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1、噬菌体的裂解性和溶原性的基因调控机制复习过程噬菌体的裂解性和溶原性的基因调控机制噬菌体的裂解性和溶原性的基因调控机制 摘要：噬菌体（phage）有两种生存策略，一种通过感染宿主细胞，产生大量的子代噬菌体，同时宿主细胞裂解死亡，这种方式称为裂解性感染。另一种是噬菌体的基因组以一种原噬菌体的方式潜伏于细菌中，这种增值方式称为溶原态（lysogeny）。噬菌体的裂解发育、溶原发育和溶原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。关键词：噬菌体、裂解性、溶原性1951年J. Lederberg

2、的妻子Esther Lederberg证明了J. Lederberg和Tatum用来杂交的K12中有原噬菌体，并命名为，经10年的研究搞清了溶原化的实质。噬菌体的基因组长达50 Kb，共61个基因，其中38个较为重要。其生活史如图8-15所示，可分为裂解周期和溶原周期。细菌处于溶原化状态时，细胞质中有一些 C基因的产物C蛋白，这是一种阻遏蛋白，可以阻止左、右两个早期起动子的转录，使之不能产生一些复制及细胞裂解的蛋白。的DNA随着宿主的染色体复制而复制。但在UV诱导下Rec蛋白可降解C蛋白（见第17章），诱导90的细胞裂解。有时也可自发地（10-5）从宿主的染色体上游离出来，进行复制，最终导致宿

3、主细胞的裂解，此称为治愈（curing）。游离在细胞质中的可以进行滚环复制，产生多个拷贝，并合成头部和尾部蛋白，包装成完整的噬菌体，使细胞裂解，释放出噬菌体再感染新的细胞。（图8-19）。因为噬菌体的DNA也有整合在染色体上和游离于细胞质中两种状态，所以也称做附加体。但和F因子不同，噬菌体有细胞外形式，而F因子无细胞外形式。在E.coli K12中是有原噬菌体的存在。Jacob和Wollman（1956年）发现了合子诱导（zygotic induction）现象，并利用合子诱导确定了几个E.coli染色体上原噬菌体的整合位点。他们发现Hfr（）F所得到的重组子频率要比HfrF（）或Hfr（）F

4、（）要低得多。这是由于在Hfr（）F的杂交中，原噬菌体进入无阻遏物的受体细胞质中，进行大量复制使受体细胞裂解（图8-20b），因此不易得到重组子，此现象就称为合子诱导。现在我们再回过头来查阅一下传递等级作图，中断杂交实验以及重组作图都是采用HfrF（）就是不致产生合子诱导的缘故。裂解发育噬菌体的感染周期可以分为早期（复制前）和晚期（复制后）两个阶段。噬菌体基因组复制和产生蛋白质颗粒，并组装进子代噬菌体，开始裂解进程。噬菌体的DNA注入宿主细胞中后经早期发育和晚期发育最终可以裂解从而释放出子代噬菌体，完成整个裂解发育。早期感染是指从噬菌体到进入复制开始的时期，晚期感染是指从复制开始到最后细胞裂解

5、释放出子代噬菌体颗粒这一时期。噬菌体内的必需基因组不大，当噬菌体的DNA注入细菌体内时，若发生裂解发育，在早期发育过程中噬菌体的DNA会被优先复制，并转录成mRNA，mRNA可以代替宿主细胞的mRNA重新引导噬菌体的活性，从而使噬菌体大量增殖，所以一个噬菌体感染将产生大量经过复制和重组的子代噬菌体。噬菌体内个基因的功能裂解周期在噬菌体的裂解周期调控中，调控子编码相关功能蛋白质的基因成簇排列，少数调控开关可以控制裂解进程的通路。在整个调控过程中调控基因以级联反映发生作用，一个基因的表达是下一个基因的表达所必须的。噬菌体基因表达最初阶段必须依赖宿主进行转录，最初只有少数基因进行表达，在大多数情况下

6、称为早期基因（early gene），在噬菌体中成为早早期基因（immediate early gene）。它们是噬菌体裂解周期的早期基因调控部分，可以进行级联反应从而引发下一阶段的转换。噬菌体有两个早早期基因，N和cro，它们由宿主RNA聚合酶转录。其中N基因可以编码一个抗终止因子，该因子作用于nut位点，允许转录继续进入迟早期基因；cro基因有上冲功能：阻止阻抑物的合成，关闭早早期基因的表达。当收到早期基因的诱导之后，迟早期基因（delayed early gene）或中期基因（middle gene）开始表达。这类基因和早期基因包括了噬菌体装配自身的颗粒外壳和裂解细胞以外的所有噬菌体功能

7、。迟早期基因包括2个用于复制的基因和7个用于重组的基因，还有3个编码调控因子的基因，其中调控因子具有相反的功能。 噬菌体裂解级联途径与溶原途径连锁当噬菌体的DNA开始复制时，可以引起晚期基因（late gene）的表达。每套基因都含有一种为下一套基因表达所需的调控因子，利用这些连续控制形成一个级联反应，从而使同基因在特定时期内被开启或关闭。pN是抗终止因子，可以使RNA聚合酶通过来那个调早早期基因的终点而继续转录。pQ是迟早期基因的产物，也是抗终止因子，能是RNA聚合酶转录晚期基因。通过噬菌体的裂解级联反应，我们可以发现整个程序是预先安排就绪的，都是从两个启动子PL和PR开始转录早早期基因N和

8、cro。由于噬菌体是利用抗终止作用进行下一个阶段的表达。启动子PL、PR位于c的左右两测。与每一个启动子相连的为操纵基因（OL、OR）。 裂解级联反应具有连续性，因而调控区可以为它提供能控制整个裂解周期的作用位点。阻抑物通过组织RNA聚合酶靠近这些启动子来阻止噬菌体基因组进入裂解周期。阻抑物c的突变可以使噬菌体无法维持溶原态进入裂解周期。噬菌体DNA在感染过程中成环在噬菌体处于溶原状态时，阻止cro基因的表达式非常重要的。阻抑物结合在OL位点上时关闭从PL开始的N基因转录，结合到OR位点上时可以关闭cro基因的转录，同时也是c基因转录所需要的。在OL处时，阻抑物可以阻止RNA聚合酶在PL处起始

9、转录，从而停止N基因的表达。在OR处，阻抑物的结合一直乐PR的使用，因此cro和其他右向早期基因不能正确表达。当阻抑物结合在OR处时，RNA聚合酶可以有效启动转录，从而促进c基因的表达，形成一个自主调控的正回路，在这个回路中需要有阻抑物不断合成期自身。从而控制回路保持了溶原态的稳定存在，只要阻抑物含量充分，c基因就可以继续表达，结果是OLOR被继续无限期地占用。通过阻遏整个裂解级联反应，从而使原噬菌体保持溶原状态。溶原通过一个自主调控回路维持，如果一个步骤被干扰，裂解周期开始阻抑物的存在可以为噬菌体侵入细菌提供免疫性，当第二个噬菌体DNA侵入溶原细胞时，已存在噬菌体所产生的阻抑物同样可以抑制新

10、噬菌体的级联反应，从而使新的噬菌体进入溶原状态。当噬菌体DNA侵入细胞时，在整个控制回路中没有阻抑物的存在，所以细菌RNA聚合酶不能通过此回路而转录c。因而在噬菌体刚侵入细胞时，需要另外两个基因c 和c 进行转录。这套系统可以产生起始的阻抑物，从而诱导c途径的表达。因而，溶原反应建立和维持的整个反应过程可以用下面如来表示。溶原化需要级联反应，接着级联反应停止，被阻抑物所维持的自主调控系统所取代c蛋白以另一种间接方式促进了溶原态的产生，从而引起了Q基因启动子的转录，这个转录物事Q区域的反义转录得到的。通过c阻抑物基因的转录来直接启动溶原态的机制，同时也通过抑制cro和Q基因的裂解途径所需的控制基

11、因，间接促进了溶原态的产生。噬菌体可以选择进入溶原状态或开始裂解状态。我们已经看到，溶原是通过建立自控的维持回路起始的，这个回路通过在两个部位上施加影响抑制整个裂解级联反应。建立溶原的过程实际上是通过控制裂解级联反应的某些步骤来实现的。cro蛋白可以负责阻抑物的合成和抑制早期基因的表达，从而使噬菌体进入溶原状态。它可以形成一个小的二聚体作用于免疫区，并具有两种作用：维持回路阻止阻抑物的合成，抑制早期基因从PR、PL进行表达。溶原与裂解途径有非常密切的关系，溶原与裂解都遵循同一条代谢途径，两者都经历早早期基因的表达，并延伸进入迟早期基因。进入裂解周期的其实时间是cro蛋白在OR3处的结合，这就停

12、止了PRM处开始的溶原维持回路。Cro蛋白必须与OR1、OR2或OL1、OL2结合，调节早期基因的表达。通过停止合成c 和c蛋白，这一行为即导致停止从PRE合成阻抑物。当不稳定的c 和c蛋白降解时，阻抑物已建回路就关闭。在某种特定条件下，c蛋白的水平决定了感染的结果。增强c蛋白稳定性的突变会增加溶原化的频率，这种突变发生在c自身或其他基因中。c蛋白不稳定的原因是它对于宿主蛋白酶降解的敏感性，它在细胞中的浓度受到c和宿主功能的影响。其次是噬菌体c蛋白的作用：它保护c蛋白不受降解。虽然c蛋白不能保证c蛋白继续存在，但缺少c蛋白时，c蛋白实际上总是没有活性。宿主细胞对于c蛋白水平的影响，为细菌干扰噬

13、菌体选择溶原化或裂解提供了一种方法。当噬菌体倾向于是生长很好的细胞裂解，但而当细胞饥饿时更倾向于进入溶原化状态。看法：噬菌体在整个基因的表达中采取了一种非常聪明的策略，这种策略可以使侵染进入细菌的噬菌体充分利用其周围的环境。当其进入的宿主细胞处于良好的状态和环境中时，噬菌体便进入裂解状态；而当宿主细胞没有处于最佳状态时，噬菌体便倾向于进入溶原化状态，从而使自身得到最大程度上的复制。参考文献：1. Lewin B.著, 余龙等译 基因 . 科学出版社，2005，北京 2. lan B. D. et. al. Revisited gene regulation in bacteriophage .

14、 Curr. Opin. Genet. Dev. 15:145-152 3. Max G. Bacteriophage : The Untold Story. J. Mol. Biol. 1999, 293: 177-1804. Donald L. C. et. al. A new look at Bacteriophage genetic networks. J. Bacteriol 2007, 189(2): 298 304 5. Harrison E. et.al. Establishment and Maintenance of Repression by Bacteriophage

15、Lambda: the role of the cI, cII and cIII proteins. Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 1971, 68: 2190-2194 6. Ronald A. A. et. al. How Cro and lambda-repressor distinguish between operators: the structural basis underlying a genetic switch. Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 1998, 95: 3431-3436 7. Brooks, K. and Clark, A.J. (1967) J. Virol. 1, 283293.