クォーラムセンシング

グラム陽性菌は自己誘導ペプチド（AIP）を自己誘導物質として利用する。^{[ 4 ] [ 5 ]}

グラム陽性菌が環境中に高濃度のAIPを感知すると、AIPが受容体に結合してキナーゼを活性化することで反応が起こります。このキナーゼは転写因子をリン酸化し、遺伝子転写を制御します。これは二成分系と呼ばれます。

別の可能性のあるメカニズムとしては、AIPが細胞質に輸送され、転写因子に直接結合して転写を開始または阻害するというものがある。^{[ 5 ]}

グラム陰性細菌は、シグナル伝達分子としてN-アシルホモセリンラクトン（AHL）を産生する。 ^{[ 1 ] [ 5 ]}通常、AHLは追加の処理を必要とせず、転写因子に直接結合して遺伝子発現を調節する。^{[ 22 ]}

グラム陰性菌の中には、二成分系を利用するものもある。^{[ 5 ]}

生物発光細菌Aliivibrio fischeriは、QSが観察された最初の生物である。この細菌は、ハワイボブテイルイカの発光器（または発光器官）内で相利共生生物として生息している。A . fischeri細胞が自由生活（またはプランクトン生活）しているときは、自己誘導物質の濃度が低いため、細胞は発光しない。しかし、発光器内で個体数が閾値（約10）に達すると、発光が始まる。¹¹細胞/ml）では、ルシフェラーゼの転写が誘導され、生物発光が起こる。A . fischeriでは、生物発光は AHLs (N-アシルホモセリンラクトン) によって制御されており、これは LuxI 遺伝子の産物であり、その転写は LuxR 活性化因子によって制御されている。LuxR は、AHLs が LuxR に結合したときにのみ機能する。

Curvibacter sp.は、初期分岐多細胞動物Hydra vulgarisの上皮細胞表面の主要な定着菌であるグラム陰性の湾曲した桿菌です。 ^{[ 23 ] [ 24 ]}完全なゲノムのシーケンス解析により、環状染色体 (4.37 Mb)、プラスミド (16.5 kb)、およびそれぞれ AHL (N-アシルホモセリンラクトン) 合成酵素 ( curI1およびcurI2 ) と AHL 受容体 ( curR1およびcurR2 ) をコードする 2 つのオペロンが明らかになりました。 ^{[ 24 ]}さらに、この宿主関連Curvibacter細菌は広範囲の AHL を産生することが研究で示されており^{、これらのオペロンの存在を説明しています。 [ 24 ]}前述のように、AHL はグラム陰性細菌のクオラムセンシング分子であり、これはCurvibacter がクオラムセンシング活性を持っていることを意味します。

宿主と微生物の相互作用におけるその機能はほとんど不明であるが、Curvibacter のクオラムセンシングシグナルは宿主と微生物の相互作用に関係している。^{[ 24 ]}実際、ヒドラの酸化還元酵素活性により、AHL シグナル分子 (3-オキソホモセリンラクトンから 3-ヒドロキシホモセリンラクトン) が修飾され、異なる宿主と微生物の相互作用につながる。一方では、定着菌Curvibacterの表現型スイッチが起こる。最も可能性の高い説明は、3-オキソ-HSL と 3-ヒドロキシ-HSL の結合により、AHL 受容体curR1とcurR2に異なる構造変化が生じるということである。その結果、異なる DNA 結合モチーフ親和性が生じ、それによって異なる標的遺伝子が活性化される。^{[ 24 ]}他方では、このスイッチにより、Hydra vulgarisの上皮細胞表面への定着能力が変化する。^{[ 24 ]}実際、一つの説明としては、3-オキソ-HSLクオラムセンシングシグナルによって鞭毛形成が上方制御されるということが挙げられます。しかし、鞭毛の主要タンパク質成分であるフラジェリンは免疫調節因子として働き、ヒドラの自然免疫応答を活性化することができます。そのため、細菌が免疫系を回避して宿主組織に定着する機会は少なくなります。^{[ 24 ]}もう一つの説明としては、3-ヒドロキシ-HSLがヒドラの炭素代謝および脂肪酸分解遺伝子を誘導するというものがあります。これにより、細菌の代謝が宿主の成長条件に適応できるようになり、これはヒドラの外胚葉粘液層への定着に不可欠です。^{[ 24 ]}

エンテロコッカス・フェカリスは、ガラス上でバイオフィルムを形成する日和見感染性のグラム陽性細菌である。このプロセスは、試験管内でのバイオフィルム形成としても知られている。特定の細胞表面タンパク質である（Esp）の存在は、 E. faecalisによるバイオフィルム形成を促進する。 ^{[ 25 ]}

E. faecalisのバイオフィルム形成能力は、極限環境下での生存能力に寄与し、特に多剤耐性株の場合、持続的な細菌感染への関与を促進する。^{[ 26 ]} E. faecalisのバイオフィルム形成はDNA放出と関連しており、このような放出はバイオフィルム形成の基本的な側面として浮上している。^{[ 26 ]} E. faecalis における接合型プラスミドDNA 伝達は、ペプチド性フェロモンの放出によって促進される。^{[ 27 ]}

グラム陰性細菌である大腸菌では、細胞分裂はAI-2を介したクオラムセンシングによって部分的に制御されている可能性がある。この種は、lsrオペロンによって産生および処理されるAI-2を利用する。lsrオペロンの一部はABCトランスポーターをコードしており、増殖の初期定常期（潜伏期）にAI-2を細胞内に取り込む。その後、AI-2はLsrKキナーゼによってリン酸化され、新たに生成されたリン酸化AI-2は細胞内に取り込まれるか、lsrオペロンのリプレッサーであるLsrRを抑制するために利用される（これによりオペロンが活性化される）。lsrオペロンの転写は、ジヒドロキシアセトンリン酸（DHAP）がLsrRに競合的に結合することによっても阻害されると考えられている。グリセルアルデヒド3-リン酸も、 cAMP -CAPKを介した阻害によってlsrオペロンを阻害することが示されている。このことから、グルコース存在下で大腸菌を培養すると、AI-2を細胞内に取り込む能力が失われる理由が説明できる（カタボライト抑制のため）。通常の培養条件下では、AI-2の存在は一時的なものである。

大腸菌とサルモネラ菌は、他のグラム陰性菌によく見られるAHLシグナルを産生しません。しかし、他の細菌からのAHLを感知し、他の「クオラムセンシング」集団のグラム陰性菌の存在に応じて遺伝子発現を変化させる受容体を持っています。^{[ 28 ]} AHLクオラムセンシングは、細胞密度を介して幅広い遺伝子を制御します。他の細菌種は、大腸菌とサルモネラ菌が感知できるAHLを産生します。大腸菌とサルモネラ菌は、AHLに類似したアミノ酸配列を示す受容体様タンパク質（SdiA）を産生し、AHLはウシのルーメンに存在し、大腸菌はウシのルーメンから取り出されたAHLに反応します。ほとんどの動物は、消化管にAHLを持っていません。^{[ 29 ]}

サルモネラ菌はLuxRホモログであるSdiAをコードしているが、AHL合成酵素はコードしていない。SdiAは、 Aeromonas hydrophila、 Hafnia alvei、 Yersinia enterocoliticaなどの他の細菌種によって産生されるAHLを検出する。 ^{[ 30 ]} AHLが検出されると、SdiAはサルモネラ菌の病原性プラスミド上のrckオペロン（ pefI-srgD-srgA-srgB-rck-srgC）と染色体上の単一遺伝子水平獲得srgEを制御する。 ^{[ 31 ] [ 32 ]}サルモネラ菌は、いくつかの動物種の消化管を通過する際にAHLを検出しないため、通常の微生物叢はAHLを産生しないことが示唆される。しかし、サルモネラ菌がAeromonas hydrophilaに感染したカメやYersinia enterocoliticaに感染したマウスを通過すると、SdiAが活性化される。 ^{[ 33 ] [ 34 ]}したがって、サルモネラ菌はSdiAを使用して、通常の腸内細菌叢ではなく、他の病原体のAHL産生を検出していると考えられる。

ミクソコッカスは、ミクソコッカス科に属するグラム陰性細菌の属です。特にミクソコッカス・キサンタスは、ミクソコッカス科に属するバチルス属の粘液細菌で、土壌の上層部に生息しています。この細菌は、クオラムセンシングという独自の仕組みを利用して獲物を捕らえることで知られています。

この細菌は、糖ではなく、種によって溶解された高分子の分解によって生成された脂質で生存するという点で独特です。この細菌は、「細胞密度に応じて遺伝子発現が調節される」という密度制御型の捕食方法によって捕食し、栄養を摂取します。 ^{[ 35 ]}ピルスによって推進されるこの微生物は、S運動とA運動（または滑走運動）の両方を使用して移動し、さまざまな表面のダイナミックな範囲を移動します。^{[ 36 ]} M. xanthusのA 運動は、細胞が 1 つまたは少数の場合に最も効果的で、細菌が高濃度の寒天中で滑走することを可能にします。S 運動、または社会的運動は、クオラムセンシングのプロセスによって制御され、細胞が隣接する細胞から 1 細胞長以内にいる場合にのみ効果的です。^{[ 37 ]} M. xanthusのクオラムセンシングのためのコミュニケーション方法の正確な詳細はよく理解されていませんが、この細菌は C シグナルと A 因子の両方を使用してプロセスを仲介します。M . xanthusによって生成される A 因子分子は、狩りのための集合を開始するために一定の濃度に達する必要があります。^{[ 38 ]}一方、C シグナル濃度は子実体の生成に役割を果たします。

この種は、数千個の個々の細胞からなる特別な群れで狩りをするためにクオラムセンシングを使用する能力で知られており、M. xanthus の名前は「オオカミの群れ」に由来しています。M . xanthusは多細胞的な行動をとる傾向があります。多数の細胞が存在する場合、この「オオカミの群れ」を使用して、「表面を滑走する細胞群の触手状の群れ、同期した波打つ振動する細胞、基質から上方に突き出て子実体を形成する巨大な胞子で満たされた凝集体を含む高度に構造化されたバイオフィルム」を形成します。^{[ 39 ] [ 35 ]}このフィルムの端では、個々の細胞が「表面を滑走している」のが観察されますが、大部分の細胞は S 運動性を使用して大きな巻きひげ状のグループで観察されます。^{[ 35 ]}

黄色ブドウ球菌は、皮膚や軟部組織に感染症を引き起こし、骨髄炎、肺炎、心内膜炎など、より重篤な疾患を引き起こす可能性のある病原菌の一種です。黄色ブドウ球菌は、抗生物質に対する耐性を獲得することで生存の可能性を高めるためにバイオフィルムを利用します。バイオフィルムは、黄色ブドウ球菌が形成するバイオフィルムを分解しようとする抗バイオフィルム剤に対して、黄色ブドウ球菌が最大1500倍の耐性を獲得するのに役立ちます。^{[ 40 ]}

ワクチンが利用可能であるにもかかわらず、毎年100 万人以上が肺炎連鎖球菌によって死亡しています。 ^{[ 41 ]}肺炎連鎖球菌では、バクテリオシン産生を制御する複雑なクオラムセンシングシステムが進化しています。このシステムは、自然な遺伝子形質転換に不可欠なコンピテント状態への移行も可能にします。^{[ 42 ]}自然にコンピテントな肺炎連鎖球菌では、コンピテント状態は構成的特性ではありません。しかし、コンピテントは、クオラムセンシング機構を介してペプチドフェロモンによって誘導されることがあります。 ^{[ 43 ]}コンピテント状態が誘導されると、おそらく細胞溶解によって、肺炎連鎖球菌集団のサブフラクションからDNAが放出されます。その後、コンピテント状態に誘導された肺炎連鎖球菌細胞の大部分が受容体となり、ドナーから放出された DNA を取り込みます。^{[ 43 ]}したがって、肺炎球菌における自然形質転換は、遺伝子組換えを促進するための自然な適応プロセスであり、高等生物における有性生殖に似たプロセスであると考えられる。^{[ 43 ]}

環境細菌であり日和見病原菌である緑膿菌^{[ 44 ] [ 45 ]は}、クオラムセンシングを利用して、バイオフィルムの形成、群泳運動、細胞外多糖の産生、病原性、および細胞凝集を調整します。^{[ 46 ]}これらの細菌は、閾値濃度に達するまでは宿主に害を与えることなく宿主内で増殖できます。その後、細菌は攻撃的になり、宿主の免疫系を克服するのに十分な数にまで増殖し、バイオフィルムを形成します。バイオフィルムは細菌集団を包む保護層であるため、宿主内で病気を引き起こします。緑膿菌は比較的容易に増殖、取り扱い、および遺伝子操作ができるため、この比較的一般的な細菌のクオラムセンシング回路に多くの研究努力が注がれてきました。P. aeruginosaのクオラムセンシングは、通常、2 つの完全な AHL 合成酵素-受容体回路、LasI-LasR および RhlI-RhlR と、LasI によって生成されたシグナルによっても活性化されるオーファン受容体調節因子 QscR から構成されます。^{[ 47 ]}まとめて、 P. aeruginosaの複数の AHL クオラムセンシング回路は、数百の遺伝子の調節に影響を与えます。

細菌が周囲の変化に迅速に適応できるようにする遺伝子制御のもう 1 つの形態は、環境シグナル伝達によるものです。最近の研究では、嫌気性がクオラムセンシングの主要な制御回路に大きな影響を与える可能性があることが発見されました。クオラムセンシングと嫌気性の間のこの重要なつながりは、この生物の病原性因子の産生に大きな影響を与えます。^{[ 48 ]}バイオフィルムによって引き起こされる病気を治療する際に、シグナル伝達分子の治療的酵素分解が可能になり、そのようなバイオフィルムの形成を防ぎ、確立されたバイオフィルムを弱めることができる可能性があると、一部の人々の間で期待されています。このようにシグナル伝達プロセスを阻害することは、クオラムセンシング阻害と呼ばれます。^{[ 49 ]}

最近、アシネトバクター属菌もクオラムセンシング活性を示すことがわかった。この細菌は新興病原体であり、AHLを産生する。^{[ 50 ]}アシネトバクター属菌はクオラムセンシング活性とクオラムクエンチング活性の両方を示す。AHLを産生し、AHL分子を分解することもできる。^{[ 50 ]}

この細菌は以前は魚の病原体と考えられていましたが、最近ヒトの病原体として出現しました。^{[ 51 ]} Aeromonas属は、患者のさまざまな感染部位（胆汁、血液、腹水、膿、便、尿）から分離されています。すべての分離株は、2つの主要なAHL、N-ブタノイルホモセリンラクトン（C4-HSL）とN-ヘキサノイルホモセリンラクトン（C6-HSL）を産生しました。Aeromonas sobriaはC6-HSLと、C6よりも長いN-アシル側鎖を持つ2つの追加のAHLを産生することが記録されています。^{[ 52 ]}

ガンマプロテオバクテリアであるエルシニア・エンテロコリチカが産生する YenR および YenI タンパク質は、アリイビブリオ・フィシェリのLuxR および LuxIに類似している。 ^{[ 53 ] [ 54 ]} YenR は、小型非コード RNA YenSの発現を活性化する。YenS は YenI の発現とアシルホモセリンラクトンの産生を阻害する。^{[ 55 ]} YenR/YenI/YenS は、遊泳運動と群泳運動の制御に関与している。^{[ 54 ] [ 55 ]}

V. cholerae は、世界中で何百万人もの人々に影響を与える重度の伝染性下痢を伴う病気であるコレラを引き起こす細菌病原体です。V . cholerae は細胞間で強力なコミュニケーションを行うことができ、このプロセスはクオラムセンシングと呼ばれます。^{[ 56 ] [ 57 ]}小腸では、酸素の欠如と宿主が産生する胆汁酸塩への曝露がV. cholerae のクオラムセンシング機能に影響を与え、その結果、病原性にも影響を及ぼします。^{[ 58 ]}クオラムセンシングは、 V. choleraeの細胞外 DNA が (コンピテント) V. cholerae細胞に取り込まれるプロセスである自然遺伝子形質転換に寄与しているようです。 ^{[ 59 ]}

Vibrio fischeriシステムで定義される「2 遺伝子」（自己誘導物質合成酵素と受容体分子が結合）パラダイムに属するクオラムセンシングシステムの大部分は、グラム陰性菌であるPseudomonadotaに存在します。16Sリボソーム RNA配列によって生成されたPseudomonadota の系統樹と LuxI、LuxR、または LuxS ホモログの系統樹を比較すると、全体的に非常に高いレベルの類似性が示されます。全体として、クオラムセンシング遺伝子は Pseudomonadota 門全体とともに分岐したようです。これは、これらのクオラムセンシングシステムが非常に古く、Pseudomonadota 系統の非常に初期に発生したことを示しています。^{[ 68 ] [ 69 ]}

LuxIとLuxRは、長い歴史の中で水平遺伝子伝達（HGT）イベントを通じて共進化してきた。初期の研究では、これらの遺伝子ツリーをrRNAツリーと整合させることで、LuxIとLuxRの両方で頻繁なHGTイベントが示唆され、機能的依存性のために一緒に水平伝達され、共進化していることが示された。^{[ 68 ]}同様に、 Populus deltoidesに関連する細菌のQSシステムでは、 luxIとluxRの遺伝子ツリーは高いトポロジー類似性を示し、相同ペアの共進化を示している。^{[ 70 ]}完全なLuxI/LuxR型QSシステムの水平伝達に加えて、多くのプロテオバクテリアゲノムは、HGTを介して異なるソースから獲得されたLuxR遺伝子の過剰またはLuxIではなくLuxRのみを持つケースを示している。^{[ 70 ]}機能的な相同遺伝子ペア（すなわち、複数の独立した供給源からの LuxI/LuxR 型システム）の頻繁な伝達により、LuxI/LuxR システムと RhlR-RhlI システムによって形成される制御階層は、複数の相同遺伝子間の相互作用により、異なる供給源から得られた回路の逐次的な統合の結果である可能性がある。^{[ 68 ]}興味深いことに、LuxI 遺伝子は、Nitrospira 系統 II で検出されていることから、プロテオバクテリアから他の系統への水平遺伝子伝達を受けた可能性が高い。^{[ 71 ]}

Pseudomonas aeruginosaやEscherichia coliを含むガンマプロテオバクテリアのクオラムセンシング遺伝子では、LuxI/LuxR 遺伝子が機能的なペアを形成し、LuxI が自己誘導物質合成酵素、LuxR が受容体として機能します。ガンマプロテオバクテリアは、LuxI/LuxR 遺伝子と機能的に類似しているものの、配列が著しく異なるクオラムセンシング遺伝子を持つ点で独特です。^{[ 69 ]}このクオラムセンシング相同遺伝子のファミリーは、ガンマプロテオバクテリアの祖先で発生した可能性がありますが、極端な配列の相違にもかかわらず機能的類似性が維持されている原因はまだ解明されていません。さらに、複数の独立したクオラムセンシングシステムを使用する種はほぼすべてガンマプロテオバクテリアのメンバーであり、クオラムセンシング遺伝子の水平伝達の証拠はこのクラスで最も顕著です。^{[ 68 ] [ 69 ]}

抗菌機能の可能性に加えて、クオラムセンシング由来分子、特にペプチドは、免疫学、中枢神経系疾患、腫瘍学など、他の治療領域での使用についても研究されています。クオラムセンシングペプチドは、癌細胞と相互作用し、血液脳関門を透過して脳実質に到達することが実証されています。^{[ 72 ] [ 73 ] [ 74 ]}

メタン生成古細菌であるMethanosaeta harundinacea 6Acは、短い細胞としての成長から糸状体としての成長への移行を促進するカルボキシル化アシルホモセリンラクトン化合物を生成する。 ^{[ 78 ]}

アリの一種であるTemnothorax albipennisのコロニーは、岩の間の小さな隙間に巣を作ります。岩が動いて巣が壊れると、これらのアリはすぐに新しい巣を選んで移動しなければなりません。意思決定プロセスの最初の段階では、少数の働きアリが破壊された巣を離れ、新しい隙間を探します。これらの偵察アリの 1 匹が潜在的な巣を見つけると、内部の大きさ、開口部の数 (光のレベルに基づく)、死んだアリの有無など、さまざまな要因に基づいて隙間の質を評価します。^{[ 88 ] [ 89 ]}その後、働きアリは破壊された巣に戻り、そこで短時間待機してから、タンデム ランニングと呼ばれるプロセスを使用して、見つけた巣に他の働きアリを勧誘します。待機時間は場所の質に反比例します。たとえば、悪い場所を見つけた働きアリは、良い場所に遭遇した働きアリよりも長く待機します。^{[ 90 ]}新しい働きアリが巣の候補地を訪れ、その質を独自に評価するにつれて、隙間を訪れるアリの数が増加します。この段階では、アリはさまざまな巣の候補地を訪れる可能性があります。しかし、待機期間の違いにより、最も良い巣のアリの数は最も速いペースで増加する傾向があります。最終的に、この巣のアリは、他のアリに遭遇する速度が特定の閾値を超えたことを感知し、定足数に達したことを示します。^{[ 91 ]}アリが定足数を感知すると、破壊された巣に戻り、幼虫、女王アリ、および仲間の働きアリを新しい巣に迅速に運び始めます。他の候補地へタンデムランニングしている偵察アリも新しい巣に採用され、コロニー全体が移動します。このように、個々の働きアリが利用可能なすべての選択肢を訪れて比較したわけではないとしても、定足数感知により、コロニー全体が移動先について迅速に適切な決定を下すことができます。

ミツバチ（Apis mellifera）もまた、新しい巣の場所を決める際にクオラムセンシングを利用します。大規模なコロニーは分蜂と呼ばれるプロセスで繁殖します。このプロセスでは、女王蜂が働き蜂の一部を連れて巣を離れ、別の場所に新しい巣を作ります。巣を離れた働き蜂は、枝や張り出した構造物にぶら下がる群れを形成します。この群れは、新しい巣の場所が選ばれるまで、意思決定の段階で存続します。

ミツバチのクオラムセンシングプロセスは、いくつかの点でテムノソラックスアリの方法と似ています。少数の働きバチが群れを離れて新しい巣の場所を探し、それぞれの働きバチが見つけた巣穴の質を評価します。その後、働きバチは群れに戻り、ミツバチの尻振りダンスを使って他の働きバチを自分の巣穴に集めます。ただし、時間差を用いる代わりに、働きバチが行うダンスの繰り返し回数は場所の質に依存します。質の悪い巣を見つけた働きバチはダンスを早く止めるため、より良い場所に集められる可能性があります。新しい場所を訪れた働きバチがクオラム数（通常10～20匹）に達したことを感知すると、群れに戻り、パイピングと呼ばれる新しい募集方法を使い始めます。この振動信号によって群れは飛び立ち、新しい巣の場所へと向かいます。実験では、この意思決定プロセスにより、ミツバチの群れは5回の試行のうち4回で最適な巣の場所を選択することができました。^{[ 92 ] [ 93 ]}