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龋病相关细菌的细菌素

发布时间:2011/11/28 16:54:40

【摘要】细菌素是由某些细菌在代谢过程中通过核糖体合成机制产生的一类具有生物活性的蛋白质、多肽或前体多肽。龋病相关细菌产生的细菌素可能与细菌的定植、黏附等致龋性有关。本文介绍龋病相关细菌产生的细菌素,重点介绍变链素、乳杆菌素和血链素等的研究进展。

【关键词】细菌素;龋病相关细菌;研究进展

生态学理论认为,与龋病发生相关的细菌都是口腔常驻微生物。在生理状态下,细菌之间、宿主与细菌之间处于动态平衡,不发生疾病。当口腔生态平衡转化为生态失调,口腔细菌的生理性组合被打破,正常细菌就转化为条件致病菌引起龋病。细菌素是影响细菌间相互作用的重要因素之一,是口腔生态系的重要调节因子,在龋病的发生发展过程中有重要作用。本文就龋病相关细菌产生的细菌素的研究现状作一综述。

1、细菌素的定义、分类及作用机制

1925年Gratia发现的1株大肠杆菌产生的大肠杆菌素(colicine),对其他大肠杆菌有明显的抗菌活性。1953年,Jocob等对由细菌产生的,对同源细菌具有高度专一性的抗菌蛋白物质统称为细菌素(bacteriocin)。细菌素是由某些细菌在代谢过程中通过核糖体合成机制产生的一类具有生物活性的蛋白质、多肽或前体多肽。细菌素的产生由质粒控制,可以附着于特异的受体,通过特定的杀菌方式杀灭或抑制与之有相同或相似环境的其他微生物。所有产生细菌素的细菌都存在着特异性免疫基因,所产生的细菌素不会对产生菌本身造成伤害。对于某些细菌产生的非确定性的蛋白类抗菌物质,常用类细菌素(bacteriocin-like)的说法来代替,在这里也统称为细菌素。细菌素既不同于由多酶机制合成的肽类抗生素,也不是对产生菌有致死作用的自杀蛋白。

依据翻译后的修饰过程不同,革兰阳性菌产生的细菌素可分为2类:第1类是翻译后经过修饰的细菌素,因分子中含有羊毛硫氨酸的结构,故被称为羊毛硫型细菌素(lantibiotic)。羊毛硫型细菌素的靶器官是细菌的细胞膜,在一定膜电位的存在下,吸附于感受菌的细胞膜上。然后侵入膜内形成通透孔道,因此有人认为羊毛硫型细菌素属于孔道形成蛋白,可允许相对分子质量为0.05×104的亲水溶液通过,导致K+从胞浆中流出,细胞膜去极化及ATP泄露,细胞外水分子流入,细胞自溶而死亡。因其作用需膜电位的存在,故又称为能量依赖型细菌素。第2类是翻译后不被修饰的细菌素,称为非羊毛硫型细菌素(unlantibi-otic)。非羊毛硫型细菌素也是在细胞膜上形成1个亲水孔道,经细胞膜上特定的受体蛋白介导,但与膜电位无关。该类细菌素又被称为非能量依赖型细菌素。与羊毛硫型细菌素相比,非羊毛硫型细菌素的作用主要是破坏膜功能的稳定性,而不是破坏膜结构的完整性。

2、变链素

变异链球菌(Streptococcusmutans,S.mutans)产生的细菌素叫变链素。目前已有多种变链素被分离、纯化,并完成氨基酸序列分析和基因序列分析。变异链球菌是龋病的主要相关菌,对变链素的研究可为进一步了解变异链球菌与口腔微生态的关系,为龋病的生态防治提供理论依据。

变链素具有较宽的抗菌谱且不同变链菌株产生的变链素的抗菌谱不同。变链素的活性与变异链球菌的菌株种类及发育谱系有关。Balakrishnan等对来自新西兰、北美和欧洲的16株有较强产变链素活性的变异链球菌进行研究,依据其对同类菌株和指示菌株的延迟对抗试验活性不同,将其分为A,B,C,D4个种类。他们的研究表明,变链素不同的活性与变异链球菌不同的发育谱系有关。Longo等在龋活跃儿童和无龋儿童中分离了19株变异链球菌,发现这些菌株产生的细菌素的抑菌谱明显不同,其抑菌谱与患龋状况或链球菌感染水平无关。Kamiya等从患龋者和无龋者分离出319株变异链球菌,分析显示两组人群分离出的菌株所产生的变链素种类和抑菌谱有明显差异,同种变异链球菌基因型有不同的变链素产生谱,表现出高度的种群间变异。Kamiya等发现一些变异链球菌产生的变链素具有宽的抗菌谱,能抑制对普通抗生素有耐药性的细菌,如金黄色葡萄球菌﹑表皮葡萄球菌﹑粪肠球菌和化脓性链球菌。李颂等对变异链球菌变链素粗提物活性的初步研究发现,10mL液体的粗提物,可形成直径19mm的抑菌环,表明粗提物具有抗菌活性。将粗提物加热到80℃,抗菌活性可维持120min,表明其中含有热稳定性抗菌物质。变链素的粗提物能反映变链素的活性和性质,适合于大量临床株的研究。由于变链素具有广谱抑菌和低作用浓度的特点,促使它有可能成为抗菌剂,特别是某些耐药抗生素的替换剂。

研究表明,变链素活性与变异链球菌基因多态性有关。在任意引物聚合酶链式反应(arbitra-rilyprimedpolymerasechainreaction,AP-PCR)基因分型的基础上,选择来自单基因型定植的个体和多基因型共同定植的个体的变异链球菌各50株,分别作为单基因型组和多基因型组进行研究。结果发现,变链素抑菌环和抑菌谱在不同个体之间有差异。Kamiya等用聚合酶链式反应(polymerasechainreaction,PCR)和半定量逆转录聚合酶链式反应的方法检测了编码变链素Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ的基因出现频率和表达情况,发现产变链素基因具有高度的表型多样性,bsm基因表达频率高于变链素基因Ⅰ~Ⅳ,体现了一个宽广的编码抗微生物肽的遗传性状能在不同的制品中起作用。

CSP信号系统所决定的密度感应系统对变链素产生起一定调控作用。Wang等发现该系统由com基因编码,介导了变异链球菌GS5和BM71的变链素的产生,口腔其他链球菌的相互作用也干扰生物膜状态下的变异链球菌产生变链素,口腔细菌抑制变链素产生在生物膜状态下表现更明显。他们还利用转座子Tn196诱发突变发现,challisin格氏链球菌的sgc基因是抑制变链素产生的重要原因。Kreth等采用荧光素酶融合(lucife-rasefusions)及实时逆转录聚合酶链反应的方法发现,高细胞密度和comED系统可调节变链素和类变链素基因,在高细胞密度或者加入外源性CSP的情况下,基因表达增加,细胞密度和CSP依赖基因的表达都需要comE反应调节因子的参与。变链素Ⅰ的产生对多种输入信号敏感,可诱导抑制物irvA可能存在于LUXS介导的变链素Ⅰ基因的调节路径中,这些输入信号分为irvA依赖途径和irvA非依赖途径

1998年Gronroos等发现在母子间传播的变异链球菌产生的变链素的活性强于非传播菌株变链素的活性。有学者进一步研究表明,携带mutAⅠ基因的变异链球菌株都是非传播菌株,对mutAⅡ和mutAⅢ的低检出率表明产生变链素样物质所需的遗传性状具有高度的异质性

3、乳杆菌素

乳杆菌(Lactobacillus)也是重要的龋病相关菌,与龋病的严重程度有关,它产生的细菌素统称乳杆菌素。现在已发现了多种乳杆菌的细菌素,但它们的作用方式、相对分子质量及生化特性不尽相同,抑菌范围也不一样。大多数学者研究认为,乳杆菌素抑菌谱较广,但也有学者却得出乳杆菌所产生的细菌素其抑菌范围较窄,一般只对亲缘关系较近的其他乳杆菌有抑制作用的结论。Smith等对93例患龋者的菌斑和唾液进行研究共得到104株分离株,其中乳杆菌65株占62.5%。他们测试了分离得到的所有乳杆菌产生的细菌素对大肠杆菌属﹑沙门氏菌属﹑志贺菌属﹑克雷伯菌属及弯曲杆菌属细菌的作用,发现除丙酸杆菌外其他乳酸菌产生的细菌素至少能抑制1种指示菌。嗜酸乳杆菌(Lactobacillusacidophilus,L.aci-dophilus)与龋病的关系最为密切。迄今为止已经发现很多不同种类的嗜酸乳杆菌的细菌素。Chum-chalova等对嗜酸乳杆菌CH5产生的细菌素aci-docin5进行鉴定和提纯,证明了该细菌素属于有相同N末端序列的Ⅱ类细菌素,但与其他有同源性的嗜酸乳杆菌产生的细菌素不同,它有较宽的抗菌谱。Han等对嗜酸乳杆菌GP1B产生的细菌素也进行了提纯和鉴定,发现其细菌素acidocin1B具有热稳定性,其相对分子质量为0.421465×104,质粒疗法结果显示,质粒PLA1B与acidocin1B的产生及宿主的免疫有关,并且该质粒可以通过电穿孔的方法转移到嗜酸乳杆菌ATCC43121的感受态细胞中。Deraz等[17]研究嗜酸乳杆菌DSM20079产生的细菌素acidocin20079的物理化学性质,确定了该细菌素的部分肽段序列和二级结构。该细菌素含有高的甘氨酸残基、疏水性残基和酸性残基,未发现修饰过的氨基酸,对该肽段的Edman降解和C末端测序失败表明,该肽段可能是循环的,其二级结构中2.13%的残基是α-螺旋,23.27%为β-折叠构象。他们对该细菌素作用方式的进一步研究发现,acidocin20079的活性是伴有细胞溶解的杀菌作用⒄⒅。嗜酸乳杆菌的细菌素LactacinB的产生是由包含在12个基因中的操纵子控制的,这些基因有一个共同的转录产物。LBA1800是该细菌素产生的引导肽

4、血链素

血链球菌(Streptococcussanguis,S.sanguis)是最早定植于口腔的细菌之一,对于其他细菌在口腔的黏附、定植具有重要的生物学作用。研究显示,变异链球菌与血链球菌为了竞争牙面生态位点存在着相互拮抗关系,而这种拮抗关系与其细菌素及细菌素样物质有关。近年来,学者们对血链球菌产生的血链素的分离纯化﹑抑菌活性﹑抑菌机理等方面都进行了深入的研究,研究主要集中在与牙周病的关系及防治方面。他们认为血链球菌产生的细菌素对牙周可疑致病菌具有较强的拮抗作用,而血链素在龋病发生发展及防治中的作用认识有限。Kaewsrichan等研究发现,血链球菌10556产生的新的抗菌蛋白可能用于治疗和预防龋病。

5、其他龋病相关菌的细菌素

一些肠道细菌特别是乳杆菌和双歧杆菌可在抑制链球菌的致龋能力方面发挥着有益作用,然而关于它们在口腔的定植及对口腔生物膜的作用尚待进一步研究[21]。O′Connor等的研究发现,含乳链菌素3147的食物能有效抑制口腔内的变异链球菌。这种抑制作用为乳链菌素3147作为抗龋制剂的发展提供了新的可能性,特别是在为提高口腔健康的功能性食品领域。唾液链球菌K12产生的细菌素可被用作口腔抗微生物的靶标,Horz等用实时定量PCR的方法评估它的分布和保留时间,结果发现,唾液链球菌K12可在长达3周的时间内在口腔黏膜上被检测到,但是8d以后持续降低,当经常反复摄取时,唾液链球菌K12有控制口腔感染的潜力。

6、结束语

近年来,学者们对多种龋病相关细菌产生的细菌素从不同角度进行了广泛而深入的研究,这不仅为研究细菌的相互作用及口腔微生态环境提供了理论依据而且也为龋病生态疗法的研究提供了条件,对探讨龋病的病因及防治龋病有重要意义。细菌素以其安全、高效、无毒副作用和无抗药性等优点已引起广大医疗工作者和医药开发人员的关注,应用前景广阔。

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