λ噬菌体的裂解性和溶原性的基因调控机制

λ噬菌体的裂解性和溶原性的基因调控机制

摘要：

λ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）。λ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：λ噬菌体、裂解性、溶原性

1951年J. Lederberg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λ，经10年的研究搞清了溶原化的实质。

λ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λ CⅠ基因的产物CⅠ蛋白，这是一种阻遏蛋白，可以阻止λ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。λ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CⅠ蛋白（见第17章），诱导90％的细胞裂解。有时λ也可自发地（10-5）从宿主的染色体上游离出来，进行复制，最终导致宿主细胞的裂解，此称为治愈（curing）。游离在细胞质中的λ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λ噬菌体，使细胞裂解，释放出λ噬菌体再感染新的细胞。（图8-19）。因为λ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，λ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（λ）×F－所得到的重组子频率要比Hfr×F－（λ）或Hfr（λ）×F－（λ）要低得多。这是由于在Hfr（λ）×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Hfr×F－（λ）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。

λ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，在大多数情况下称为早期基因（early gene），在λ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。λ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。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。

λ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λ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P L和P R开始转录早早期基因N和cro。由于λ噬菌体是利用抗终止作用进行下一个阶段的表达。启动子P L、P R位于cⅠ的左右两测。与每一个启动子相连的为操纵基因（O L、O R）。

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 Ⅰ的突变可以使噬菌体无法维持溶原态进入裂解周期。

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cⅠ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cⅠ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，cⅠ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。