λ噬菌体溶源途径和裂解途径的基因调控.doc

λλ 噬菌体溶源途径和裂解途径的基因调控噬菌体溶源途径和裂解途径的基因调控摘要摘要 λ 噬菌体侵染细胞后，大多数情况下进入裂解循环，λDNA 复制，产生较多的噬菌体粒子 而在以对数期以后的细菌和培养在缺乏碳源物质的培养基中的细菌作为寄主时进入溶源化 途径，只有与溶源化有关的少数基因如 cI 才被表达另外溶源性细菌受到 UV 照射等因子诱 导时，原噬菌体可以脱离细菌染色体而进行自我复制，最终导致细菌裂解，游离出大量噬菌 体噬菌体是进入裂解循环还是整合到寄主染色体上形成溶源态，这主要取决于 CI 蛋白和 Cro 蛋白的合成及它们的调控作用关关键词键词λ 噬菌体，溶源化，裂解，基因调控，CⅠ蛋白，Cro 蛋白一．一．λλ 噬菌体基因组和调控区噬菌体基因组和调控区λDNA 分子总长度为 48.5kb，编码 66 个基因（如下图所示） ，可分为三个区域：1. 左臂区，自基因 A 到基因 J，包括参与噬菌体头部蛋白质和尾部蛋白质合成所必需的全部 基因2.中间区，介于基因 J 和基因 N 之间，这个区又称为非必需区，包含了与重组有关 的基因（如基因 gam）以及使噬菌体整合到大肠杆菌染色体中去的 int 基因和把原噬菌体从 寄主染色体上切除下来的 xis 基因。

3.右臂区，位于 N 基因的右侧，包括全部主要的调控 基因（cⅠ，cⅡ和cro）,噬菌体的复制基因（O 和 P）以及溶菌基因（S 和 R） 二．二．λλ 噬菌体转录调控噬菌体转录调控λ 噬菌体的调控有多种形式，有正调节、负调节、自主性的反馈调节、抗终止调节、反义 调节及反向调节等λ 噬菌体基因组中与调控有关的基因或位点集中在 cⅡ 和 cⅢ 之间,这一 区域称为调控区调控区内共有四个启动子：右向启动子 PR，左向启动子 PL 和另外两个左向 转录的启动子 PRE和 PRM左向和右向操纵基因 OL和 OR各由大约 80 个碱基对组成，每个操纵基 因有三个结合位点，分别称为 OL1，OL2，OL3 和 OR1， OR2， OR(如下图所示)每一位点都有 17 个碱基对，3 个位点的碱基顺序相似但不相同CⅠ阻遏蛋白和 Cro 蛋白都能与操纵基因 OL和 OR结合λ 噬菌体主要的调节元件及调节基因产物的功能调节元件或调节基因产物及功能PL,OL, PR,OR左右向转录的启动子和操纵子tR (1,2,3,4,5)右向转录的终止子tL(1,2)左向转录的终止子PRE CⅠ蛋白建立启动子，受 CⅡ蛋白调控PIint基因启动子，受 CⅡ蛋白调控Pa 蛋白反义 RNA 启动子，受 CⅡ蛋白调控PRMCⅠ蛋白基因维持启动子，受 CⅠ浓度调控PR′晚期转录的启动子nutnutL, , nutnutRN 蛋白左右两个反终止结合位点qutQ 蛋白反终止结合位点croPL和PR的阻遏蛋白，并可阻遏 PE，抑制 CI 表达cIPL 和PR 的主要的阻遏物，并可自主调控PRMcⅡ可以启动PRE 、PI 和PAQ，使 λ 进入溶原化途径cⅢ和 CⅡ组成复合物，启动PE产生cⅠ及cro的反义 RNANtR1, tR2及tL1的反终止蛋白QtR4的反终止蛋白. O, PDNA 复制所需的蛋白S, R, R2裂解宿主所需的裂解酶int整合酶，使 λ 整合到宿主的染色体中xis切除酶，帮助 λ 在att位点和宿主连接bet, exo重组蛋白，帮助 λ 和宿主进行重组W, B, N u3, C, D, E, FⅠ, FⅡ,Z头部蛋白基因U, V, G, T, H, M, L, K, I, J尾部蛋白基因cos (cohesive)12bp 的回文序列，由线状连接成环状的连接点，A 蛋白切割位点A末端酶，识别cos位点，包装时将环连体切成单个的基因组在 λ 噬菌体发育中有两个可调控阶段，溶原化周期和裂解周期，而这两个周期是相互连系 的。

当 λDNA 进入新的宿主细胞时裂解和溶原化的途径并存早早期和晚早期的基因都需要表 达然后就要分化了：若晚期基因得到表达那么就向裂解途径发育；若阻遏物 CI 蛋白合成被建 立了，那么就要进入溶原化途径在调节基因中，有早早期基因 N 与 cro它们是由不同的模 板继转录的，N 向左，cro 向右，N 反终止蛋白的存在使转录持续向前（穿过终止子）进入重组 基因区；向右进入复制基因区以后，DNA 末端相互连接形成了一个环状的 DNA晚期基因是作为 单个的转录单位表达的，从位于 Q 和 S 之间的启动子 PR′开始，此启动子是连续使用的但当 Q 蛋白缺乏时，晚期转录终止在 tR3 位点，产生了长 194b 的转录本，称为 6S RNA当 Q 蛋白 存在时，它阻遏了 tR3 的终止和 6S RNA 的表达，结果晚期基因得到表达了晚期的反终止的作 用与 N 蛋白的反终止作用是相似的pQ 作用的 qut 正好位于晚期启动子的下游，RNA 聚通过此 处时，pQ 与其作用消除了终止晚期基因的转录并不在任何特殊位点终止，它转录所有的晚期 基因，进入这些基因以外的区域左边的晚早期转录与此相似，持续穿过重组基因区。

每一方 向的转录都有可能在聚合酶闯入另一区域时而终止λ 噬菌体从早期基因表达转换到下一期基因表达采用了一个完全不同的控制机制——反终 止作用早期基因是与下一期的基因相连接的但二者之间有一个终止子位点若终止作用在 这个位点被阻止的话，那么 RNA 聚合酶就可以通读而进入另一基因这样在反终止作用中，相 同的启动子可以继续被 RNA 聚合酶所识别因此新的基因是通过 RNA 的延续，形成一个长的 RNA 链而得到表达的，在这种的 RNA 中，5′端是早期基因的序列，3′端是下一期基因的序列 由于这两种序列彼此连接在一起，早期基因的表达必然是继续的宿主的 RNA 聚合酶起始转录 两个早早期基因，下一期基因的转录表达是由早期基因末端的终止子控制的结果晚早期基因 也得到了表达控制从早早期基因转换为晚早期基因表达的调节基因是 N，此是通过 N 基因的 突变鉴别出来的N 基因只能在早早期转录，它的作用不进一步地进入感染循环pQ 是噬菌体 在感染晚期的抗终止蛋白qut 序列是 pQ 作用所需要的，它位于晚期转录单位的起始处qut 的上游部分位于启动中下游部分位于转录区的起始处，这意味着 pQ 的作用涉及到 DNA 的识别。

pQ 的基本作用是干扰停顿，一旦 pQ 作用在 RNA 聚合酶上，这个酶就明显地在所有位点减少停 顿，包括在 ρ 依赖性终止位点和内部终止位点所以 pQ 并不直接地作用终止子本身，但它可 以使酶急速地通过终止子这样就消除了核心酶或附加因子产生终止的机会三．三．CⅠⅠ蛋白与蛋白与 Cro 蛋白蛋白CⅠ基因编码阻遏蛋白，此基因突变则不能建立溶源性而是进入裂解循环CⅠ基因从 PRM启动子转录CⅠ阻遏蛋白是由 236 个氨基酸组成的多肽，它有两个不同的结构域，一 个是 N 末端结构域，它提供与操纵基因结合的位点；另一个是 C 末端结构域，其功能是负 责二聚体的形成（阻遏蛋白只有二聚体形式能结合 DNA） CⅠ阻遏蛋白可独立结合在 OL 和 OR操纵基因上，结合在 OL有负调控功能，结合在 OR上有正调控和负调控功能在每个 操纵基因上，位点 1 对 CⅠ阻遏蛋白比其他位点有更大的亲和力，所以 CⅠ阻遏蛋白总是首先结合 OL1 和 OR1阻遏蛋白与位点 1 结合大大增加第二个 CⅠ二聚体蛋白与位点 2 的亲 和力在一个溶源菌通常的阻遏蛋白浓度下，每个操纵基因上的位点 1 和位点 2 被占据后， 不再占据位点 3.由于 OL1 和 OR1 或多或少分别与 PR 和 PL的 RNA 聚合酶结合位点中心重叠， 因此 CⅠ蛋白结合 OL1- OL2 和 OR1 -OR2，从物理上阻止 RNA 聚合酶接近相应的启动子，从 而关闭了从 PL和 PR启动子开始的转录作用，则整个左向早期转录的表达被阻止（负调控） ， 右向转录的 Cro 和复制蛋白基因 O 和 P 也不能表达（负调控） ，因此裂解循环被阻止。

另 外，阻遏蛋白结合在 OR后还有另一种功能，即 CⅠ二聚体结合 OR2 后，促进 RNA 聚合酶结 合 PRMQ启动子，因此阻遏蛋白有激活自身（CⅠ）转录的作用（正调控）Cro 基因编码另一个阻遏蛋白Cro 蛋白的作用是阻止更多的 CⅠ阻遏蛋白的合成，它 通过与操纵基因结合而起作用Cro 蛋白分子很小，由 66 个氨基酸残基组成，形成一个小 的二聚体Cro 蛋白像 CⅠ阻遏蛋白那样具有结合同样操纵基因的功能，并对称结合操纵 基因Cro 蛋白对位点 3 的亲和力大于位点 1 和 2，因此 Cro 蛋白首先结合 OL3 和 OR3，然 后 Cro 蛋白再结合 OR1， OR2 和 OL1，OL2Cro 与 OR3 结合，阻止了 CⅠ阻遏蛋白与 OR2 的 结合，从而抑制 CⅠ阻遏蛋白自身从 PRMQ启动子的转录Cro 蛋白与 OL和 OR的结合，也抑 制早期基因从 PR和 PL转录（如下图）在溶源状态下，当寄主受到紫外线照射或其他因子的作用而使 DNA 受到损伤时，寄主 就会对损伤的 DNA 进行修复，从而积累 RecA 蛋白RecA 蛋白与 λ 的 CⅠ阻遏蛋白结合，引起 CⅠ蛋白发生自我切割，切割使 CⅠ蛋白中形成二聚体的 C-末端结构域与 N-末端 DNA 区域相互分离，阻遏蛋白失去作用，PR和 PL启动子就开始转录。

从 PL 转录的基因包 括int和xis噬菌体侵染后只生成 Int，参与噬菌体 DNA 的整合；而诱导后，能形成 Int 和 XisλDNA 的切割需要 Int 和 Xis 两种蛋白λDNA 的整合是通过 λ 噬菌体 attP 与 大肠杆菌 attB 位点之间的重组；λDNA 的切割是通过位于原噬菌体 DNA 和细菌 DNA 接 合处的杂合序列 attB-attB 之间的重组，attB-attB 既不同于 attB,又不同于 attP，因此需要 Int 和 Xis 两种蛋白，才能进行 λDNA 的切割当 Int 和 Xis 将 λDNA 从寄主染色体上 进行切割时，O 和 P 基因也从 PR启动子进行转录O 和 P 蛋白促进切割的 λDNA 进行复 制，阻遏物浓度降低，噬菌体进入裂解循环总之，CⅠ阻遏蛋白和 Cro 蛋白相互拮抗： Cro 蛋白阻止（间接）cⅠ转录，从而阻止 建立溶源性；CⅠ阻遏蛋白阻止早期基因转录，因此关闭 Cro 蛋白的合成这两个蛋白之 间的拮抗中心是解决溶源和裂解发育之间的平衡主要参考文献：主要参考文献： 1. 戴灼华，王亚馥，粟翼玟.《遗传学》 （第二版）. 高等教育出版社 2. 盛祖嘉.《微生物遗传学》.科学出版社 3．莽克强.《基础病毒学》.化学工业出版社 4. 上海交通大学遗传学教研室.《噬菌体的裂解途径和溶原化途径的选择和调控》 5. 谢天恩.《基础病毒学》.科学出版社 6．James D. Watson ,Tania A. Baker ,Stephen P. Bell.《molecular biology of the gene》5th ed.。