e42-2λ噬菌体基因表达的时序性调控

e42-2 λ噬菌体基因表达的时序性调控

在详细介绍λ噬菌体基因表达的时序性调控机理之前，有必要对它的基因组的组成和生活史有所了解。λ噬菌体的线形DNA约含有50个基因，组成4个操纵子[图42-2(1)]。它是一种温和噬菌体，其生活周期分为溶原期和裂解期[图42-2(2)]。

图e42-2(1) λ噬菌体的基因组结构

图e42-2(2) λ噬菌体的生活周期

在不同的时期，λ噬菌体基因组表达的基因差别很大[图42-2(3)]。如果进入溶原期，噬菌体DNA首先环化，前早期基因表达Cro蛋白和N蛋白。晚早期基因表达整合酶和CI阻遏蛋白，其中CI阻止晚期基因表达，整合酶催化λ-DNA通过位点特异性重组整合到宿主DNA上（参看第三十五章DNA重组），以原噬菌体的形式存在，并随着宿主DNA的复制而复制，但不会对宿主细胞造成什么严重的损害。在这期间，只有CI蛋白表达。需要强调的是，整合并非是进入溶原状态必需的条件，因为某些λ噬菌体的变体虽然不能进行整合，但也能以原噬菌体的形式存在，这种情况下的λ-DNA仿佛质粒DNA一样，游离在宿主染色体DNA之外。如果在溶原期，宿主细胞出现饥饿、中毒（如抗生素）或DNA损伤等生存压力，原噬菌体就会被激活，从溶原期转变成裂解期。

在裂解期，也是噬菌体DNA首先环化，前早期基因表达，然后是晚早期基因表达。这时DNA发生双向θ复制。最后是晚期基因表达，DNA通过滚环复制大量扩增，新的病毒颗粒装配，宿主细胞裂解。

图e42-2(3) λ噬菌体生活周期不同阶段的基因表达

（一）前早期的基因表达

在噬菌体感染宿主细胞以后，转录从左右两个主要的启动子（P L和P R）向两个方向展开。这两个启动子可以被大肠杆菌的RNA聚合酶有效地识别，并分别终止于左右两个终止子（t L1和t R1）。转录的终止依赖于ρ因子，转录的产物经翻译分别产生Cro蛋白和N蛋白。Cro也是一种阻遏蛋白，它能与cI蛋白之间竞争结合操纵基因。与此同时，一个没有编码功能短的RNA（始于P R'启动子终止于t R'终止子）也被转录。

（二）晚早期基因的表达

前早期表达的N蛋白是一种抗终止蛋白，能够阻止在t R1和t L1的终止，从而启动晚前期基因的表达。

P L到t L2之间的转录产物是一个多顺反子，包含的基因有：N基因、cIII（编码cIII蛋白）、xis（编码切出酶）、int（编码整合酶）、attP位点、sib位点；P R到t R3之间的转录产物也是一个多顺反子，包含的基因有cro、cII、O基因和P基因和Q基因。CII和CIII——激活CI和溶原反应；O和P——参与DNA 复制和裂解反应；Q——启动晚期基因表达的激活和裂解反应；Red基因——参与重组；Int 和Xis——位点特异性重组和溶原反应。由此可见，晚早期表达基因既有与裂解期相关又有与溶原期相关的基因。

Cro和CI能够与操纵基因O R和O L结合，其中O R由O R1、O R2和O R3三个区组成。

N蛋白的抗终止作用需要宿主细胞表达的一些N蛋白利用物质（N-utilization substance，Nus），包括NusA、NusB、NusE和NusG，其中NusE为核糖体小亚基蛋白S10。单独的NusA与核心RNA聚合酶结合，通常诱导RNA聚合酶的暂停，只有当四种Nus蛋白都与核心酶结合以后，才发生抗终止现象。

（三）λ噬菌体进入溶原周期和裂解周期调控

图e42-2(4) λ噬菌体走向溶原状态或裂解状态的选择在感染细胞以后λ噬菌体是进入溶原周期还是裂解周期，主要取决于生长条件的优劣。一般而言，裂解反应是组成型反应，即它总是以相同的趋势发生，与生长条件无关。然而，溶原反应与生长条件有关：如果生长条件不佳，溶原反应就占优；如果生长条件较好，裂解反应就占优。具体调控机制为[图42-2(4)]：（1）营养丰富时，水解酶活性高→CII被水解→CI 不表达→Cro占据O L和O R→进入裂解周期；（2）营养贫乏时，水解酶活性低→CIII抑制水解酶，保护CII存在→CI表达，同时封闭Cro表达→进入溶原周期；（3）λ噬菌体感染复数较高时，多个基因组表达→产生大量CII和CIII→CI表达→进入溶原周期；（4）溶原状态的维持需要CI的持续表达（5）受到诱变剂或UV时，产生SOS反应→CI在RecA作用下自我切割→P L和P R转录→进入裂解周期。

（四）裂解期晚期基因的表达

Q蛋白在Qut位点（Q-utilization site，靠近P R'启动子）与核心酶结合，限制核心酶的暂停，致使核心酶能够越过t R' 终止子，启动晚期基因的表达，包括S和R裂解基因以及全部头部和尾部基因，导致裂解反应得以发生。如果没有Q蛋白，RNA合成就从P R'开始，终止于t R' 终止子，只有一个没有编码功能的短RNA被转录。

裂解期晚期基因表达的次序是：

（1）在生长条件不错的情况下，宿主细胞表达蛋白酶HflA/HflB，导致cII 的降解。P RE（为阻遏蛋白建立的启动子，promoter for repressor establishment）失活，cI 停止产生。

（2）Cro与操纵子结合阻止cI持续转录所必需的P RM的活性。Cro对O R3/O L3的亲和力最高，因此首先与它们结合而抑制P RM。随着Cro的积累，它也结合O R2/O L2，再结合O R1/O L1，以抑制P R和P L。Cro的结合无协同性，O R3>> O R2 = O R1。

Cro 对各操纵基因亲和力的次序是：O R3 > O R3+O R2或O R3+O R1 > O R3+O R2+O R1。

（3）P L到t L2的转录产生sib区域，sib区域形成的茎环结构被宿主细胞的RNA酶识别，于是RNA从3'→5' 降解，整合酶的ORF受到波及，整合酶的合成因此减少。

（4）λ-DNA 通过滚环复制大量扩增。

（5）P R2到t R5的转录产生头部蛋白、尾部蛋白和裂解蛋白。

（五）溶原期晚期基因的表达

晚期溶原发生在生长条件不佳的细胞。相关的基因表达的次序是：

（1）在生长条件不佳的情况下，宿主细胞的蛋白酶HflA/HflB停止合成，于是CII不会被水解。CII 激活P RE、P I和P anti-Q三个启动子的基因转录。

（2）从P I开始的转录物仅含有整合酶的阅读框架，因而提高了整合酶的量。

（3）从P anti-Q开始的转录物产生Q的反义RNA，以便和Q 的阅读框架互补配对（始于P R终止于t R3），阻止Q的翻译，依赖于Q蛋白的抗终止作用就不复存在。

（4）从P RE开始的转录含有Cro的反义序列以及CI 的ORF。转录物的5'-端含有的cro 反应序列能够与cro 的ORF（始于P R的转录物）结合，阻止Cro的翻译。于是，Cro蛋白浓度下降，在和CI与操纵子的竞争结合中“败下阵来”。

（5）CI 蛋白由2个亚基组成，形成哑铃状结构。每一个亚基在一端与DNA结合，另一端相互结合。CI 对O R1/O L1的亲和力最高，但与O R1和O R2的结合具有协同性。在CI 浓度低的时候，它与O R1/O L1和O R2/O L2结合。CI与O R1的结合阻遏始于P R和P L的转录。CI 与O R2的结合激活始于P RM的转录，始于P RM的转录仅转录CI基因。因此，CI 是一个正自我调控；在高CI浓度下，CI也与O R3/O L3结合，但CI 与O R3的结合阻遏起始于P RM的基因转录，于是CI 又能够负自体调控。

CI 与操纵基因结合的亲和力顺序为：O R1 = O R2 >>> O R3。

（6）在重组酶的催化下，λ-DNA经过位点特异性重组整合到宿主DNA的attB位点，