λ噬菌体的基因调控策略.docx

邂菌体的基因调控策略入噬菌体侵染细菌后，由于PL/0和P/Or上没有阻抑物cI的结合，所以 细菌RNA聚合酶自P和P处开始转录并形成N蛋白和cro蛋白，转录终止于左LR右两侧的第一个启动子tL1和tR1； N蛋白发挥抗终止作用，使得转录越过左右 两个终止子而转录cII和cIII； cII对于cI的产生是必需的，cII导致细菌的 RNA聚合酶识别P启动子而向左转录，从而表达cI； “无中生有”的cl之后启 动正调节回路，戍P开始转录产生更多的cI，cl也结合到0和0，阻止N蛋RM T R白和cro的表达，使入噬菌体维持溶源发育如果早早期基因表达翻译出的Cro蛋白与0R3结合，就能够停止从P 处开始的阻抑物合成；Cro蛋白同时跟01或0 2,以及01或02结合，以下调 基因表达通过停止合成cII和cIII蛋白,导致从P停止合成阻抑物cI；当 不稳定的cII蛋白和cIII蛋白降解时，阻抑物回路就被关闭入噬菌体是一种感染大肠杆菌的温和噬菌体，侵染E.coli后既能进行 复制和造成细菌裂解死亡，又能整合进入 E.coli 基因组并随着宿主基因组进行 复制，进行溶源态生存溶源发育尽管十分稳定，但是仍然可以通过一些损害宿 主细胞的诱导剂使之诱导进入裂解感染。

入噬菌体的裂解发育、溶源发育和溶 源发育到裂解发育的诱导是研究生物分子调节优异的模型经过四十多年的研 究，在这个模型中已经发现了众多的正调节因子和负调节因子在转录水平或转录 后调节基因的表达【Donald L. C. et. al., 2007】I •两种发育途径简介入噬菌体在裂解发育中的繁殖过程为吸附宿主、向宿主注射核酸物质、 基因的复制和蛋白质的表达、宿主细胞的裂解和子代噬菌体的释放（如图 1） 裂解发育通过使噬菌体的基因按照一定的顺序表达而完成，这样就保证了每种成 分在生命周期适宜的时间表达裂解周期可以分为两个主要的阶段：早期感染—从噬菌体 DNA 进入宿主到开始复制的这一段时期，主要合成与 DNA 复制有关的酶类，如参与 DNA 复制、重 组和修饰的酶；晚期感染—从复制开始到最后细胞裂解释放出子代噬菌体颗粒的过程，主要合成 噬 菌体颗粒的蛋白质外壳，由于噬菌体需要许多不同的蛋白质外科组建成衣壳 和尾，因此基因组的绝大部分是用于执行晚期功能的噬菌体基因表达的早期阶段只有少数基因表达，并且严重依赖宿主的转 录机构，例如RNA聚合酶和a因子这些基因被成为早早期基因(immediate early gene)。

第二类基因称为迟早期基因(delayed early gene)裂解周期 受到正调控作用，即每组基因只有受到恰当的信号刺激时才能启动表达因此， 早早期基因的表达编码了迟早期基因的调控蛋白，这种调控蛋白对于迟早期基因 的表达是必需的当噬菌体DNA开始复制时，晚期基因(lategene)开始表达 晚期基因的表达需要早早期或迟早期基因的编码产物作为信号，在入噬菌体中， 这种调控信号是一种抗终止因子因此，裂解性感染通常分为三个时期：第一个时期由宿主RNA聚合酶转 录噬菌体早期的转录调控因子；第二个时期的基因在前一阶段表达的调控因子的 作用下进行转录，此阶段表达的基因大多数为噬菌体复制所必须；第三个时期由 编码噬菌体成分的基因组成，他们能够在第二个时期合成的调控因子的指导下转 录每个时期的基因都含有编码下一套基因表达所必须的转录因子基因，而本时 期的基因表达也必然要受到上一阶段表达的转录因子的调控，这样裂解发育过程 就形成了一种级联反应控制过程在级联反应中，上一阶段编码的转录调控因子对下一阶段的调控作用 有几种不同的机制，调控因子可能是一种新的RNA聚合酶，或者是产生一种新的 a 因子，从而使得 RNA 聚合酶在本阶段识别不同的启动子并与之结合，开启不同的 Figure 1. 噬菌体典型的裂解周期基因转录；调控因子也可以是一种抗终止因子，由于抗终止过程，是的RNA聚合 酶不仅能够转录原来的基因片段，而且能够越过终止子通读随后的序列。

两种机 制的比较如下图Figure 2左图上：由于终止子(terminator)的作用，RNA聚合酶只能转录终 止子之前的基因；左突下：由于早期的转录产生的调控因子产生新的RNA聚合酶 或新的a因子，所以RNA聚合酶能够识别不同的启动子，启动下一时期的基因 表达右图上：RNA聚合酶只能转录终止子前的基因；右图下：由于前期基因表 达的调节因子具有抗终止作用，因此，RNA聚合酶越过终止子通读后期的基因， 造成前期和后期基因的共同表达在入噬菌体中，控制早早期基因向迟早期基因表达的调控因子主要是 通过抗终止子起作用的事实上，当入噬菌体侵入细胞后，裂解和溶源途径是以同样的方式开始的，二者都需要早早期和迟早期基因的表达，之后两种途径产生分歧：若晚期 基因得到表达，则启动裂解过程；若晚期基因受到抑制，则启动溶源发育II. 调控发育途径的分子基础入噬菌体的基因组为环状结构（Figure 3），其中与转录调节有关的 基因有：P, P , O, O, t 1, tRl, cl, cro, nutR, nutL, ell, cIII, tR2, P ,L R L R L RMP 等，各基因详细的功能将在下文叙述。

REFigure 3入 噬菌体基因图入 噬菌体基因组为48502bp的环状DNA分子图中， ORF 是彩色盒装表示；启动子用三角形箭头表示；转录子用基因上方或下方的彩 色线条表示；溶源发育所需基因用红色表示；早期裂解所需基因用绿色（从 PR 开始转录）和紫色（从P '开始转录）表示与细胞裂解和噬菌体头尾部有关蛋 白的晚期基因转录子为紫色线条；整合和切除有关的基因（int和xis）转录子 用桔黄色表示；；从 cII 激活的启动子出开始转录的基因用换色表示；黏合位点（cos）和噬菌体的结合位点（attP）用黑色圆环和矩形表示1. 两种途径共同的早期基因表达途径入噬菌体早早期基因只有两个N基因和cro基因，他们都是有宿主的 RNA聚合酶编码的N基因编码一种抗终止因子，它能够作用与nut位点，使得 转录进入迟早期基因；cro基因的转录产物具有双重功能，既能阻止阻抑物的合 成，也能关闭早早期基因的表达迟早期基因具有两条用于复制的基因， 7 条用 于重组的基因和3条用于编码的基因，其中调控基因中cII和cIII是合成阻抑 物所必需的，调控因子Q是使宿主RNA聚合酶转录晚期基因的抗终止因子当入噬菌体进入感染细胞后启动早早期基因的转录。

宿主的RNA聚合 酶结合左向和右向的启动子P和P结合并启动向左和向右的转录向左转录终LR止于第一个终止子tL1，表达一种蛋白质pN；向右的转录终止于右侧的第一个终 止子tR1，表达产物为Cro蛋白两种表达产物都是一种转录调节蛋白pN能够 阻止终止子tL1和tR1的作用，使得转录越过这两个终止子而进入迟早期基因 迟早期基因表达导致蛋白质ell、cIII和Q的产生（基因Q是右向迟早期基因的 最后一个，当基因Q产物不存在时，转录一段很短的序列就终止于一个终止子 tR3；当pQ存在时，pQ能够抑制tR3的终止作用，使得RNA聚合酶越过tR3而 进一步表达晚期基因）在此，噬菌体可以走不同的分支途径：裂解发育或溶源 发育2. 溶源发育中基因的相互作用阻抑物由cI基因编码cI通过与cI基因两侧的操纵子O和O的结合 LR 而阻止RNA聚合酶起始转录Figure 4入噬菌体具有复杂的调控区当阻抑物cl与PL/QL和PR/QR结合，则 抑制了早期基因的转录；否则早期基因得到转录和表达cl与O结合，阻止了 RNA聚合酶从p处起始转录，从而停止N基因的 表达由于所有的左向基因都使用启动子p，所以cl阻止了所有左向基因的表 达；cl与O的结合除了能够阻止右向的基因表达之外，还能够激活RNA聚合酶R自P向左启动转录，从而表达cl基因，这样阻抑物和cl基因建立起一个自主 调控的正回路（又被成为阻抑物维持回路），这就解释了溶源态稳定存在的原因: 只要阻抑物cl含量充分，cl基因就能够继续表达，结果就造成O和O长期被阻 抑，使原噬菌体维持溶源状态。

阻抑物的存在也解释了免疫现象的产生：如果有 第二个噬菌体的DNA侵入溶源细胞，已存在的阻抑物立即与新基因组中的O和 O结合，阻止了第二个噬菌体进入裂解周期此外，高浓度的cl能够负调节自 身，其机理是高浓度的阻抑物能够与O3结合，阻止了 P开始的转录（如图5）R RMFigure 5 O和％的分区示意图O分为三个区：O 1, O2, O3; O也分为三个区: O 1, O2, O3o P与O3有重叠，，所以cl与O3的结合能够阻止从P处转录L L L RM R R RMcII和cIII的存在对于溶源状态也是必需的当入噬菌体刚刚侵入时, 由于没有阻抑物帮助细菌的RNA聚合酶结合到P，噬菌体（更精确说是细菌） 不能合成cI因此入噬菌体干扰细菌时的第一件事是转录基因N和cro,此后 pN使转录继续延伸，在左方，它使得cIII和其他基因转录；在右方，它使得cII 转录cII和cIII的存在使得cI的合成一“无中生有”一成为可能Cro和cII 基因间存在另一个启动子Pre，P已只有在cII存在的情况下才能被RNA聚合酶识 别并向左转录，转录出的mRNA能够十分有效的翻译出cI，一定浓度的cI就可 以启动自身和cI基因的自主调控的正回路，产生更多的cI。

上述为cII启动溶源途径的一种机制，另一种机制为：CII引起了位 于Q基因内的启动子PantiQ的转录，形成Q基因的mRNA的反义链，通过与mRNA 杂交而阻止Q蛋白的翻译前文已经讲过，Q蛋白的合成对于裂解也是必须的说明：有关cI调控P、P和P更深入的研究R L RMcI调控P、P和P的过程涉及到多种水平的协同效应，这些协同效应使得调节 因子的调控更为高效详见下图图示AFigure 6. cl调控启动子P、P和P过程中的协同效应cl单体（红色）结合R L RM成二聚体进而与操纵区O和O结合，临近的cI二聚体通过CTD相互作用形成四LR聚体（图B）cI的结合阻止了 RNA聚合酶向PR和PL的接近但是O2处结合R的cl二聚体的NTD能够与RNA聚合酶a亚基（结合到PRM的-35区）的a 4区（金黄色）相互作用，从而活化从P的转录（图C）cI通过CTD进一步的作用通过促使长链DNA loop的形成而形成八聚体，使得cI能够协同的控制O 3和RO3,这样可以组织从P开始的转录（图D）L RMFigure 7溶源化的建立早期基因得到转录，N和Cro蛋白产生；N蛋白发挥抗终 止作用，产生cII和cIII; cII和cIII导致cI被表达；cI协助建立溶源态（详 细内容见正文）总结如图7所示，入噬菌体侵染细菌后，由于P/O和P /O上没有阻抑物cI的结合,L L R R所以细菌RNA聚合酶自P和P出开始转录并形成N蛋白和cro蛋白，转录终止LR于左右两侧的第一个启动子tL1和tR1； N蛋白发挥抗终止作用，使得转录越过 左右两个终止子而转录 cII 和 cIII； cII 对于 cI 的产生是必需的， cII 导致细 菌的RNA聚合酶识别Pre启动子而向左转录，从而表达cI； “无中生有”的cI之后启动正调节回路，从 P开始转录产生更多的cI，cI也结合到O和O ,阻止RM L RN蛋白和cro的继续表达，从而维持溶源发育。

3. 裂解途径的建立Cro基因对于入噬菌体进入裂解周期具有关键做作用，其编码产物Cro 蛋白能够阻止阻抑物的合成，从而消除了建立溶源状态的可能性Cro蛋白形成 小的二聚体，作用于免疫区，它能够通过维持。