λ噬菌體的基因調(diào)控

X噬菌體的基因調(diào)控x噬菌體是一種感染大腸桿菌的溫和噬菌體，侵染E.coli后既能進(jìn)行復(fù)制和造成細(xì)菌裂解死亡，乂能整合進(jìn)入E?coli基因組并隨著宿主基因組進(jìn)行復(fù)制，進(jìn)行溶源態(tài)生存。洛源發(fā)育盡管十分穩(wěn)定，但是仍然可以通過一些損害宿主細(xì)胞的誘導(dǎo)劑使之誘導(dǎo)進(jìn)入裂解感染。入噬菌體的裂解發(fā)育、溶源發(fā)育和溶源發(fā)育到裂解發(fā)育的誘導(dǎo)是研究生物分子調(diào)節(jié)優(yōu)異的模型。經(jīng)過四十多年的研究，在這個(gè)模型中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了眾多的正調(diào)節(jié)因子和負(fù)調(diào)節(jié)因子在轉(zhuǎn)錄水平或轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)基因的表達(dá)。I?兩種發(fā)育途徑簡介X噬菌體在裂解發(fā)育中的繁殖過程為吸附宿主、向宿主注射核酸物質(zhì)、基因的復(fù)制和蛋口質(zhì)的表達(dá)、宿主細(xì)胞的裂解和子代噬菌體的釋放。裂解發(fā)育通過使噬菌體的基因按照一定的順序表達(dá)而完成，這樣就保證了每種成分在生命周期適宜的時(shí)間表達(dá)。裂解周期可以分為兩個(gè)主要的階段：早期感染一從噬菌體D\A進(jìn)入宿主到開始復(fù)制的這一段時(shí)期，主要合成與DNA復(fù)制有關(guān)的酶類，如參與D\A復(fù)制.重組和修飾的酶；晚期感染一從復(fù)制開始到最后細(xì)胞裂解釋放出廣代噬菌體顆粒的過程，主要合成噬菌體顆粒的蛋白質(zhì)外殼，山于噬菌體需要許多不同的蛋白質(zhì)外科組建成衣殼和尾，因此基因組的絕大部分是用于執(zhí)行晚期功能的。噬菌體基因表達(dá)的早期階段只有少數(shù)基因表達(dá)，并且嚴(yán)重依賴宿主的轉(zhuǎn)錄機(jī)構(gòu)，例如RNA聚合酶和o因子。這些基因被成為早早期基因(immediateearlygene)。笫二類基因稱為遲早期基因(delayedearlygene)o裂解周期受到正調(diào)控作用，即每組基因只有受到恰當(dāng)?shù)男盘柎碳r(shí)才能啟動表達(dá)。因此，早早期基因的表達(dá)編碼了遲早期基因的調(diào)控蛋白，這種調(diào)控蛋白對于遲早期基因的表達(dá)是必需的。當(dāng)噬菌體DNA開始復(fù)制時(shí)，晚期基因(lategene)開始表達(dá)。晚期基因的表達(dá)需要早早期或遲早期基因的編碼產(chǎn)物作為信號，在X噬菌體中，這種調(diào)控信號是一種抗終止因子。因此，裂解性感染通常分為三個(gè)時(shí)期：第一個(gè)時(shí)期山宿主RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄噬菌體早期的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子；第二個(gè)時(shí)期的基因在前一階段表達(dá)的調(diào)控因子的作用下進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，此階段表達(dá)的基因大多數(shù)為噬菌體復(fù)制所必須；第三個(gè)時(shí)期山編碼噬菌體成分的基因組成，他們能夠在第二個(gè)時(shí)期合成的調(diào)控因子的指導(dǎo)下轉(zhuǎn)錄。每個(gè)時(shí)期的基因都含有編碼下一套基因表達(dá)所必須的轉(zhuǎn)錄因子基因，而本時(shí)期的基因表達(dá)也必然要受到上一階段表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控，這樣裂解發(fā)育過程就形成了一種級聯(lián)反應(yīng)控制過程。在級聯(lián)反應(yīng)中，上一階段編碼的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子對下一階段的調(diào)控作用有兒種不同的機(jī)制，調(diào)控因子可能是一種新的RNA聚合酶，或者是產(chǎn)生一種新的o因子，聚合酶在RNA從而使得.本階段識別不同的啟動子并與之結(jié)合，開啟不同的基因轉(zhuǎn)錄；調(diào)控因子也可以是一種抗終止因子，山于抗終止過程，是的RNA聚合酶不僅能夠轉(zhuǎn)錄原來的基因片段，而且能夠越過終止子通讀隨后的序列。在X噬菌體中，控制早早期基因向遲早期基因表達(dá)的調(diào)控因子主要是通過抗終止子起作用的。事實(shí)上，當(dāng)入噬菌體侵入細(xì)胞后，裂解和洛源途徑是以同樣的方式開始的，二者都需要早早期和遲早期基因的表達(dá)，之后兩種途徑產(chǎn)生分歧：若晚期基因得到表達(dá)，則啟動裂解過程；若晚期基因受到抑制，則啟動溶源發(fā)育。II.調(diào)控發(fā)育途徑的分子基礎(chǔ)X噬菌體的基因組為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，其中與轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)有關(guān)的基因有：P,P,0,0,stl,tRl,cl,cro,nutR,nutL,ell,cIII,tR2,P,P等，各基因詳細(xì)的喚t功能將在下文敘述。1.兩種途徑共同的早期基因表達(dá)途徑竝才。基因，他們都是有宿主的RNAX噬菌體早早期基因只有兩個(gè)聚合基因和Nnut位點(diǎn)，使得轉(zhuǎn)錄進(jìn)入基因編碼一種抗終止因子，它能夠作用與酶編碼的。cr?；虻霓D(zhuǎn)錄產(chǎn)物具有雙重功能，既能阻止阻抑物的合成，也能遲早期基因；關(guān)閉早早期基因的表達(dá)。遲早期基因具有兩條用于復(fù)制的基因，7條用于重組的基因和3條用于編碼的基因，其中調(diào)控基因中ell和cIII是合成阻抑物所必需的，調(diào)控因子Q是使宿主RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄晚期基因的抗終止因子。當(dāng)X噬菌體進(jìn)入感染細(xì)胞后啟動早早期基因的轉(zhuǎn)錄。宿主的RNA聚合酶結(jié)合左向和右向的啟動子P和P結(jié)合并啟動向左和向右的轉(zhuǎn)錄。向左轉(zhuǎn)錄終止于第一也個(gè)終止子tLl,表達(dá)一種蛋口質(zhì)pN；向右的轉(zhuǎn)錄終止于右側(cè)的第一個(gè)終止子tRl,表達(dá)產(chǎn)物為Cro蛋白。兩種表達(dá)產(chǎn)物都是一種轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白。pN能夠阻止終止子tLl和tRl的作用，使得轉(zhuǎn)錄越過這兩個(gè)終止子而進(jìn)入遲早期基因。遲早期基因表達(dá)導(dǎo)致蛋白質(zhì)cll.dll和Q的產(chǎn)生（基因Q是右向遲早期基因的最后一個(gè)，當(dāng)基因Q產(chǎn)物不存在時(shí)，轉(zhuǎn)錄一段很短的序列就終止于一個(gè)終止子tR3；當(dāng)pQ存在時(shí)，pQ能夠抑制tR3的終止作用，使得RNA聚合酶越過tR3而進(jìn)一步表達(dá)晚期基因）。在此，噬菌體可以走不同的分支途徑：裂解發(fā)育或溶源發(fā)育。2?溶源發(fā)育中基因的相互作用阻抑物山d基因編碼。cl通過與d基因兩側(cè)的操縱子0和0的結(jié)合而阻止RNh聚合酶起始轉(zhuǎn)錄。A噬菌體具有復(fù)雜的調(diào)控區(qū)當(dāng)阻抑物d與PL/QL和PR/QR結(jié)合，則抑制了早期基因的轉(zhuǎn)錄；否則早期基因得到轉(zhuǎn)錄和表達(dá)cl與0結(jié)合，阻止了RNA聚合酶從P處起始轉(zhuǎn)錄，從而停止N基因的表達(dá)。山?十所有的左向基因都使用啟動FP,所以ci阻止了所有左向基達(dá):d與Q的結(jié)合除了能夠阻止右向的基因表達(dá)之外，還能夠激活RNA聚合酶自P向心“啟動轉(zhuǎn)錄，從而表達(dá)cl叢因，這樣阻抑物和cl基因建立起一個(gè)自主調(diào)控的正回路（乂被成為阻抑物維持回路），這就解釋了溶源態(tài)穩(wěn)定存在的原因：只要阻抑物cl含量充分，cl基因就能夠繼續(xù)表達(dá)，結(jié)果就造成0和0氏期被阻抑，使原J筮菌體維持溶源狀態(tài)。阻抑物的存在也解釋了免疫現(xiàn)象的產(chǎn)生：如果有第二個(gè)噬菌體的DNA侵入溶源細(xì)胞，已存在的阻抑物立即與新基因組中的0和0結(jié)合"阻止了第二個(gè)噬菌體進(jìn)入裂解周期。此外，高濃度的cl能夠負(fù)調(diào)節(jié)自身，其機(jī)理是高濃度的阻抑物能夠與03結(jié)合，阻牛了P開始的轉(zhuǎn)錄。鼻）和0的分區(qū)0分為三個(gè)區(qū)：01,02,03;0也分為三個(gè)區(qū)：01,02,03o皿匕皿P與03有重疊,所以cl與03的結(jié)合能夠阻止從P處轉(zhuǎn)錄。r^dl和CIII的存在對于溶源狀態(tài)也是必需的。當(dāng)入噬菌體剛剛侵入時(shí)，山于沒有阻抑物幫助細(xì)菌的RNA聚合酶結(jié)合到P,噬菌體（更精確說是細(xì)菌）不能合法成cl。因此X噬菌體干擾細(xì)菌時(shí)的第一件事是轉(zhuǎn)錄基因'和cro,此后pN使轉(zhuǎn)錄繼續(xù)延伸，在左方，它使得cIII和其他基因轉(zhuǎn)錄；在右方，它使得ell轉(zhuǎn)錄。ell和cIII的存在使得cl的合成一“無中生有”一成為可能。Cro和ell基因間存在另一個(gè)啟動子P,P只有在ell存在的悄況下才能被RNA聚合酶識別并沁向左轉(zhuǎn)錄，轉(zhuǎn)錄出的mRNA能夠十分冇效的翻譯出cb一定濃度的d就可以啟動自身和d基因的自主調(diào)控的正回路，產(chǎn)生更多的cl。上述為ell啟動溶源途徑的一種機(jī)制，另一種機(jī)制為：ell引起了位于Q基因內(nèi)的啟動子PantiQ的轉(zhuǎn)錄，形成Q基因的mRNA的反義鏈，通過與mR\A朵交而阻止Q蛋口的翻譯。前文已經(jīng)講過，Q蛋口的合成對于裂解也是必須的。說明：有關(guān)d調(diào)控F、P和P更深入的研究?cl調(diào)控P、P和P的過程涉及到多種水平的協(xié)同效應(yīng)，這些協(xié)同效應(yīng)使得調(diào)節(jié)心因子的調(diào)控更為高效。溶源化的建立早期基因得到轉(zhuǎn)錄，N和Cro蛋口產(chǎn)生；'蛋白發(fā)揮抗終止作用，產(chǎn)生ell和cIII;ell和cIII導(dǎo)致cl被表達(dá)；cl協(xié)助建立溶源態(tài)(詳細(xì)內(nèi)容見正文)總結(jié)A噬菌體侵染細(xì)菌后，山于P/0和P/0上沒有阻抑物cl的結(jié)合，所以細(xì)菌RNA^.聚合酶自P和P出開始轉(zhuǎn)錄并形成'蛋白和cro蛋白，轉(zhuǎn)錄終止于左右兩側(cè)的.第一個(gè)啟動子tLl和tRl；'蛋白發(fā)揮抗終止作用，使得轉(zhuǎn)錄越過左右兩個(gè)終止JhmcIII；ell對于cl的產(chǎn)生是必需的,ell導(dǎo)IHW的RNA聚合酶識別P啟動子而向左轉(zhuǎn)錄，從而表達(dá)cl；"無中生有”的cl之后啟動正調(diào)韭節(jié)回路，從P開始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生更多的cl,cl也結(jié)合到0和Ocro蛋口和N,阻止,g的繼續(xù)表達(dá)，從而維持溶源發(fā)育。3.裂解途徑的建立Cro基因?qū)τ赬噬菌體進(jìn)入裂解周期具有關(guān)鍵做作用，其編碼產(chǎn)物Cro蛋白能夠阻止阻抑物的合成，從而消除了建立溶源狀態(tài)的可能性。Cro蛋白形成小的二聚體，作用于免疫區(qū)，它能夠通過維持回路阻止阻抑物的合成，也就是阻止經(jīng)山P的轉(zhuǎn)錄，也能夠抑制早期基因從P和P的表達(dá)，即當(dāng)噬菌體進(jìn)入裂解途徑時(shí),^.Cro蛋白負(fù)責(zé)阻止阻抑物的合成和抑制早期基因的表達(dá)。Cro蛋白具有和阻抑物類似的螺旋一轉(zhuǎn)角一螺旋(helix-turn-helix),因此，而這能夠識別并結(jié)合相同的區(qū)域。以Cro蛋白與右向0/P的相互作用為例:Cro蛋白對03的親和力要比對02和叫01的親和力更強(qiáng)，所以它首先與03結(jié)合，這個(gè)結(jié)合抑制了RNA聚合酶與P的喰結(jié)合，所以Cro蛋口的第一個(gè)作用就是阻止溶源維持回路的運(yùn)行。此后Cro蛋白與02或01結(jié)合，阻止RNA聚合酶利用P,并進(jìn)而停止產(chǎn)生早期功能產(chǎn)物，包”,括Cro蛋口本身。山于ell蛋口不穩(wěn)定，F(xiàn)的作用也被停止，因此，Cro蛋口的韭這兩種作用完全阻斷了阻抑物的合成。山PQ激活晚期基因表達(dá)，這樣噬菌體進(jìn)入裂解途徑4?溶源和裂解的平衡建立溶源態(tài)的起始時(shí)間是Cro蛋白在01和01處的結(jié)合。第二個(gè)位點(diǎn)的結(jié)合伴乩隨這阻抑物二聚體在02和02處的協(xié)同結(jié)合，結(jié)果關(guān)閉了Cro蛋口的合成，并魁開始經(jīng)山P進(jìn)行阻抑物的合成。址進(jìn)入裂解周期的起始事件是Cro蛋口在03出的結(jié)合，這就停止了P處開始的X溶源維持回路。Cro蛋白必須和01或02,以及01或02結(jié)合，以下調(diào)基因表s達(dá)。通過停止合成ell和cIII蛋口，導(dǎo)致從P停止合成阻抑物；當(dāng)不穩(wěn)定的Mil蛋口和CIII蛋口降解時(shí)，阻抑物回路就被關(guān)閉。因此，實(shí)現(xiàn)溶源和裂解間轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵是CII蛋白：如果CII蛋口是有活性的，經(jīng)山F啟動阻抑物合成是有效的，結(jié)果阻抑物占據(jù)操縱基因（ell也通過組織肛蛋口翻譯而阻止后期基因表達(dá)）；如果ell蛋白沒有活性，則不能合成阻抑物，Cro蛋口結(jié)合操縱基因。據(jù)認(rèn)為，在宿主生理狀態(tài)比較好，即營養(yǎng)條件比較適合，菌體代謝旺盛的情況下，ell蛋口沒有活性，噬菌體傾向于進(jìn)行裂解發(fā)育；而宿主生理狀態(tài)不是很理想的狀態(tài)下，ell蛋白有活性，能夠啟動溶源態(tài)的建立。綜合以上信息，噬菌體的基因調(diào)控途徑為：噬菌體侵入后，立即從P1和P1開始轉(zhuǎn)錄，形成'蛋白和Cr。蛋白；N蛋白是整抗終止因子，導(dǎo)致CII和CIII的表達(dá)；cliff啟從P開始的cl合成，從而建址立阻抑物維持回路，噬菌體進(jìn)入溶源狀態(tài)；如果Cro蛋口與03結(jié)合，那么就能，消失而進(jìn)入裂解狀CII最終因?yàn)椴⒆柚乖缙诨虮磉_(dá)，夠切斷阻抑物維持回路，態(tài)。X噬菌體侵染細(xì)菌后，由于P/0和P/0上沒有阻抑物d的結(jié)合，所以細(xì)菌RNA^?聚合酶自P和P處開始轉(zhuǎn)錄并形成'蛋白和"O蛋白，轉(zhuǎn)錄終止于左右兩側(cè)的.第一個(gè)啟動子tLl和tRl；'蛋白發(fā)揮抗終止作用，使得轉(zhuǎn)錄越過左右兩個(gè)終止子而轉(zhuǎn)錄ell和cIII；ell對于cl的產(chǎn)生是必需的，e