錄。所有這些肽都顯示出菌株間的活性，並且在體內，BlpMN和BlpIJ細菌素在定植過程中提供了比免疫缺陷型菌株更具競爭優勢的菌株。

除肺炎鏈球菌外，細菌素基因座的表達還抑制了一些其他革蘭氏陽性細菌，包括化膿性鏈球菌，鏈球菌性微生物，口腔鏈球菌和乳酸乳球菌，但不抑制其他細菌，例如變形鏈球菌，糞腸球菌或單核細胞增生李斯特菌。

BIR基因座的表達是由BIP誘導的，BIP由blpC和BIR的上遊編碼。與CSP相似，BIP結合膜結合的組氨酸激酶（B1pH），並且在肽及其受體之間具有特異性。這種特異性限制了競爭性表型之間的串擾。與能力途徑的激活相似，BIP的表達是由抗生素誘導的，並且會增加pH值。而且，在能力和細菌素系統之間存在串擾，其中BIP的產生是在CSP刺激後誘導的。

另一類細菌素是羊毛硫氨酸的肽，其特徵是肺炎鏈球菌素（pld）。pld基因座在肺炎鏈球菌分離株中很少見，其特徵是有4個串聯推定的短肽同源物（PldA1-PldA4）。這4種肽中的3種PldA1-3對細胞的殺菌活性是必需的，而第4種肽PldA4對於該表型是必不可少的。

除具有殺菌特性外，肺炎鏈球菌素（PldA1-3）還可作為自動誘導信號肽，通過位點（pldK）中編碼的組氨酸激酶進行信號傳導，從而激活pld位點。免疫是由鄰近的ABC運輸商PldFE授予的。這些肽的信號傳導和殺菌作用是相互聯繫的：當Pld肽的信號傳導低時，PldA2不會誘導細菌抑制作用。另外，肺炎鏈球菌素在小鼠定植過程中為肺炎鏈球菌菌株提供了競爭優勢。

最後，全面的比較基因組篩選揭示了許多其他肽，它們在肺炎鏈球菌菌株之間分布不同（從稀有到核心），而且是肺炎鏈球菌特有的或在鏈球菌種之間共有。許多細胞與推定的轉運蛋白，修飾蛋白或免疫蛋白一起組織成操縱子。肺炎鏈球菌菌株和相關物種內的多樣性分布與種內和種間微生物競爭中的作用一致。

細胞間通信系統對環境適應的影響

肺炎鏈球菌有一個細胞間通信系統網絡，可調節其對宿主環境的適應性。肺炎鏈球菌只能使用糖來產生其代謝能。此外，糖被用於膠囊生產和信號傳遞。此外，通過磷酸轉移酶系統（PTS）轉運糖可以觸發磷酸化依賴性信號通路。此外，宿主糖的降解不僅是營養的來源，而且還是宿主粘附，定植和致病性的主要因素。

幾種細胞間通訊肽的表達對宿主碳水化合物的水平有反應：甘露糖和半乳糖誘導SHP144和SHP939，半乳糖誘導PhrA。另外，這些肽以及PhrA2和VP1在豐富的培養基中被阻遏。Rgg144 / SHP144系統是核心。當自誘導肽SHP144導入細胞並結合Rgg144時，它被激活。Rgg144受主要營養調節劑CodY和穀氨醯胺/穀氨酸代謝的負面控制。

SHP939是一種正向調節Rgg939的自誘導肽。該系統是輔助基因組的一部分。  Rgg939 / SHP939調控的基因多樣性隨環境條件的變化而變化，當在甘露糖上生長時具有廣泛的調節子，而在半乳糖中則具有有限的調節子。

Rgg系統並非孤立運行，而是看起來形成了一個連接的網絡。因此，為了最大程度地誘導SHP144和SHP939，需要存在非同源Rgg調節劑。此外，Rgg1518控制其鄰近基因座（SPD_1513–1517），這些基因也受Rgg144和Rgg939調控。這種串擾可能會超出物種的範圍。  SHP939的序列與化膿性鏈球菌中發現的SHP3的序列相同，無乳鏈球菌和米氏鏈球菌中的SHP序列相差1個殘基。SHP序列的相似性可能使肺炎鏈球菌Rgg系統受到其他常駐細菌的影響。

類似於TprA / PhrA，PhrA2與TprA2相互作用，導致TprA2調節子的阻遏並誘導緊靠下遊的羊毛硫氨酸肽（LcpA）的表達。有證據表明TprA2 / PhrA2與TprA / PhrA系統之間存在單向串擾（圖3）。

圖3 如PhrA和PhrA2所示的肽串擾示例

觀點與結論

肺炎鏈球菌所編碼肽的多樣性凸顯了群落水平表型在引入遺傳多樣性、微生物競爭和環境適應方面的重要性。一些研究證實了細胞間通訊在肺炎鏈球菌毒力中的作用。需要更多的研究來繪製這些系統在感染過程中的時空表達。

上呼吸道是許多細菌物種的常住棲息地。為了在宿主環境中立足，肺炎鏈球菌細胞必須在競爭中生存並抵抗住其他寄居物種的挑戰。肺炎鏈球菌產生大量的肽，直接或間接地通過激活下遊分子（例如，由CSP激活CibAB或CbpD）介導殺菌活性。雖然其中一些細菌素已被鑑定，但許多假定細菌素有待功能鑑定，尤其是在目標菌株/物種和刺激其合成的環境條件下。

多種肺炎鏈球菌肽與生物膜形成有關，包括CSP、BriC和VP1。生物膜在運輸和疾病中起著關鍵作用。載體包括一種生物膜生長模式，它本身能夠實現局部細胞-細胞通訊（通過肽和AI-2）和吸收生物膜基質中提供的DNA。

此外，生物膜為表型異質性提供了一個平臺，這是一個未被充分研究的課題，可能有助於肺炎鏈球菌適應慢性感染和適應宿主生態位。生物膜促進發病。它們不僅是細菌傳播的場所，而且從生物膜中傳播的細菌比它們的生物膜或浮遊生物具有更強的毒性。

綜上所述，肺炎鏈球菌信號肽和生物膜緊密相連：生物膜中的局部環境可能促進細胞-細胞通訊的條件，而肽會影響生物膜的發育和向其他組織和新宿主的擴散。

肽對調控網絡的控制使肺炎鏈球菌不僅在單個細胞水平上，而且在整個群體水平上對其環境作出快速反應。系統間的串擾和由多個肽對一條通路的調節使不同的信號得以整合，可能會增加反應的動態性和複雜性。研究表明，多鏈肺炎鏈球菌共定植是一種相對常見的現象，突出了跨菌株肽交換的重要性。PhrA2和PhrA存在串擾（圖3）。

來自同一家族或不同家族的肽可以在同一途徑中發出信號。例如，通過CSP的信號轉導可誘導多個雙甘氨酸蛋白，而SHP144誘導VP1（一種雙甘氨酸肽）的水平。這種肽激活的層次結構描述了生物途徑激活的多個入口點的存在。這表明這些途徑的激活是嚴格控制的，代表了相關但不同的可能性。

一種可能性是，不同的信號組合允許誘導整個通路或通路的一部分，提供與反應相關的類型、幅度和代謝成本的粒度。或者，當遇到合適的條件時，細胞可以激活肽信號，為誘導下遊通路做好準備。

抗生素耐藥性是一個全球性的公共衛生問題，因此迫切需要開發有效的抗感染藥物。非抗生素抗感染藥物有望減少抗生素耐藥性的出現。開發破壞細胞-細胞通訊的化合物的不同策略包括抑制信號產生、信號降解或阻斷信號轉導。在化膿鏈球菌和其他一些鏈球菌中，化合物的使用會破壞Rgg/SHP信號傳導，從而破壞生物膜的形成。在肺炎鏈球菌中，使用競爭性類似物可以抑制能力發展和水平基因轉移。此外，以可溶性LMIP形式靶向PhrA肽的抗感染藥物可降低肺炎鏈球菌介導的小鼠發病率。不同的抗感染藥物是如何影響細菌適應度和促進耐藥性發展的，還有待檢驗。肺炎鏈球菌細胞間通訊系統的多樣性為探索不同的可能性提供了許多機會。對肺炎鏈球菌群體水平表型的研究為開發新的抗感染靶向肽介導系統以及這些系統調控的途徑提供了機會。

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