λ噬菌体溶源途径和裂解途径的基因调控

λ噬菌体溶源途径和裂解途径的基因调控

摘要

λ噬菌体侵染细胞后，大多数情况下进入裂解循环，λDNA复制，产生较多的噬菌体粒子。而在以对数期以后的细菌和培养在缺乏碳源物质的培养基中的细菌作为寄主时进入溶源化途径，只有与溶源化有关的少数基因如cI才被表达。另外溶源性细菌受到UV照射等因子诱导时，原噬菌体可以脱离细菌染色体而进行自我复制，最终导致细菌裂解，游离出大量噬菌体。噬菌体是进入裂解循环还是整合到寄主染色体上形成溶源态，这主要取决于CI蛋白和Cro蛋白的合成及它们的调控作用。

关键词

λ噬菌体，溶源化，裂解，基因调控，CⅠ蛋白，Cro蛋白

一．λ噬菌体基因组和调控区

λDNA分子总长度为48.5kb，编码66个基因（如下图所示），可分为三个区域：1.左臂区，自基因A到基因J，包括参与噬菌体头部蛋白质和尾部蛋白质合成所必需的全部基因。

2.中间区，介于基因J和基因N之间，这个区又称为非必需区，包含了与重组有关的基因（如基因gam）以及使噬菌体整合到大肠杆菌染色体中去的int基因和把原噬菌体从寄主染色体上切除下来的xis基因。

3.右臂区，位于N基因的右侧，包括全部主要的调控基因（cⅠ，c Ⅱ和cro）,噬菌体的复制基因（O和P）以及溶菌基因（S和R）。

λ噬菌体主要的调节元件及调节基因产物的功能

调节元件或调节基因产物及功能

P L,O L, P R,O R左右向转录的启动子和操纵子

t R(1,2,3,4,5)右向转录的终止子

t L(1,2)左向转录的终止子

P RE CⅠ蛋白建立启动子，受CⅡ蛋白调控

P I int基因启动子，受CⅡ蛋白调控

P aQ Q蛋白反义RNA启动子，受CⅡ蛋白调控

P RM CⅠ蛋白基因维持启动子，受CⅠ浓度调控

P R′晚期转录的启动子

nut L, nut R N蛋白左右两个反终止结合位点

qut Q蛋白反终止结合位点

cro P L和P R的阻遏蛋白，并可阻遏P E，抑制 CI 表达

c I P L和P R的主要的阻遏物，并可自主调控P RM

cⅡ可以启动P RE、P I和P AQ，使λ进入溶原化途径

cⅢ和CⅡ组成复合物，启动P E产生cⅠ及cro的反义RNA N t R1, t R2及t L1的反终止蛋白

Q t R4的反终止蛋白.

二．λ噬菌体转录调控

λ噬菌体的调控有多种形式，有正调节、负调节、自主性的反馈调节、抗终止调节、反义调节及反向调节等。λ噬菌体基因组中与调控有关的基因或位点集中在c Ⅱ 和c Ⅲ 之间,这一区域称为调控区。调控区内共有四个启动子：右向启动子P R ，左向启动子P L 和另外两个左向转录的启动子P RE 和P RM 。左向和右向操纵基因O L 和O R 各由大约80个碱基对组成，每个操纵基因有三个结合位点，分别称为O L 1，O L 2，O L 3和O R 1， O R 2， O R (如下图所示)。每一位点都有17个碱基对，3个位点的碱基顺序相似但不相同。C Ⅰ阻遏蛋白和Cro 蛋白都能与操纵基因O L 和O R 结合。

在λ噬菌体发育中有两个可调控阶段，溶原化周期和裂解周期，而这两个周期是相互连系的。当λDNA 进入新的宿主细胞时裂解和溶原化的途径并存。早早期和晚早期的基因都需要表达。然后就要分化了：若晚期基因得到表达那么就向裂解途径发育；若阻遏物CI 蛋白合成被建立了，那么就要进入溶原化途径。在调节基因中，有早早期基因N 与cro 。它们是由不同的模板继转录的，N 向左，cro 向右，N 反终止蛋白的存在使转录持续向前（穿过终止子）进入重组基因区；向右进入复制基因区以后，DNA 末端相互连接形成了一个环状的DNA 。晚期基因是作为单个的转录单位表达的，从位于Q 和S 之间的启动子PR ′开始，此启动子是连续使用的。但当Q 蛋白缺乏时，晚期转录终止在tR3位点，产生了长194b 的转录本，称为6S RNA 。当Q 蛋白存在时，它阻遏了tR3的终止和6S RNA 的表达，结果晚期基因得到表达了。晚期的反终止的作用与N 蛋白的反终止作用是相似的。pQ 作用的qut 正好位于晚期启动子的下游，RNA 聚通过此处时，pQ 与其作用消除了终止。晚期基因的转录并不在任何特殊位点终止，它转录所有的晚期基因，进入这些基因以外的区域。左边的晚早期转录与此相似，持续穿过重组基因区。每一方向的转录都有可能在聚合酶闯入另一区域时而终止。

λ噬菌体从早期基因表达转换到下一期基因表达采用了一个完全不同的控制机制——反终止作用。早期基因是与下一期的基因相连接的。但二者之间有一个终止子位点。若终止作用在这个位点被阻止的话，那么RNA 聚合酶就可以通读而进入另一基因。这样在反终止作用中，相同的O, P

DNA 复制所需的蛋白 S , R , R 2

裂解宿主所需的裂解酶 int

整合酶，使λ整合到宿主的染色体中 xis

切除酶，帮助λ在att 位点和宿主连接 bet, exo

重组蛋白，帮助λ和宿主进行重组 W , B , N u 3, C , D , E , F Ⅰ, F

Ⅱ,Z 头部蛋白基因

U , V , G , T , H , M , L , K , I , J 尾部蛋白基因

cos (cohesive)

12bp 的回文序列，由线状连接成环状的连接点，A 蛋白切割位点 A 末端酶，识别cos 位点，包装时将环连体切成单个的基因组

启动子可以继续被RNA聚合酶所识别。因此新的基因是通过RNA的延续，形成一个长的RNA链而得到表达的，在这种的RNA中，5′端是早期基因的序列，3′端是下一期基因的序列。由于这两种序列彼此连接在一起，早期基因的表达必然是继续的。宿主的RNA聚合酶起始转录两个早早期基因，下一期基因的转录表达是由早期基因末端的终止子控制的。结果晚早期基因也得到了表达。控制从早早期基因转换为晚早期基因表达的调节基因是N，此是通过N基因的突变鉴别出来的。N基因只能在早早期转录，它的作用不进一步地进入感染循环。pQ是噬菌体在感染晚期的抗终止蛋白。qut序列是pQ作用所需要的，它位于晚期转录单位的起始处。qut的上游部分位于启动中。下游部分位于转录区的起始处，这意味着pQ的作用涉及到DNA的识别。pQ的基本作用是干扰停顿，一旦pQ作用在RNA聚合酶上，这个酶就明显地在所有位点减少停顿，包括在ρ依赖性终止位点和内部终止位点。所以pQ并不直接地作用终止子本身，但它可以使酶急速地通过终止子。这样就消除了核心酶或附加因子产生终止的机会。

三．CⅠ蛋白与Cro蛋白

CⅠ基因编码阻遏蛋白，此基因突变则不能建立溶源性而是进入裂解循环。CⅠ基因从

P RM启动子转录。CⅠ阻遏蛋白是由236个氨基酸组成的多肽，它有两个不同的结构域，一个

是N末端结构域，它提供与操纵基因结合的位点；另一个是C末端结构域，其功能是负责

二聚体的形成（阻遏蛋白只有二聚体形式能结合DNA）。CⅠ阻遏蛋白可独立结合在O L和O R

操纵基因上，结合在O L有负调控功能，结合在O R上有正调控和负调控功能。在每个操纵基

因上，位点1对CⅠ阻遏蛋白比其他位点有更大的亲和力，所以CⅠ阻遏蛋白总是首先结合

O L1和O R1。阻遏蛋白与位点1结合大大增加第二个CⅠ二聚体蛋白与位点2的亲和力。在一

个溶源菌通常的阻遏蛋白浓度下，每个操纵基因上的位点1和位点2被占据后，不再占据位

点3.由于O L1和O R1或多或少分别与P R 和P L的RNA聚合酶结合位点中心重叠，因此CⅠ蛋

白结合O L1- O L2和O R1 -O R2，从物理上阻止RNA聚合酶接近相应的启动子，从而关闭了从P L

和P R启动子开始的转录作用，则整个左向早期转录的表达被阻止（负调控），右向转录的

Cro和复制蛋白基因O和P也不能表达（负调控），因此裂解循环被阻止。另外，阻遏蛋白

结合在O R后还有另一种功能，即CⅠ二聚体结合O R2后，促进RNA聚合酶结合P RMQ启动子，

因此阻遏蛋白有激活自身（CⅠ）转录的作用（正调控）。