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10.4 λ噬菌体基因表达调控
作者:生科院    文章来源:西北农林科技大学    点击数:4729    更新时间:2011/4/15
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以遗传上相对独立的λ噬菌体为例,阐明生命有机体通过基因转录来调控生命周期以适应环境和自我保存。

 

10.4.1 λ噬菌体的两种发育途径

λ噬菌体是以E. coli为宿主的温和噬茵体,能在细菌中繁殖。

①溶源途径

λ噬菌体感染E. coli后,将其基因组整合到细菌染色体上,随着细菌染色体的复制而复制。

整合有噬菌体基因组的细菌称为溶源菌,这一过程称为溶源途径。溶源化细菌一般不被同种噬菌体再行感染,这一现象称为免疫性。

 

②溶菌途径

λ噬菌体感染宿主后也可以利用细菌细胞内的养料进行繁殖,最终使宿主裂解而死亡,这一过程称为溶菌途径。

溶源化的细菌受某些外界物理或化学因素(如紫外线、丝裂霉素C等)的作用原噬茵体便脱离细菌染色体而进行自主复制,于是细菌裂解,游离出大量的噬菌体,这一过程称为诱导。

 

10.4.2 λ噬茵体基因组

lphage的基因组是由48502bp组成的双链线状DNA分子,MW为3.2×107D,由Sanger测序。

λ噬菌体的DNA分子两端为粘性末端(cohesive, cos),由12bp的回文序列组成,其中有10个是G/C,可牢固地配对,使进入细菌的DNA分子成环。

 

λ基因组上约有66个基因,46个阅读框,已纯化多种编码蛋白。λ的基因调控通过转录进行,与调控有关的基因在基因组上比较集中。λ的一个转录单位则包括功能上并不直接相关的更多基因(不同于大肠杆菌)。

 

λ噬菌体感染寄主后先转录调节蛋白,通过调节蛋白的作用,其它基因的转录被激活或被阻遏,从而使它进入溶源或溶菌途径。

 

λ基因组分4大基因簇:

①与调节控制有关的调节区(regulation)

N编码的N蛋白抗终止子tL1、tR1和tR2;Q编码的Q蛋白抗终止子tR4。

cⅠ、cⅡ和cⅢ基因编码的CⅢ蛋白使CⅡ蛋白稳定,CⅡ和CⅢ蛋白能使cⅠ基因启始转录,CⅠ蛋白是l阻遏物,能使l与复制成熟和裂解等有关基因都不转录,使l噬菌体处于溶源状态。

 

Cro蛋白(控制另一种调节蛋白,control of repressor and other things)对cⅠ和cro基因的转录起负调控作用。

 

②与重组有关的区域(recombination):重组区基因主管l的整合和割离,xis编码割离酶,int编码整合酶。

③与复制有关的复制区(replication):O、P基因。

④结构基因区:包括头、尾、装配和裂解有关的基因。

l基因组也可根据各操纵子转录的先后顺序分成早期、晚早期和晚期等3期。

 

l基因组的调控区有4个操纵子:

①总控制操纵子:CⅠ蛋白操纵子(左向)

②左向早期操纵子:PL1可转录出L1和L2的mRNA。

 

③右向早期操纵子:PR1可转录出R1、R2、R3的mRNA。

④右向晚期操纵子:PR’可转录出R4和R5的mRNA。

 

早早期

晚早期

晚期

 

10.4.3 lDNA的基因表达调控

10.4.3.1 抗终止作用

lPhage的转录调控决定了它的裂解途径或溶原途径,它于其它体系比较的最大特点在于抗终止。

抗终止蛋白可解除弱终止子的作用而使转录进行进行。如PN作用于tL1和tR1。

 

PN在左操纵子上的作用部位称为NutL(N-utilization site),PN在右操纵子上的作用部位为NutR,Nut紧邻终止子处。

 

抗终止作用

抗终止蛋白结合于nut,当RNA pol转录通过nut位点时,RNA pol与nut位点的pN结合,使RNA pol构象发生改变,而不为弱终止子终止。当nutL突变时,N不能抑制tL1位点的终止。

说明N蛋白参与可抗终止(tL1和tR1),N蛋白为可扩散的碱性蛋白(14kD)它识别特异的nut位点,故其不能使细菌转录终止。

 

l噬菌体基因组调控区有6个启动子,PL、PR1分别负责启动向左向右的转录,PE、PM是转录CⅠ基因的两个启动子,PRE主管建立溶源(repressor for establishment of lysogeny),PRM主管维持溶源(repressor for maintenance of lysogeny)。

 

PRE的启动需要CⅡ、CⅢ蛋白,PI启动转录int基因(整合酶),PI的起始也需要CⅡ/CⅢ蛋白,PR2(或PR’)是l最强的启动子,负责后期一切基因的转录。PL、PE、PM、PI是启动左向转录,而PRl、PR2则启动右向转录。

 

10.4.3.2 λ phage溶菌途径的建立

①λphage进入细菌后成环状。由于DNA上无调节蛋白,寄主RNA pol分别结合于PL和PR。PL转录出mRNA L1并产生抗终止蛋白N。PR转录出mRNA R1(Cro出现)。

 

②CⅡ、CⅢ、O、P蛋白的合成

抗终止蛋白N结合于nutL,继续转录出的L2 mRNA翻译出CⅢ。

N还结合于nutR,转录出R2和R3的mRNA,R2 mRNA翻译出CⅡ、O和P。N还对tR2有抗终止作用,转录出的R3 mRNA翻译出Q。

 

③在CⅡ、CⅢ蛋白作用下,PRE(PRE主管建立溶源,repressor for establishment of lysogeny,位于cro和cⅡ之间)的操纵子向左转录了包括cⅠ的基因。

cⅠmRNA上有SD,翻译活性很高。

 

④CⅠ和Cro是调节蛋白(Cro由PR编码)

CⅠ和Cro都可结合于左右2个操纵子上,但与每个操纵子中的不同位点的亲和力不同。

CⅠ蛋白:OL1>OL2>OL3;OR1>OR2>OR3

Cro蛋白:OL3>OL2>OL1;OR3>OR2>OR1

 

⑤是否进入溶菌途径在于CⅠ和Cro与各个操纵基因的结合。

Cro表达在先,CⅠ在后,且CⅠ的表达需CⅡ和CⅢ帮助。而CⅡ可被寄主蛋白酶(hfl编码)水解。因此,当hfl产物存在时cⅠ基因不表达。此时Cro含量远大于CⅠ,占据OL1和OR3操纵基因。使cⅠ的启动子不能起动,而使cro转录。

 

由于PR(CRO)与OR1重叠,PRM(CⅠ)与OR3重叠,Cro占据OL、OR3则使cⅠ不能转录,但不能封闭其它早期启动子。右向一系列启动子开放,使复制有关蛋白(O、P)抗右终止蛋白(Q)、溶菌酶蛋白等一系列结构蛋白表达,进入溶菌途径。因此,Cro是进入溶菌途径的关键蛋白。

 

 

10.4.3.3 溶源途径的建立

①λphage DNA进入细菌首先表达N和Cro,此后左向的PN转录继续延伸使CⅢ表达,同时右向的转录使CⅡ表达。

 

晚早期基因转录开始于PR启动子,产生的CⅡ蛋白使RNA pol和启动子PRE结合,转录出抑制蛋白CⅠ,可阻断其它基因的表达。CⅢ可以降低CⅡ的降解。

 

②CⅠ是进入溶源途径的关键蛋白。CⅠ表达(PRM、PRE)需CⅡ和CⅢ的帮助。寄主hfl产物可水解CⅡ。因此,hfl产物对CⅠ是负效应。

 

CⅡ可提高RNA pol从PRE的转录

 

③hfl表达受cAMP负调控,寄主细胞碳源和能源缺乏时,cAMP增高。使hfl产物活性降低,同时,CⅢ抑制hfl产物活性。因此,CⅡ增加。

④寄主himA受cAMP-CAP正调控,himA参与λ与寄主染色体整合(寄主整合酶在碳源馈乏时活性也增高)。

 

⑤phage感染复数(multiplicity of infection,MoI)高时,CⅡ由单体转变为有活性的寡聚体,与CⅢ一起帮助PRE转录出CⅠ,CⅠ可抑制cro的表达,进入溶源途径。因此,营养耗竭、噬菌体感染复数高时进入溶源途径。

 

溶源的维持

 

10.4.4λphage溶源和溶菌途径的决定

噬菌体进入溶源或溶菌途径决定于CⅠ与cro的相对量。phage以原噬菌体形式整合在宿主染色体上。CⅠ蛋白占有OR2、OR1位点,促进了RNA pol与CⅠ基因启动子(PRM)的结合,从而有利于向左转录(溶源化)。

 

CⅠ蛋白占有OR2、OR1位点,抑制cro基因转录,从而不利于向右转录(不利溶菌途径)。

 

当细胞营养丰富时,寄主蛋白酶降解CⅡ使CⅡ对CⅠ合成的促进作用消失,进入溶菌途径。

 

l噬菌体进行溶源循环时,lDNA整合到宿主染色体上,随染色体复制而复制,当溶源菌受紫外线或丝裂霉素C处理后,会发生SOS反应,激活recA蛋白,recA蛋白有蛋白水解酶活性,分解CⅠ蛋白。将CⅠ蛋白在第111和112AA间打断而使CⅠ从DNA上脱离,于是RNA pol便有机会与Cro基因的启动子结合(OR1、OR2同位点),使转录向裂解方向进行。

 

裂解途径早期,cro蛋白与OR3结合而阻止了CⅠ基因表达。

 

 

end

 

CⅠ蛋白也称l阻遏蛋白,是一种酸性蛋白,由236个氨基酸组成,CⅠ阻遏蛋白由2个相同的亚基组成。

N端具有与DNA上操纵基因结合的功能,C端具有自身聚合为二聚体的功能。

 

CⅠ与OR的结合能力:ORl﹥OR2﹥OR3。

当CⅠ浓度较低时,首先与ORl结合(同样也与OLl结合),占据了PR(和PL)的Pribnow box,阻止PR(和PL)启动转录。

当CⅠ浓度较高时除与ORl(OL1)结合外,还与OR2(和OL2)结合,此时能促进PM启动的转录(转录CⅠ基因)。

 

而当CⅠ浓度高时,CⅠ蛋白除与ORl、OR2结合外还与OR3结合,这时CⅠ占据了PM的Pribnow box和-35区,因此阻止cⅠ本身的转录,这是自调控。

Cro蛋白于1976年被分离获得,Cro蛋白与CⅠ蛋白在一级结构上无明显的同源性,也不分为两个功能区,可是功能上与CⅠ蛋白非常相似,也是以二聚体形式与操纵基因结合。

 

Cro和3个结合位点的结合能力也不同,但它和3个结合位点的结合能力与CⅠ的正相反,Cro蛋白与OR的结合能力:OR3﹥OR2﹥ORl。

Cro浓度低时首先同OR3结合阻止CⅠ基因转录。

 

Cro浓度较高与OR2结合除阻止CⅠ基因转录外,对PR也有阻遏作用。

Cro浓度高时,与ORl也能结合,阻止PM和PR启动转录。

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