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1、生命科学学院噬菌体的裂解性和溶原性的基因调控机制姓名：学号: 班级：专业:摘要噬菌体（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）。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: 噬菌体、裂解性、溶原性目录1.摘要22. 噬菌体的结构组成32.1壳体结构 32.2噬菌体的核心33
2、. 噬菌体的生活周期63.1 噬菌体DNA复制63.2噬菌体的转录调控73.3噬菌体的溶原性感染 93.3.1噬菌体溶原化状态的建立93.3.2噬菌体基因组的整合113.3.3原噬菌体的割离123.3.4裂解性-溶原性选择决定154. 参考文献161951年 Esther Lederberg 发现E.coli K12菌株经UV诱发或偶尔自发放出噬菌体。 E.coli K12中有潜伏的、无感染能力状态的噬菌体，称原噬菌体。将这种噬菌体命名为。侵染E.coli后可进入裂解周期（lytic cycle）或溶原周期（lysogeny）。2. 噬菌体的结构组成2.1壳体结构噬菌体是有尾噬菌体，壳体由头部
3、和尾部组成，头部和尾部通过颈部相连。头部通常呈二十面体对称，直径为60nm左右；尾部呈螺旋对称，无收缩性。噬菌体头部蛋白主要有gpE(38kD)和gpD(12kD)，他们以非二硫键进行共价连接。2.2噬菌体的核心噬菌体核心包含线状dsDNA，分子量为30.8MD，含有48502bp，其双链DNA的两5端叫做m端, 末端碱基为G，为左向或反时针方向转录的链。R链或右链5端称为m端，末端碱基为A。DNA被注入到宿主细胞后，可借助两5端单链的氢键缔合和连接酶的作用形成闭合环状DNA。由于噬菌体即可进行裂解生长，也可进入溶原化状态，因此噬菌体基因组的结构是与它的这些特性相适应的，其中一些基因决定裂解生
4、长，另一些基因决定噬菌体的溶原化，甚至还有一些基因可以对这两种状态的转变行使调节作用。噬菌体基因组DNA总长度为48502bp，呈线状，当其DNA进入细胞后和基因进行转录时则呈环状。根据DNA的环状结构，可将66个可编码的基因分成3个功能区(functional block)：右边的功能区参与衣壳形成和DNA复制，称为右操纵子区；左边的功能区与裂解生长和溶原化功能有关，xc 称为左操纵子区，中央功能区是基因组调控操纵子区，也称为免疫操纵子区。左图为噬菌体的基因图。（1）右操纵子区 A至J为构成衣壳蛋白的基因，其中S、R基因与裂解作用有关。O、P为DNA复制基因，与复制原点(ori)靠近，Q为抗
5、终止因子基因。（2）中央调控操纵子区 cI为阻遏物基因，其基因产物是噬菌体基因组早期转录的阻抑物；cro为操纵基因OL和OR的阻抑物基因，其蛋白产物通过OR可抑制左向cI基因的转录。c基因产物能激活cI和int转录，与噬菌体进入或维持溶原化状态有关。（3）左操纵子区 N是抗转录终止基因，N基因产物能拮抗早期转录终止子tR1、tR2和tL1、tL2，使PL和PR的转录作用各自越过终止子区而继续向左和向右进行延伸转录。exo和bet是位于red区域的两个基因，常被称为red基因，red为重组相关的基因，其基因产物为核酸外切酶，参与裂解生长早期所发生的重组，并能使DNA的型复制转变为滚环复制。Gam
6、为大肠杆菌外切核酸酶V的抑制物基因，gam基因产物可使宿主recB和recC基因编码的外切核酸酶失活，而外切核酸酶V则降解由滚环复制所产生的线状多联体DNA。int是整合酶基因，int基因产物能识别宿主细胞染色体DNA和噬菌体基因组上相应的att位点，并能催化二者的断裂和再连接。Att位点称为附着位点，在宿主细胞DNA上称为attB，在噬菌体DNA上称为attP, attB和attP位点分别有一段由15bp组成的同源核苷酸序列，借助同源性重组作用可使噬菌体基因组插入到宿主的染色体DNA上。Xis为切除酶基因。Int和xis基因产物共同作用，能使att位点发生重组，并将原噬菌体基因组DNA从宿主
7、染色体中切割下来，使噬菌体进入裂解过程。在左区还有一个c基因，它的基因产物可行使c样的功能，即激活cI和int的转录。在b2区域内的一些基因不是噬菌体存活和感染所必需的，它们包括DNase、膜蛋白基因和int基因表达的调节位点。从噬菌体整个基因组来看，相邻基因之间的终止位点和起始位点常发生重叠。如在ATGA序列中，TGA是前一个基因的终止密码子，而ATG则是后一个基因的起始密码子，像这样的重叠结构，噬菌体基因组中就有30个，整个基因组很少有非编码区。表1 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PL,OL,PR,OR左右向转录的启动子和操纵子tR(1,2,3,4,5
8、)右向转录的终止子tL(1,2)左向转录的终止子PREC蛋白建立启动子，受C蛋白调控PIint基因启动子，受C蛋白调控PaQQ蛋白反义RNA启动子，受C蛋白调控PRMC蛋白基因维持启动子，受C浓度调控PR晚期转录的启动子nutL,nutRN蛋白左右两个反终止结合位点qutQ蛋白反终止结合位点croPL和PR的阻遏蛋白，并可阻遏PE，抑制CI表达cIPL和PR的主要的阻遏物，并可自主调控PRMc可以启动PRE、PI和PAQ，使进入溶原化途径c和C组成复合物，启动PE产生c及cro的反义RNANtR1,tR2及tL1的反终止蛋白QtR4的反终止蛋白.O, PDNA复制所需的蛋白S,R,R2裂解宿主
9、所需的裂解酶int整合酶，使整合到宿主的染色体中xis切除酶，帮助在att位点和宿主连接bet, exo重组蛋白，帮助和宿主进行重组W,B,N u3,C,D,E,F,F,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3. 噬菌体的生活周期3.1 噬菌体DNA复制噬菌体DNA复制分为早期复制和晚期复制。在早期和晚期复制阶段各具有不同的复制方式，早期为复制，晚期为滚环复制。（1）复制 复制是从一个复制原点起始的，并且通过左复制叉和右复制叉产
10、生双向复制。复制原点的组成：噬菌体的复制原点存在于基因O区域内，由三个部分组成：一是4个高度保守的同向重复序列，由19bp组成，被称为ori重复序列；二是大约为40bp组成的AT富含序列，其中AT占80；三是28bp组成的回文序列，中间不对称的部分含有4bp，见下图。复制的起始：DNA复制是从复制原点起始的，ori的DNA链解旋要有基因O和基因P产物的参与，然而基因O和基因P的转录却是通过右向启动子PR和右向操纵基因OR发动的。如果cI基因编码的阻遏蛋白结合在PR和OR上，基因O和基因P就不能进行转录，DNA复制也随之被阻断。通常基因O和基因P一旦编码形成蛋白0和蛋白P，蛋白O就可以识别和结合
11、4个ori重复序列，并且再通过蛋白P同大肠杆菌的dnaB基因编码的解旋酶相互作用，构成复制复合体，后者与蛋白O在ori部位作用，使DNA双链解旋，然后由引发酶催化合成一段引物RNA，再在DNA聚合酶的催化下启动DNA复制，从ori起始，DNA呈双向复制。值得指出的是，在复制原点部位的AT富含序列具有两个方面的功能，一是AT富含区段呼吸作用强易于使DNA解旋。二是AT富含序列易于产生 RNADNA合成的转变。DNA所进行的复制，没有固定的复制终点，当两个复制叉碰撞在一起的时候，复制便告终止。（2）滚环复制 在噬菌体进行裂解生长的晚期，早期蛋白合成关闭，衣壳蛋白和溶细胞蛋白开始合成，DNA的复制也
12、由复制转变为滚环式复制。DNA滚环复制为单向复制，故它又称为复制，由滚环复制产生的多联体线状分子经内切酶识别并切开从粘性末端cos位点，形成线状DNA分子。再经过衣壳蛋白将线性DNA分子包装在衣壳内。大肠杆菌的外切酶V能阻止噬菌体DNA滚环复制，但gam基因产物能使这种酶失活。3.2噬菌体的转录调控噬菌体基因组的转录过程较为复杂，其DNA的两条链都有各自的转录单位，r链为右向转录，l链为左向转录，一些在功能上密切相关的基因聚集而成几个大的转录单位，即4个操纵子，他们分别称为阻遏蛋白操纵子、左向早期操纵子、右向早期操纵子和右向晚期操纵子。阻遏蛋白操纵子含有cI基因，其产物cI蛋白为DNA的阻遏蛋
13、白；左向早期操纵子主要编码与重组、整合、割离有关的蛋白；右向早期操纵子主要编码与复制有关的蛋白；晚期操纵子编码头部结构蛋白，还有溶菌酶，与噬菌体的裂解作用有关。晚期操纵子是一个大的操纵子，含有20多个基因。噬菌体左右向早期操纵子并非是各自仅仅转录合成一条mRNA，而是右向早期转录操纵子转录合成3种mRNA（R1，R2和R3），左向早期转录操纵子转录合成两种mRNA（L1和L2）。噬菌体mRNA的转录终止是通过依赖于因子的终止子以及抗终止子来调控的。在左向早期操纵子中，具有一个依赖于因子的终止子tL1，宿主RNA聚合酶从左向启动子PL转录至终止子tLl，产生L1mRNA；在右向早期操纵子中具有两
14、个依赖于因子的终止子tR1、tR2和一个对于抗终止作用不敏感的终止子tR3，大肠杆菌聚合酶从右向启动子PR开始转录合成R1mRNA。L1mRNA为基因N转录产物，R1mRNA为基因cro的转录产物，这两个基因均称为极早期基因，而两个左右早期转录操纵子的其他基因称为延迟早期基因。蛋白N能阻止终止子tL1、tR1和tR2的终止作用，而使延迟早期基因得到表达，转录生成L2、R2、R3三种mRNA,其中L2和R2mRNA编码合成与cI基因表达密切相关的C和C蛋白，以及DNA复制所需的0和P蛋白；R3mRNA翻译合成Q蛋白。3.3噬菌体的溶原性感染噬菌体除了能产生裂解繁殖外，它的基因组还可以被整合到宿主
15、染色体DNA上，并且长期存在于宿主细胞中。整合后的噬菌体基因组能随宿主DNA一起复制，当细菌分裂产生子代细胞时，其子代染色体DNA中都带有整合的噬菌体基因组，这种噬菌体基因组的整合作用就称为噬菌体的溶原化（lysogenization）。染色体DNA上整合有噬菌体基因组的宿主细胞叫做溶原菌（lysogen）,而被整合的噬菌体基因组叫做原噬菌体（prophage）。3.3.1噬菌体溶原化状态的建立在噬菌体感染早期，宿主DNA聚合酶能识别PR和PL，并启动早期转录。基因cro依赖PR启动子进行转录，其转录产物编码合成Cro阻遏蛋白，Cro蛋白是一种DNA结合蛋白，能结合于OL和OR的CI阻遏蛋白结合部位，Cro蛋白通过结合于OR中的OR3而干扰RNA聚合酶从PRM起始基因cI的转录。然而，就在基因cro转录的同时，一种依赖于PL启动子的基因N也已开始转录和合成N蛋白，由于N蛋白的抗终止作用，导致基因c和c的转录，编
