《续1λ噬菌体的调控.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《续1λ噬菌体的调控.ppt（87页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 噬菌体的基因表达调控噬菌体的基因表达调控 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。其机制之精巧，过程之复杂，形式之多样堪为集原核生物调控之大成。噬菌体是一种以大肠杆菌为宿主的温和型噬菌体，它感染大肠杆菌后，通过精确的基因表达调控机制选择裂解周期或溶原周期。噬菌体长48502nt，共61个基因，其中32个较为重要 .一、Lamdaphage简介的的整整个个生生命命过过程程都都离离不不开开寄主的RNA聚合酶，因因为为噬噬菌菌体体没没有有编编码码RNARNA聚聚合酶的基因。合酶的基因。DNADNA两两条条链链都都有有遗遗传传密密码码，有有各各自
2、自的的转转录录单单位位向向右右转转录录的的叫叫R R链链；向向左左转转录录的的叫叫L L链。链。Lytic:threephases-immediateearly,delayedearlyandlate（lysis）.Replicationofthelambdagenome,productionofviralcoatproteins,andassemblyofprogenyphage.Lysogenic:threephases-immediateearly,delayedearlyandlate（lysogeny）.RepressorproteincIisproducedwhichbindsto
3、thetwooperatorregions,OR and OL. Transcription of all lambda genes except cI is stopped.Noprogenyproduced.Phagegenomeintegratesintohostgenomeandbecomesprophage.Notdisadvantageousforhost.-DNA-DNA的基因顺序组织的基因顺序组织如图所示如图所示，按基，按基因组功能共分六大区域因组功能共分六大区域: :头部编码区、尾头部编码区、尾部编码区、重组区、控制区、复制区和部编码区、重组区、控制区、复制区和裂解区裂解区.
4、 .它们分属四个操纵子结构：阻遏蛋白操它们分属四个操纵子结构：阻遏蛋白操纵子、早期左向操纵子、早期右向操纵纵子、早期左向操纵子、早期右向操纵子以及晚期右向操纵子。子以及晚期右向操纵子。 噬菌体的基因组结构噬菌体的基因组结构Bacteriophagelambdagenome.png图中OR1、2、3的顺序反了?WhencontemplatingIsuggestattentionbepayedtothefollowingconcepts:时间,空间,量（浓度）,或然性temporal，spatial，amount(concentration)，random(toacertainextent) -D
5、NA-DNA在宿主细胞环化后，由于在宿主细胞环化后，由于DNADNA分子上没有分子上没有任何调控蛋白存在，因此宿主的任何调控蛋白存在，因此宿主的RNARNA聚合酶便分聚合酶便分别结合于别结合于P PL L和和P PR R . . 2.immediate earlyimmediate early Boththelyticandlysogenicpathwaysrequireexpressionoftheimmediateearlyanddelayedearlygenes.WhenlambdaDNAentersanewhostcell，thelyticandlysogenicpathwayssta
6、rtoffthesameway.Figure 12.12 Phagelambdahastwoearlytranscriptionunits;intheleftwardunit,theupperstrandistranscribedtowardtheleft;intherightwardunit,thelowerstrandistranscribedtowardtheright.GenesN andcro areseparatedfromthedelayedearlygenesbytheterminators.SynthesisofNproteinallowsRNApolymerasetopas
7、stheterminatorstL1totheleftandtR1totheright.或许这种抗终止机制的使用是为了保证细胞中一开始就累积一定量的Cro蛋白。2.1Lambdahasonlytwoimmediateearlygenes,N and cro. 1)N. N codesforanantiterminationfactorwhoseactionatthenut sitesallowstranscriptiontoproceedintothedelayedearlygenes;2)Cro. Cro hasdualfunctions:BybindingtoOR(OR3)itpreven
8、tssynthesisoftherepressorCIwithPRM ;ByinteractingwithOL (OLl)and OR(ORl)itturnsoffexpressionofthe immediate early genes(whicharenotneededlaterinthelyticcycle（包括自体调控）Cro 浓度较高时。tworeplicationgenes(neededforlyticinfection),sevenrecombinationgenes(someinvolvedinrecombinationduringlyticinfection,twoneces
9、sarytointegratelambdaDNAintothebacterialchromosomeforlysogeny),andthreeregulators，cII，cIII，Q(位置较靠后）。3.delayedearlystageThedelayedearlygenesincludeThethreeregulatorshaveopposingfunctions:ThecII-cIII pairofregulatorsisneededtoestablishthesynthesisofrepressor.lysogenTheQ regulatorisanantiterminationfac
10、torthatallowshostRNApolymerasetotranscribethelategenes.lytic1)CII CII is a transcription activator. It activates transcription at three promoters: PRE, PI and PaQ.v活化P PRERE：产生阻遏蛋白产生阻遏蛋白CICI。稍后进一步介绍。稍后进一步介绍。v活化整合酶启动子PI：由PI起始的mRNA在int基因末端后面约300nt的终点子处停止转录。由PI转录的mRNA较为稳定。虽然int基因也可以由启动子PL起始转录，但产生的intmR
11、NA会被细胞中的核酸酶所降解，并不能产生整合酶。因为由启动子PL起始转录，RNA聚合酶经过N抗终止蛋白的修饰可以通过终止子tL2，这样RNA得以延伸，形成了核酸酶的靶位点sib。它首先被RNase剪切，接着核酸外切酶从3-5降解mRNA.sib是int基因下游的负调节位点，降解由下游向上游方向进行，故称其为反向调节（反向调节（retroregulation）。）。v活化活化PaQ ：Transcription from PaQ makes a short 60 nt self-terminating transcript which functions in ANTISENSE control
12、 of Q expression. InordertobecomeestablishedasalysogeninE.coli,bacteriophagelambdamustdotwothings:repressormustbesynthesizedthephagemustbecomeintegratedintothehostchromosomePlease Remember:Conclusion:CIIisessentialforlysogeny.Withoutit-orwithoutenoughofit-lysogenicgrowthisnotpossible.2)CIII:achapero
13、neproteinthatprotectsCIIfromhostproteasesCIIalonehasahalf-lifeof1min.InthepresenceofCIII,CIIhasahalf-lifeof5min.3)Q4) AntiterminatoroftR4,allowstranscriptionfromPR2(alsocalledPR)toproceedthroughtotR5,thustranscribingallofthelatelambastructuralgenesrequiredforphageassembly.ButatthisstageQmaynotexistb
14、ecauseCII(基因位置在Q基因之前）activatesPaQ .维基也解说为维基也解说为No Q.Lambda immediate early and delayed early genes are needed for both lysogeny and the lytic cycle晚早期基因包括晚早期基因包括晚早期基因包括晚早期基因包括2 2 2 2个复制基因个复制基因个复制基因个复制基因（裂解感染所需（裂解感染所需（裂解感染所需（裂解感染所需的），的），的），的），7 7 7 7个重组个重组个重组个重组基因（有的和裂基因（有的和裂基因（有的和裂基因（有的和裂解感染中的重组解感染中
15、的重组解感染中的重组解感染中的重组有关，其中有有关，其中有有关，其中有有关，其中有2 2 2 2个是个是个是个是DNADNADNADNA整合整合整合整合到细菌染色体中到细菌染色体中到细菌染色体中到细菌染色体中所必需的）及所必需的）及所必需的）及所必需的）及3 3 3 3个调节基因个调节基因个调节基因个调节基因（c c c c，c c c c，Q Q Q Q）。启动子）。启动子）。启动子）。启动子P P P PL L L L和操作子和操作子和操作子和操作子O O O OL L L L部分部分部分部分重叠。重叠。重叠。重叠。 4. late lysogeny4. late lysogenyCI操纵
16、子操纵子 cIcIcIcI基因编码的基因编码的基因编码的基因编码的CICICICI阻遏蛋白，分别作用于早阻遏蛋白，分别作用于早阻遏蛋白，分别作用于早阻遏蛋白，分别作用于早期左向操纵子和早期右向操纵子中的操作子期左向操纵子和早期右向操纵子中的操作子期左向操纵子和早期右向操纵子中的操作子期左向操纵子和早期右向操纵子中的操作子O O O OL L L L和和和和O O O OR R R R，阻，阻，阻，阻止这两个操纵子转录止这两个操纵子转录止这两个操纵子转录止这两个操纵子转录. . . .CI阻遏蛋白 CI阻遏蛋白操纵子与噬菌体溶原状态的确立与维持密切相关。cI基因突变的噬菌体在生长着大肠杆菌的固体
17、培养基上总是形成清晰的噬菌斑，该基因由此得名。 Lysogeny is maintained by repressor protein。A result of cooperative binding is to increase the effective affinity of repressor for the operator at physiological concentrations. This enables a lower concentration of repressor to achieve occupancy of the operator. 阻遏蛋白操纵子阻遏蛋白操纵
18、子含有一个结构含有一个结构基因基因(cI(cI基因基因) )，但有两个启动子，但有两个启动子: : P PRERE ( (阻遏蛋白建立溶原状态阻遏蛋白建立溶原状态) )， P PRM RM ( (阻遏蛋白维持溶原状态阻遏蛋白维持溶原状态) )(ThesubscriptREstandsforrepressorestablishment,RMforrepressormaintainment.)由PRE控制转录的mRNA分子中含有一个有效的核糖体结合位点，mRNA的翻译活性比PRM介导的转录产物高7至8倍。PRE缺少-35区保守序列，-10区序列也不保守.Thispromotercanberecog
19、nizedbyRNApolymeraseonlyinthepresenceofcII.（CII蛋白在细胞内很不稳定，极易被宿主蛋白酶HflA降解而失去活性，而CIII蛋白的功能则是保护CII蛋白免遭降解.)P PRERECI is expressed directly. Once the protein starts to accumulate in the cell, it will activate its own transcription as a result of binding to OR to activate PRM.Since the mRNA transcribed fr
20、om PRE contains an anti-sense copy of the cro mRNA (expressed from PR), the two mRNAs can hybridize with one another. This will sequester the cro coding region in a double-stranded RNA structure whcih cannot be translated. Activation of transcription from PRE serves two functions: 由PRE介导的转录除了能直接表达cI
21、基因外，还有一个间接功能，即同时转录出cro基因的反义RNA，与cro的mRNA互补杂交，从而阻断其翻译，而Cro是噬菌体进入溶菌状态所必需的。 n由PRM启动的cI基因转录以起始密码子AUG开始，转录产物上没有核糖体结合位点，因此cI基因的表达量很低。nTotranscribecI,theremustberepressoritselfpresent.当-DNA分子进入一个新的宿主细胞时，因为没有CI蛋白因子,宿主的RNA聚合酶并不能由启动子PRM转录cI基因， P PRMRM在晚早期基因产物CII的帮助下，cI基因得以表达。cI阻遏蛋白分别与OL和OR两个操作子结合。 CI通过阻止两个早期操
22、纵子的转录，既关闭了溶菌途径，又通过PRM维持了自身在宿主细胞中的一定水平。 噬菌体溶原状态的建立与维持Faced with the triplication of binding sites at each operator, how does repressor decide where to start binding? The repressor always binds first to OL1 and OR1. Lambda repressor binds to subsequent sites within each operator in a cooperative manne
23、r. The presence of a dimer at site 1 greatly increases the affinity with which a second dimer can bind to site 2. When both sites 1 and 2 are occupied, this interaction does not extend farther, to site 3. At the concentrations of repressor usually found in a lysogen, both sites 1 and 2 are filled at
24、 each operator, but site 3 is not occupied。A control circuit: so long as the level of repressor is adequate, there is continued expression of the cI gene. The result is that OL and OR remain occupied indefinitely. By repressing the entire lytic cascade, this action maintains the prophage in its iner
25、t form.小结：由PRE控制转录产生CI后，PL和PR被抑制，早期基因的表达将受阻，C和C缺乏，CI通过PRE的转录也停止。所以cI基因转录的起始需要CII，转录的维持需要CI本身。如果此时第二个噬菌体感染这个溶原化的宿主细胞，由原噬菌体基因组合成的阻遏蛋白便会迅速与新入侵的噬菌体基因组上的OL和OR结合，防止该噬菌体启动溶菌途径，这就是所谓的宿主细胞免疫现象。由OL, OR,cI以及cro基因组成的区域决定了噬菌体的免疫特性，因此也称为免疫区，具有同一免疫区的不同噬菌体存在交叉免疫活性。5.LatelysisDuringlyticgrowth,lategeneexpressiondepe
26、ndsinpartontheactionoftheQprotein,whichisanantiterminatorwhichallowsRNApolymerasetoover-ridetheterminationsignaldownstreamofPRsothatitcantranscribethelysisgenes(S,RandRz)andthecapsidproteinandprocessinggenes(Nu1,A,Wetc.). 晚期右向操纵子最大，它包括10个头部蛋白编码基因、11个尾部蛋白编码基因(AJ)以及3个负责裂解宿主细胞的溶菌酶类基因S、R和Rz，其所需启动子为PR晚期右
27、向操纵子LysisplaquesoflambdaphageonE.colibacteria.TheQproteinactsatthelevelofDNA,unliketheNprotein.ItbindstothequtsitewithinthePRpromoter.RNApolymeraseinitiatingtranscriptionfromPRreachesapausesitelocated16/17bpsdownstreamofthetranscriptionstartpoint.Immediatelyupstreamofthispausesiteisasecond-10region.
28、TTGACT-(17)-TAATT-AACGTTThe lytic cycle depends on antitermination.WhenRNApolymerasepauses,Qinteractswiththepausedcomplexbybindingtothequtsite.Qthendisplaces70fromtheelongatingcomplexandchangesitsterminationproperties.Lysogenyensuesifsynthesisoftherepressorisestablished;lyticdevelopmentfollowsifthel
29、ategenesareexpressed.6. 溶源还是溶菌溶源还是溶菌CI repressor is needed for lysogeny. Cro repressor is needed for lytic infection. Cro亦是一种负调节因子，作用位点也是OR和OL。Cro与操纵子的结合能关闭两个早期操纵子，但同时也阻止了启动子PRM的转录启动，阻碍溶源建立。 cro mutantsusuallyestablishlysogeny,becausetheylacktheabilitytoswitcheventsawayfromtheexpressionofrepressor.C
30、ro和CI是噬菌体的两种调节蛋白因子，它们虽然都作用于OR和OL两个操作子，但对每个操纵子中三个不同位点的亲和力次序不同。CI的亲和力次序是OLlOL2OL3，ORlOR2OR3；Cro恰好相反，为OL3OL2OLl,OR3OR2ORl。Cro和CI有何不同？CrobindsfirsttoOR3.ThisinhibitsRNApolymerasefrombindingtoPRM.SoCrosfirstactionistopreventthemaintenancecircuitforlysogenyfromcomingintoplay.ThenCrobindstoOR2orOR1.Itspres
31、enceateithersitepreventsRNApolymerasefromusingPR.Thisinturnstopstheproductionoftheearlyfunctions(includingCroitself).BecausecIIisunstable,anyuseofPREisbroughttoahalt.SothetwoactionsofCrotogetherblockall productionofrepressor.Cro破坏溶源Sofarasthelyticcycleisconcerned,Croturnsdown(although it does not co
32、mpletely eliminate)theexpressionoftheearlygenes.ItsincompleteeffectisexplainedbyitsaffinityforOR1andOR2,whichisabouteighttimeslowerthanthatofrepressor.ThiseffectofCrodoesnotoccuruntiltheearlygeneshavebecomemoreorlesssuperfluous,becausepQispresent;bythistime,thephagehasstartedlategeneexpression,andis
33、concentratingontheproductionofprogenyphageparticles.(Cro开始抑制早期基因时，早期基因的表达产物已经多余了。）Cro与溶菌Figure 12.31 ThelyticcascaderequiresCroprotein,whichdirectlypreventsrepressormaintenanceviaPRM,aswellasturningoffdelayedearlygeneexpression,indirectlypreventingrepressorestablishment. Cro蛋白作用于操作子OL，关闭早期左向操纵子，阻断CI
34、I和CIII蛋白的持续合成。当原先合成的CII和CIII蛋白被降解，导致：CII蛋白因子对PaQ激活作用解除，pQpQ大量合成大量合成。 pQ也是一种抗终止蛋白，促进晚期操纵子在启动子PR 的作用下进行转录，表达出足够数量的头部尾部包装蛋白以及裂解宿主所必需的溶菌酶系，至此噬菌体进入溶菌途径。 噬菌体溶原状态与溶菌状态的选择噬菌体溶原状态与溶菌状态的确立均依赖于早期基因的有限度表达。溶原状态建立的起始事件是阻遏蛋白CI与OL1和ORl结合，进而关闭cro基因的表达，并同时启动由PRM介导的CI合成；进入溶菌途径的首要条件是Cro蛋白因子与OR3结合，打破由PRM介导的溶原维持，然后再作用于OR
35、l或OR2 以及OLl或OL2，关闭两个早期操纵子，通过阻断CII和CIII的合成而终止由PRE介导的CI合成。因此，决定噬菌体建立溶原状态或进入溶菌途径的开关是CI或Cro对操作子OL和OR有利位置的占领。 Cro的合成早于CI。然而，CI对OL和OR的亲和力比Cro蛋白高约8倍，如果CI和Cro两种蛋白同时存在，则Cro必须以分子数的优势才能赢得竞争。如果CII蛋白有足够的活性，则PRE启动cI基因转录，合成的CI分子使得PRM更有效地表达cI基因,进入溶源；反之，Cro蛋白便依其数量优势占据OL和OR ，噬菌体进入溶菌途径。可见，任何有利于CII基因表达并使其产物稳定的因素均可导致噬菌体
36、建立和维持溶原状态，这些因素包括营养枯竭以及感染复数等。Thehealthofthehostcelldeterminesthefateoflambda.Ifthecellishealthy,sufficientenergyisavailableforproductionofprogenyphageandlambdawillgolytic.Ifthecellisunhealthy,lambdawillgolysogenic.当宿主陷入能源枯竭的境地时，细胞内相应发生一系列的生理变化，其中主要的是cAMP的大量合成，cAMP-CAP复合物进而抑制宿主细胞宿主蛋白水解酶基因hfl的表达。hflA和h
37、flB基因又称高频溶原基因，CII蛋白的不稳定性就是这个酶系作用的结果。因此，能源枯竭的环境条件有助于噬菌体CII蛋白活性的维持，从而保证CI阻遏蛋白的合成，使得噬菌体建立溶原状态，事实上由于能源不足，噬菌体也不可能通过溶菌途径而大量繁殖。上述过程实质上是噬菌体把握环境条件对其自身生长繁殖的一种调节机制。 感染复数指的是在感染时噬菌体数与细菌细胞数的比值，它对溶原状态建立的影响也是通过CII蛋白而起作用的。感染复数与CII蛋白的活性形成有关，CII蛋白的单体没有活性，只有寡聚体才有作用。当感染复数过低时，多个噬菌体同时感染一个宿主细胞的机会也就减少，所表达的CII产物不足以形成有活性的寡聚体，
38、此时噬菌体便进入溶菌途径；当感染复数过高时(通常大于10)，CII能形成足够数量的活性寡聚体，就可促进由PRE介导的cI基因转录启动。该转录产物的翻译活性远高于从PRM转录出的mRNA，因此CI蛋白数量很快占据优势，噬菌体建立起溶原状态。 UV可激活Rec蛋白，活化的Rec蛋白可剪切C蛋白.其它：其它：Regulation of int and xis expressionRepressor uses a helix-turn-helix motif to bind Repressor uses a helix-turn-helix motif to bind DNADNAOn the rol
39、e of Cro in lambda prophage inductionSine L. Svenningsen et al.National Cancer Institute, Bethesda, MD 20892-4255; and National Cancer Institute, Frederick, MD 21702originallypublishedonlineFeb23,2005;AbastractThe lysogenic state of bacteriophage is exceptionally stable yet the prophage is readily i
40、nduced in response to DNA damage. This delicate epigenetic switch is believed to be regulated by two proteins; the lysogenic maintenance promoting protein CI and the early lytic protein Cro. First, we confirm, in the native configuration, the previous observation that the DNA loop mediated by oligom
41、erization of CI bound to two distinct operator regions (OL and OR), increases repression of the early lytic promoters and is important for stable maintenance of lysogeny. Second, we show that the presence of the cro gene might be unimportant for the lysogenic to lytic switch during induction of the prophage. We revisit the idea that Cros primary role in induction is instead to mediate weak repression of the early lytic promoters.Key words: CI protein genetic switch transcription复习思考题正调节负调节抗终止调节反义调节反向调节简述CI蛋白是怎样建立自身的调控循环的。
