細(xì)菌芽孢基因表達(dá)的調(diào)控

1、細(xì)菌芽孢基因表達(dá)的調(diào)控能否形成芽孢是細(xì)菌種的遺傳特征，現(xiàn)已查明具有芽孢的細(xì)菌(芽孢細(xì)菌)在其染色體上都有控制芽孢形成的基因，即芽孢基因。細(xì)菌能夠根據(jù)外界環(huán)境條件的變化主動控制芽孢基因的表達(dá)，以提高本身對環(huán)境變化的適應(yīng)性。過去人們認(rèn)為，細(xì)菌在碳、氮、磷充足的營養(yǎng)生長中芽孢基因通常不表達(dá)，原因是：葡萄糖的代謝產(chǎn)物(丙酮酸、醋酸等)，氨基酸的代謝產(chǎn)物，特別是GTP抑制芽孢基因的表達(dá)。如果碳、氮、磷供應(yīng)不足，使這些抑制因子減少，芽孢基因就能解除抑制而得以表達(dá)，即開始形成芽孢。但是人們并不清楚這種抑制和解除抑制的分子機(jī)制。根據(jù)Linn等人的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，枯草桿菌(Bacillus subtilis)在形

2、成芽孢時，有一部分營養(yǎng)生長期RNA聚合酶的亞基喪失活性，并形成新的亞基調(diào)控芽孢基因表達(dá)。這說明與其他基因表達(dá)的調(diào)控一樣，芽孢基因的表達(dá)也是主要控制其轉(zhuǎn)錄步驟。因?yàn)檗D(zhuǎn)錄是基因表達(dá)的第一步，也是調(diào)控其表達(dá)最經(jīng)濟(jì)，最關(guān)鍵的一步。原核生物的RNA聚合酶全酶主要由5個亞基(2)組成。2為核心酶，它只能使已開始合成的RNA鏈延長，但不具識別特異轉(zhuǎn)錄起點(diǎn)的作用，而亞基能識別轉(zhuǎn)錄的起始點(diǎn)，并使核心酶與起始點(diǎn)結(jié)合而起始轉(zhuǎn)錄?？莶輻U菌有一個復(fù)雜的轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)，至少由5種以上的亞基參與，它們與核心酶結(jié)合形成不同類型的全酶。由于不同的亞基能識別不同基因的啟動子，所以不同類型的全酶就能選擇轉(zhuǎn)錄不同的基因?？莶輻U菌就是通過更

3、換亞基的方式以識別營養(yǎng)基因和芽孢基因不同的啟動子，進(jìn)而控制細(xì)菌進(jìn)行營養(yǎng)生長或是形成芽孢。就目前發(fā)現(xiàn)的亞基來說，更換的次序可能是55、28、32、3729，它們的分子量分別是55kD、28kD、32kD、37kD、29kD，它們都有各自不同結(jié)構(gòu)的啟動子。處于營養(yǎng)生長階段的細(xì)胞所含的亞基幾乎全是55。含有55的RNA聚合酶只能與營養(yǎng)基因和少數(shù)在芽孢形成過程最初階段所需基因(SPoO基因)的啟動子結(jié)合，因而它的作用是負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄與營養(yǎng)生長有關(guān)的基因和SPoO基因。在SPoO基因中，有一個基因的產(chǎn)物就是28。28很可能是細(xì)胞信號傳遞系統(tǒng)的一個成員。含有28的RNA聚合酶負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄那些能夠探測營養(yǎng)缺乏和起始芽

4、孢形成反應(yīng)的基因，但是一旦芽孢形成過程開始，28即失去活性。不過在營養(yǎng)細(xì)胞中，含有28的RNA聚合酶只占RNA聚合酶分子總數(shù)很小的比例。這樣在碳、氮、磷源充足的營養(yǎng)生長階段，主要是營養(yǎng)基因得以充分表達(dá)，而絕大多數(shù)芽孢基因不能表達(dá)，當(dāng)然細(xì)胞就不能形成芽孢。32和37的功能是識別不同早期芽孢基因的啟動子，故由這兩亞基參與組成的全酶能轉(zhuǎn)錄表達(dá)不同的早期芽孢基因。而含有29的RNA聚合酶則能轉(zhuǎn)錄中、晚期芽孢基因。由上述亞基的功能看出，枯草桿菌的營養(yǎng)細(xì)胞能夠探測生境中營養(yǎng)物質(zhì)的變化，并通過目前還不清楚的一種信號傳遞方式，把外界營養(yǎng)物質(zhì)變化的信號傳到細(xì)胞內(nèi)。細(xì)胞再根據(jù)營養(yǎng)物質(zhì)的供應(yīng)情況，隨時主動調(diào)整自身的

5、基因表達(dá)。不僅能迅速合成自身需要的蛋白質(zhì)、酶、核酸和其他生物大分子，而且同時又能迅速地停止合成和降解那些不再需要的成分。一旦發(fā)現(xiàn)缺乏碳、氮、磷營養(yǎng)，細(xì)胞就通過55、28、32、37、29依次替換的方式，而使芽孢基因有序表達(dá)。如轉(zhuǎn)錄合成催化2，6-吡啶二羧酸(DPA)、皮層肽聚糖、芽孢外殼蛋白等芽孢特有成分的酶，然后由這些酶催化合成芽孢的特有成分。顯然在這種情況下，細(xì)菌就能形成芽孢。需要指出的是，枯草桿菌在形成芽孢過程中，亞基的替換并不是徹底的替換(如含有37的RNA聚合酶只占RNA聚合酶分子總數(shù)的10)。故許多營養(yǎng)基因(如參與能量代謝酶的基因，氨基酸合成與蛋白質(zhì)合成酶的基因等)在芽孢形成期繼續(xù)

6、表達(dá)，因?yàn)檫@些基因表達(dá)的產(chǎn)物對芽孢形成是必需的?？梢娧挎咝纬蛇^程并不是簡單地關(guān)閉營養(yǎng)基因，同時又啟動芽孢基因。而是根據(jù)外界環(huán)境條件的變化與菌體的需要，且按著嚴(yán)格的時序關(guān)閉或降低某些營養(yǎng)基因的表達(dá)，同時又啟動芽孢基因的表達(dá)。這些在細(xì)胞內(nèi)部各個層次起作用的控制機(jī)制都是由胞外的環(huán)境因子刺激引發(fā)的?？墒且坏┬纬闪司哂须p層膜的前孢子，形成芽孢的過程就不能逆轉(zhuǎn)，即細(xì)菌注定要形成芽孢，而不能再恢復(fù)營養(yǎng)生長。原核細(xì)胞基因表達(dá)的特點(diǎn)是，多數(shù)功能相關(guān)的基因被組織在操縱子中，受同一個啟動子控制，并以多順反子的形式轉(zhuǎn)錄表達(dá)?？墒强莶輻U菌中很多基因受兩個或更多的啟動子控制。這些啟動子以重疊的形式存在，或以串聯(lián)的形式存在。它們不僅是不同亞基識別不同轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)控制基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)的分子基礎(chǔ)，而且也是細(xì)菌由營養(yǎng)生長到芽孢形成過程所需基因表達(dá)轉(zhuǎn)錄的分子開關(guān)。因?yàn)椴煌膩喕R別同一基因的不同啟動子序列，可以使同一基因在不同的外界環(huán)境或細(xì)菌不同的生長階段形成不同的mRNA。這種機(jī)制既節(jié)省了DNA上的編碼信息，也提高了營養(yǎng)基因和芽孢基因選擇表達(dá)的特異性與靈活性，同時也表明枯草桿菌控制基因表達(dá)有多種多樣的途徑。只是現(xiàn)