λ噬菌体的基因调控策略

λ噬菌体的基因调控策略

λ噬菌体侵染细菌后，由于P

L /O

L

和P

R

/O

R

上没有阻抑物cI的结合，

所以细菌RNA聚合酶自P

L 和P

R

处开始转录并形成N蛋白和cro蛋白，转录终止

于左右两侧的第一个启动子tL1和tR1；N蛋白发挥抗终止作用，使得转录越过左右两个终止子而转录cII和cIII；cII对于cI的产生是必需的，cII导致细菌的RNA聚合酶识别P

RE

启动子而向左转录，从而表达cI；“无中生有”的cI

之后启动正调节回路，从P

RM 开始转录产生更多的cI，cI也结合到O

L

和O

R

，阻

止N蛋白和cro的表达，使λ噬菌体维持溶源发育。

如果早早期基因表达翻译出的Cro蛋白与OR3结合，就能够停

止从P

RM 处开始的阻抑物合成；Cro蛋白同时跟O

R

1或O

R

2，以及O

L

1或O

L

2结合，

以下调基因表达。通过停止合成cII和cIII蛋白，导致从P

RE

停止合成阻抑物cI；当不稳定的cII蛋白和cIII蛋白降解时，阻抑物回路就被关闭。

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λ噬菌体是一种感染大肠杆菌的温和噬菌体，侵染E.coli后既能进行复制和造成细菌裂解死亡，又能整合进入E. coli基因组并随着宿主基因组进行复制，进行溶源态生存。溶源发育尽管十分稳定，但是仍然可以通过一些损害宿主细胞的诱导剂使之诱导进入裂解感染。λ噬菌体的裂解发育、溶源发育和溶源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【Donald L. C. et. al., 2007】。

I．两种发育途径简介

λ噬菌体在裂解发育中的繁殖过程为吸附宿主、向宿主注射核酸物质、基因的复制和蛋白质的表达、宿主细胞的裂解和子代噬菌体的释放（如图1）。裂解发育通过使噬菌体的基因按照一定的顺序表达而完成，这样就保证了每种成分在生命周期适宜的时间表达。裂解周期可以分为两个主要的阶段：

早期感染—从噬菌体DNA进入宿主到开始复制的这一段时期，主要合成与

DNA 复制有关的酶类，如参与DNA复制、重组和修饰的酶；

晚期感染—从复制开始到最后细胞裂解释放出子代噬菌体颗粒的过程，主要合成噬菌体颗粒的蛋白质外壳，由于噬菌体需要许多不同的蛋白质外科组建成衣壳和尾，因此基因组的绝大部分是用于执行晚期功能的。

噬菌体基因表达的早期阶段只有少数基因表达，并且严重依赖宿主的转录机构，例如RNA聚合酶和σ因子。这些基因被成为早早期基因（immediate early gene）。第二类基因称为迟早期基因（delayed early gene）。裂解周期受到正调控作用，即每组基因只有受到恰当的信号刺激时才能启动表达。因此，早早期基因的表达编码了迟早期基因的调控蛋白，这种调控蛋白对于迟早期基因的表达是必需的。当噬菌体DNA开始复制时，晚期基因（late gene）开始表达。晚期基因的表达需要早早期或迟早期基因的编码产物作为信号，在λ噬菌体中，这种调控信号是一种抗终止因子。

因此，裂解性感染通常分为三个时期：第一个时期由宿主RNA 聚合酶转录噬菌体早期的转录调控因子；第二个时期的基因在前一阶段表达的调控因子的作用下进行转录，此阶段表达的基因大多数为噬菌体复制所必须；第三个时期由编码噬菌体成分的基因组成，他们能够在第二个时期合成的调控因子的指导下转录。每个时期的基因都含有编码下一套基因表达所必须的转录因子基因，而本时期的基因表达也必然要受到上一阶段表达的转录因子的调控，这样裂解发育过程就形成了一种级联反应控制过程。

在级联反应中，上一阶段编码的转录调控因子对下一阶段的调控作用有几种不同的机制，调控因子可能是一种新的RNA聚合酶，或者是产生一种新的σ因子，从而使得RNA聚合酶在

本阶段识别不同的启动子并与之结合，开启不同

的 Figure 1. 噬菌体典型的裂解周期

基因转录；调控因子也可以是一种抗终止因子，由于抗终止过程，是的RNA聚合酶不仅能够转录原来的基因片段，而且能够越过终止子通读随后的序列。两种机制的比较如下图。

Figure 2 左图上：由于终止子（terminator）的作用，RNA聚合酶只能转录终止子之前的基因；左突下：由于早期的转录产生的调控因子产生新的RNA聚合酶或新的σ因子，所以RNA聚合酶能够识别不同的启动子，启动下一时期的基因表达。右图上：RNA聚合酶只能转录终止子前的基因；右图下：由于前期基因表达的调节因子具有抗终止作用，因此，RNA聚合酶越过终止子通读后期的基因，造成前期和后期基因的共同表达。

在λ噬菌体中，控制早早期基因向迟早期基因表达的调控因子主要是通过抗终止子起作用的。

事实上，当λ噬菌体侵入细胞后，裂解和溶源途径是以同样的方式开始的，二者都需要早早期和迟早期基因的表达，之后两种途径产生分歧：若晚期基因得到表达，则启动裂解过程；若晚期基因受到抑制，则启动溶源发育。

II.调控发育途径的分子基础

λ噬菌体的基因组为环状结构（Figure 3），其中与转录调节

有关的基因有：P

L , P

R

, O

L

, O

R

, t

L

1, tR1, cI, cro, nutR, nutL, cII, cIII,

tR2, P

RM , P

RE

等，各基因详细的功能将在下文叙述。

Figure 3 λ噬菌体基因图λ噬菌体基因组为48502bp的环状DNA分子。图中，ORF是彩色盒装表示；启动子用三角形箭头表示；转录子用基因上方或下方的彩色线条表示；溶源发育所需基因用红色表示；早期裂解所需基因用绿色（从P

R 开始转录）和紫色（从P

R

’开始转录）表示。与细胞裂解和噬菌体头尾部有关蛋白的晚期基因转录子为紫色线条；整合和切除有关的基因（int和xis）转录子用桔黄色表示；；从cII激活的启动子出开始转录的基因用换色表示；黏合位点（cos）和噬菌体的结合位点(attP)用黑色圆环和矩形表示。

1.两种途径共同的早期基因表达途径

λ噬菌体早早期基因只有两个N基因和cro基因，他们都是有宿主的RNA聚合酶编码的。N基因编码一种抗终止因子，它能够作用与nut位点，使得转录进入迟早期基因；cro基因的转录产物具有双重功能，既能阻止阻抑物的合成，也能关闭早早期基因的表达。迟早期基因具有两条用于复制的基因，7条用于重组的基因和3条用于编码的基因，其中调控基因中cII和cIII是合成阻抑物所必需的，调控因子Q是使宿主RNA聚合酶转录晚期基因的抗终止因子。

当λ噬菌体进入感染细胞后启动早早期基因的转录。宿主的

RNA聚合酶结合左向和右向的启动子P

L 和P

R

结合并启动向左和向右的转录。向左

转录终止于第一个终止子tL1，表达一种蛋白质pN；向右的转录终止于右侧的第一个终止子tR1，表达产物为Cro蛋白。两种表达产物都是一种转录调节蛋白。