第12回nodaiweb.university.jp/chemistry/files/ecology-12.pdfQuorum sensing 根粒菌Rhizobium leguminosarum 元はとして単離されていた → フェロモン O CO2Et (S)-34

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クオラムセンシング

第12回　微生物ー微生物


☆クオラムセンシング (quorum sensing)quorum: 定足数、閾値

細菌が自らの　　　　　　し、菌密度に応じた遺伝子発現を行うメカニズムのこと

→　　　　　　の利用autoinducer, autoregulator,quorum-sensing pheromone, quormone

引き起こされる現象生物発光、色素・抗生物質等の生産、バイオフィルムの形成、コンピテンスの獲得

どうやって　　　を知るのか？


細胞膜

各種遺伝子転写

フェロモン受容体

フェロモン細菌

遺伝子発現した細菌

フェロモン生合成酵素


○非特異的フェロモン (AI-2)

発見の経緯 Nealson (1970)Vibrio harveyi

（海洋性発光細菌）海洋性発光細菌V. harveyiは、普段発光しないのにイカ等に寄生して　　　　　　　　　　　　　するluciferin + ATP → luciferyl adenylate + PPi

luciferyl adenylate + O2 → oxyluciferin + AMP +luciferase

菌濃度に応じてルシフェラーゼ関連遺伝子が発現

N

NN

N

NH2

O

OHOH

S

HOOC NH2

S-adenosylmethionine

N

NN

N

NH2

O

OHOH

S

HOOC NH2

S-adenosylhomocysteine

methyltransferasesOH

O

OHOH

S

HOOC NH2

S-ribosylhomocysteine

Pfs LuxSOH O

OOH

AI-2

adenine homocystein


○V. cholerae, Photobacterium phosphoreumの培養上清がV. harveyiの発光を引き起こす○AI-2の　　　　　　がグラム陰性、陽性を問わず広く存在する→　　　　　　　　フェロモンでは？生合成経路の解明

中間体は解明されたがAI-2の構造は不明だった

OH O

OOH

AI-2

O

O

HO

OH

OHO

OB

O

HO

OHHO

pro-AI-2


○AI-2の構造決定 Chen (2002)

LuxP-AI-2複合体のX-線構造解析

水素結合

O

OHO

OH

(open form)

O

OH

HOS-DHMF

O

(S)(S)

(S)(S)

OHHO

HOHO

O

S-THMF(hydrated form)

O

OB

O

HOHO

OHHO

AI-2

OOH

HOR-DHMF

O

(R)(R)

(S)(S)

HOOH

HOHO

O

R-THMF(hydrated form)

H2O

H2O

B(OH)3

DPD


○AI-2は本当に多種間共通のフェロモンなのか？

Salmonella typhimurium

AI-2の　　　　　　　は７０種以上のグラム陰性、陽性細菌から見いだされている

Miller (2004)

O

O

NH

O

R


○グラム陰性細菌のフェロモン(1)

acylhomoserine lactone (AHL)

O

O

NH

OO

O

NH

OOO

O

NH

OO

VAI-1 PAI-2 PAI-1

NH

O

OH

PQS

N

NH

O

O

OHHN

NH

O

O

V. harveyiPhotobacterium fischeri

Pseudomonas aeruginosa

O

O

NH

O

HO

Rhodopseudomonas palustrisS

NCHO

OH

IQS


○グラム陰性細菌のフェロモン(2)O

OOH

Ralstonia solanacearum AW1

O

OOH

Ralstonia solanacearum OE1-1

O

O

NH

OOH


N2

Nodule

FlavonoidsNod factor

Rhizobia

NH3

Root

Photosynthesis

Nitrogenase

Bacteroids

AHLs

1011 cells/ml

Quorum sensing

○根粒菌Rhizobium leguminosarum

元は　　　　　　　として単離されていた→　　　　　　　　　　フェロモン

OCO2Et

(S)-34OH

OH O

O

ONH

OOH

(2S,3'R)-33

O

ONH

OOH

(2R,3'R)-33

O

OH3NBr–

(S)-37

O

OH3NCl–

(R)-3836 EDC, HOBt

Et3N, THF

36

CHO

N S

SO (S)-40

N S

SOOH41a

N S

SOOH41b

O

ONH

OOH

(2S,3'S)-33

O

ONH

OOH

(2R,3'S)-33

+

39

(S)-40, TiCl4, iPr2NEtCH2Cl2, 0 °C

(S)-37, Et3N (R)-38, Et3N

5 : 1

(S)-37

(R)-38


○smallの合成と立体化学ー生物活性相関


○コレラ菌Vibrio cholerae

マスター転写因子

レセプター

高細胞密度：LuxOが不活性化されHapRが作られる低細胞密度：HapRが作られず、病原性発現、バイオフィルム形成

→病原因子、バイオフィルム形成遺伝子の抑制、蛍光を発する

N

NN

NNH2

O

OHOH

SHOOC

NH2

CoAS

O

O DK-CAI-1

O

O

Ea-CAI-1NH2

Spontaneously?O

OH CAI-1

VC1059

NADPH

PLP, CqsA

SAM

O

OB

O

HOHO

OHHO

AI-2 (1)

OHO

OHOH

SHOOC

NH2

S-ribosylhomocysteine

O

OHO

OHLuxS ?

SAM

DPD

S

OOACP

NH

OOO

OAHLsLuxI, LuxM

N

NN

NNH2

O

OHOH

SHOOC

NH2

SAM


○SAMは共通生合成中間体である

O

OO

HO

A-factorStreptomyces griseus

EMRLSKFFRDFILQRKK

Streptococcus pneumoniae

competence-stimulating peptide

ARNQT

PhrA

YSTCDFIM

OS

AIP-1Staphylococcus aureus

QNSPNIFGQWMO

OGBAP

Enterococcus faecalis

HN

N

O

HN

COOH

NH

CONH2

COOH

H

O

NH

OHN

O

H2N

O

ComXRO-E-2 pheromone

Bacillus subtilis


○グラム陽性細菌のフェロモン

胞子形成

コンピテンス獲得

病原性獲得病原性獲得

胞子形成

Lactococcus lactis

nisin A

バクテリオシン生産

コンピテンス獲得

菌糸体→出芽酵母

cf.

HN

N

O

HN

H

O

HN

HN

O

HN

O


○ComXフェロモンの生合成と作用機構

細胞膜

ComP

spo0K

Phr

ComA ComA-P

ComX

pro-ComX

comX

ComS

ComQ

RapC

CSF

抑制

P

srfAP

comK

リン酸化

脱リン酸化転写を促進

形質転換に必要な遺伝子

ERGMT

ネガティブレギュレーター

CSFはRapCを介してsrfAオペロンの発現を促進

転写を促進


○Surfactinはフェロモン？

B. subtilisバイオフィルム形成

Surfactin

surfactinのレセプターがあるわけではない

NH

OO

OH

O

O OH

BrBr

from Delisea pulchra

O

O

NH

O

ROH

O

NH

O

R

OHAHL-lactonase


○クオラムセンシング阻害剤病原性の獲得：クオラムセンシングによるクオラムセンシングを阻害することで、

AHLの分解

AHLの競合阻害剤

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