λ噬菌体的基因调控
姓名
学号：
班级：
目录
λ噬菌体的发现
λ噬菌体的结构组成
1. 基本结构
2. λ噬菌体的核心
λ噬菌体的生活周期
I．
II． 两种发育途径简介 调控发育途径的分子基础
1. 两种途径共同的早期基因表达途径
2. 溶源发育中基因的相互作用
3. 裂解途径的建立
4. 溶源和裂解的平衡
5. 溶源发育向裂解发育的转变
λ噬菌体的侵染过程
1. 吸附
2. 穿入
3. 生物合成
4. 成熟与释放
λ噬菌体的应用
1. 细菌的鉴定与分型
2. 耐药细菌感染的治疗
3. 分子生物学研究的重要工具
4. 遗传工程
5. 其他
参考文献
λ噬菌体的发现：
1951年J. Lederberg的妻子Esther Lederberg证明了J. Lederberg和Tatum用来杂交的K12中有原噬菌体，并命名为λ，经10年的研究搞清了溶原化的实质。
在E.coli K12中是有原噬菌体的存在。Jacob和Wollman（1956年）发现了合子诱导（zygotic induction）现象，并利用合子诱导确定了几个E.coli染色体上原噬菌体的整合位点。他们发现Hfr（λ）×F－所得到的重组子频率要比Hfr×F－（λ）或Hfr（λ）×F－（λ）要低得多。这是由于在Hfr（λ）×F－的杂交中，原噬菌体进入无阻遏物的受体细胞质中，进行大量复制使受体细胞裂解（图8-20b），因此不易得到重组子，此现象就称为合子诱导。现在我们再回过头来查阅一下传递等级作图，中断杂交实验以及重组作图都是采用Hfr×F－（λ）就是不致产生合子诱导的缘故。
λ噬菌体的结构组成：
1.基本结构
λ噬菌体是一种温和的诱导性噬菌体，其基因组除在5'端有12个可互补的碱基外均为线性双链DNA，感染时DNA形成环状。λ噬菌体的基因组长达50 Kb，共61个基因，其中38个较为重要。
λ-DNA的基因顺序组织如图所示，按基因组功能共分六大区域:头部编码区、尾部编码区、重组区、控制区、复制区和裂解区
.
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、早期右向操纵子以及晚期右向操纵子。
在显微镜下，可发现λ噬菌体
具有头和尾结构的复合形态。而且
λ噬菌体尾部没有尾丝。
λ噬菌体的壳体由头部和尾
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，尾部呈
螺旋对称。λ噬菌体属于长尾噬菌
体，无收缩性。
2.λ噬菌体的核心
λ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’端分别存在互补的粘性末端，其单链部分的长度为12bp。它的l链或左链的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。λDNA被注人到宿主细胞后，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。
λ噬菌体的生活周期
λ噬菌体为温和噬菌体，其感染周期有两种途径，即裂解途径和溶源途径，通过这两种途径所进行的生活周期分别称为裂解周期和溶源周期。λ
噬菌体的宿
主是大肠杆菌K12，它的线状DNA分子具有由12个核苷酸组成的互补单链黏性末端。感染宿主以后，黏性末端互补配对形成环状DNA分子，接着噬菌体基因有顺序的表达。先是早期基因表达，形成相应的阻遏蛋白，其作用是调节或抑制自身其它基因的表达，这时它可以将整个基因组整合到宿主染色体的特定区域，λ噬菌体的基因除少数外，其余基因都处以失活状态，随宿主染色体一起复制并传递给子代细胞。整合到宿主染色体中的噬菌体基因组称为原噬菌体或原病毒，显然原噬菌体也是繁殖和传递噬菌体自身遗传信息的一个重要形式。带有原噬菌体的细菌如大肠杆菌K（λ）就称为溶原性细菌，以上过程称为溶源周期。这种溶源性细菌有两个重要特性：①免疫性，由于这种细菌含有原噬菌体而产生一种阻遏蛋白，这种阻遏蛋
白不但可抑制原噬菌
体DNA复制，也可抑
制再度感染的同类或
另一近源的噬菌体
DNA的复制，因而能
抵抗同类噬菌体的超
感染。②可诱导性，通
常由于原噬菌体的自
发诱导，每一代可能有
万分之一溶源性细菌
被裂解，释放出大量λ
噬菌体，这一过程称为
裂解周期。失去原噬菌
体的细菌称为非溶源
性细菌。用紫外线或化学物质如丝裂霉素C诱导90%的溶源性细菌进入裂解周期，这是λ噬菌体的部分早期基因以及晚期基因全部表达，噬菌体DNA独立地进行复制，并形成头部及尾部蛋白，从而组装成完整噬菌体释放出来。像这种在感染周期中具有裂解和溶源两种途径的噬菌体称为温和噬菌体。
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。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壳组建成衣壳和尾，因此基因组的绝大部分是用于执行晚期功能的。
prophage: 整合在细菌基因组 溶原性细菌
中的噬菌体基因组
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。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。
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，其中与转录调节有关的基因有：PL, PR, OL, OR, tL1, tR1, cI, cro, nutR, nutL, cII, cIII, tR2, PRM, PRE等，各基
因详细的功能将在下文叙述。
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PR开始转录）和紫色（从PR’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。而Q蛋白也是一个反终止蛋白，它使宿主的RNA聚合酶不是在终止子tR3处终止，
而继续合
成晚期基因。因此我们可以将晚期基因分为两类：有的是噬菌体进入溶原化途径所必须的，而另一类是控制进入裂解周期的。
表1 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
PL,OL, PR,OR
tR (1,2,3,4,5)
tL(1,2)
PRE
PI
PaQ
PRM
PR′
nutL, nutR
qut
cro
cI
cⅡ
cⅢ
N
Q
O, P
S, R, R2
int
xis
bet, exo
W, B, N u3, C, D, E, FⅠ, FⅡ,Z
U, V, G, T, H, M, L, K, I, J
cos (cohesive)
A 左右向转录的启动子和操纵子 右向转录的终止子 左向转录的终止子 CⅠ蛋白建立启动子，受CⅡ蛋白调控 int基因启动子，受CⅡ蛋白调控 Q蛋白反义RNA启动子，受CⅡ蛋白调控 CⅠ蛋白基因维持启动子，受CⅠ浓度调控 晚期转录的启动子 N蛋白左右两个反终止结合位点 Q蛋白反终止结合位点 PL和PR的阻遏蛋白，并可阻遏PE，抑制 CI 表达 PL 和PR 的主要的阻遏物，并可自主调控PRM 可以启动PRE 、PI 和PAQ，使λ进入溶原化途径 和CⅡ组成复合物，启动PE产生cⅠ及cro的反义RNA tR1, tR2及tL1的反终止蛋白 tR4的反终止蛋白. DNA复制所需的蛋白 裂解宿主所需的裂解酶 整合酶，使λ整合到宿主的染色体中 切除酶，帮助λ在att位点和宿主连接 重组蛋白，帮助λ和宿主进行重组 头部蛋白基因 尾部蛋白基因 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 末端酶，识别cos位点，包装时将环连体切成单个的基因组 产物及功能
图17-3提供了λ噬菌体DNA的图。有一组和调节有关的基因在重组和复制有关的基因之间。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（图17-4）。
以后，DNA末端相互连接形成了一个环状的DNA（图2-23）。图17-4表明晚期转录中转录了裂解基因等，在线状DNA的右端，而头部和尾部蛋白基因A、T在线状DNA的右端。
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
（Q-utilization）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（见后）。
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。图17-5就是比较这两种不同的策略。
两种途径共同控制
噬菌体向左向右的转录
λ
2. 溶源发育中基因的相互作用
阻抑物由cI基因编码。cI通过与cI基因两侧的操纵子OL和OR的结合而阻止RNA聚合酶起始转录。
Figure 12.14 λ噬菌体具有复杂的调控区当阻抑物cI与PL/QL和PR/QR结合，则抑制了早期基因的转录；否则早期基因得到转录和表达
cI与OL结合，阻止了RNA聚合酶从PL处起始转录，从而停止N基因的表达。由于所有的左向基因都使用启动子PL，所以cI阻止了所有左向基因的表达；cI与OR的结合除了能够阻止右向的基因表达之外，还能够激活RNA聚合酶自PRM向左启动转录，从而表达cI基因，这样阻抑物和cI基因建立起一个自主调控的正回路（又被成为阻抑物维持回路）
，这就解释了溶源态稳定存在的原因：只要
阻抑物cI含量充分，cI基因就能够继续表达，结果就造成OL和OR长期被阻抑，使原噬菌体维持溶源状态。阻抑物的存在也解释了免疫现象的产生：如果有第二个噬菌体的DNA侵入溶源细胞，已存在的阻抑物立即与新基因组中的OL和OR结合，阻止了第二个噬菌体进入裂解周期。此外，高浓度的cI能够负调节自身，其机理是高浓度的阻抑物能够与OR3结合，阻止了PRM开始的转录（如图）。
Figure 12.24 OR和OL的分区示意图 OR分为三个区：OR1, OR2, OR3; OL也分为三个区：OL1, OL2, OL3。PRM与OR3有重叠，所以cI与OR3的结合能够阻止从PRM处转录。
cII和cIII的存在对于溶源状态也是必需的。当λ噬菌体刚刚侵入时，由于没有阻抑物帮助细菌的RNA聚合酶结合到PRM，噬菌体（更精确说是细菌）不能合成cI。因此λ噬菌体干扰细菌时的第一件事是转录基因N和cro，此后pN使转录继续延伸，在左方，它使得cIII和其他基因转录；在右方，它使得cII转录。cII和cIII的存在使得cI的合成—“无中生有”—成为可能。Cro和cII基因间存在另一个启动子PRE，PRE只有在cII存在的情况下才能被RNA聚合酶识别并向左转录，转录出的mRNA能够十分有效的翻译出cI，一定浓度的cI
就
可以启动自身和cI基因的自主调控的正回路，产生更多的cI。
上述为cII启动溶源途径的一种机制，另一种机制为：cII引起了位于Q基因内的启动子PantiQ的转录，形成Q基因的mRNA的反义链，通过与mRNA杂交而阻止Q蛋白的翻译。前文已经讲过，Q蛋白的合成对于裂解也是必须的。
说明：有关cI调控PR、PL和PRM更深入的研究
cI调控PR、PL和PRM的过程涉及到多种水平的协同效应，这些协同效应使得调节因子的调控更为高效。详见下图图示。
Figure12.16. cI调控启动子PR、PL和PRM过程中的协同效应。cI单体（白色）结合成二聚体进而与操纵区OL和OR结合，临近的cI二聚体通过CTD相互作用形成四聚体。cI的结合阻止了RNA聚合酶向PR和PL的接近。但是OR2处结合的cI二聚体的NTD能够与RNA聚合酶σ亚基（结合到PRM的-35区）的σ4区相互作用，从而活化从PRM的转录。cI通过CTD进一步的作用通过促使长链DNA loop的形成而形成八聚体，使得cI能够协同的控制OR3和OL3，这样可以组织从PRM开始的转录。
λ噬菌体侵染细菌后，由于PL/OL和PR/OR上没有阻抑物cI的结合，所以细菌RNA聚合酶自PL和PR出开始转录并形成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PRE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PRM开始转录产生更多的cI，cI也结合到OL和OR，阻止N蛋白和cro的继续表达，从而维持溶源发育。
3. 裂解途径的建立
Cro基因对于λ噬菌体进入裂解周期具有关键做作用，其编码产物Cro蛋白能够阻止阻抑物的合成，从而消除了建立溶源状态的可能性。Cro蛋白形成小的二聚体，作用于免疫区，它能够通过维持回路阻止阻抑物的合成，也就是阻止经由PRM的转录，也能够抑制早期基因从PR和PL的表达，即当噬菌体进入裂解途径时，Cro蛋白负责阻止阻抑物的合成和抑制早期基因的表达。Cro蛋白具有和阻抑物类似的螺旋—转角—螺旋（helix-turn-helix），因此，而这能够识别并结合相同的区域。
以Cro蛋白与右向OR/PR的相互作用为例：Cro蛋白对OR3的亲和力要比对OR2和OR1的亲和力更强，所以它首先与OR3结合，这个结合抑制了RNA聚合酶与PRM的结合，所以Cro蛋白的第一个作用就是阻止溶源维持回路的运行。此后Cro蛋白与OR2或OR1结合，阻止RNA聚合酶利用PR，并进而停止产生早期功能产物，包括Cro蛋白本身。由于cII蛋白不稳定，PRE的作用也被停止，因此，Cro蛋白的这两种作用完全阻断了阻抑物的合成。由pQ激活晚期基因表达，这样噬菌体进入裂解途径。
4. 溶源和裂解的平衡
建立溶源态的起始时间是Cro蛋白在OL1和OR1处的结合。第二个位点的结合伴随这阻抑物二聚体在OL2和OR2处的协同结合，结果关闭了Cro蛋白的合成，并开始经由PRM进行阻抑物的合成。
进入裂解周期的起始事件是Cro蛋白在OR3出的结合，这就停止了PRM处开始的溶源维持回路。Cro蛋白必须和OR1或OR2，以及OL1或OL2结合，以下调基因表达。通过停止合成cII和cIII蛋白，导致从PRE停止合成阻抑物；当不稳定的cII蛋白和cIII蛋白降解时，阻抑物回路就被关闭。
因此，实现溶源和裂解间转变的关键是cII蛋白：如果cII蛋白是有活性的，经由PRE启动阻抑物合成是有效的，结果阻抑物占据操纵基因（cII也通过组织Q蛋白翻译而阻止后期基因表达）；如果cII蛋白没有活性，则不能合成阻抑物，Cro蛋白结合操纵基因。据认为，在宿主生理状态比较好，
即营养条件比较适合，
菌体代谢旺盛的情况下，cII蛋白没有
活性，噬菌体倾向于进行裂解发育；
而宿主生理状态不是很理想的状态下，
cII蛋白有活性，能够启动溶源态的建
立。
5. 溶源发育向裂解发育的转变
λ噬菌体可以由溶源状态向裂解
状态转变。当受到之外先照射等外界
因素影响时，细菌染色体受到较大程
度的破坏，产生大量的双链DNA，激活
Rec A，从而启动SOS反应。Rec A还
具有切割λ噬菌体阻抑物cI的作用。
通过将cI切割成单体而启动噬菌体的
裂解过程。
λ噬菌体的侵染过程
（1）吸附
吸附是噬菌体与菌体表面受体发生特异性结合的过程，其特异性取决于噬菌体蛋白与宿主菌表面受体分子结构的互补性。这是启动病毒感染的第一阶段。
病毒吸附蛋白
病毒吸附蛋白（viral attachment protein, VAP
）是病毒毒粒表面能够特
异性地识别细胞受体并与之结合的结构蛋白分子，亦称作反受体（antireceptor）。无包膜毒粒的反受体往往是壳体的组成部分，有包膜病毒的反受体为包膜糖蛋白。编码反受体的基因的突变、能够灭活或破坏反受体的蛋白水解酶、β-糖苷酶及中和抗体等均可导致反受体与受体相互作用能力的丧失，进而影响病毒的感染性。 细胞受体
病毒的细胞受体亦称病毒受体，是指能被病毒吸附蛋白特异性地识别并与之结合，介导病毒进入细胞，启动感染发生的一组细胞膜表面分子，其大多数为蛋白质，亦可能是糖蛋白或磷脂。不同种系的细胞具有不同病毒的细胞受体，病毒受体的细胞种系特异性决定了病毒的宿主范围。
病毒的吸附过程
病毒毒粒与宿主细胞的初始结合往往涉及一个VAP分子于一个受体蛋白分子的结合，这种结合并不紧密，是一可逆过程。当毒粒上的多个位点与多个受体结合时就可能发生不可逆的结合，即发生吸附增强作用，这种增强作用使得毒粒与细胞的结合更加稳定、牢固。病毒吸附蛋白与细胞受体间的结合力来源于空间结构的互补性，相互间的电荷、氢键、疏水性作用及范德华力。
（2）穿入
有尾噬菌体吸附宿主后，借助尾部末端含有的一种类似溶菌酶的物质，在细菌细胞壁上溶一小孔，然后通过尾鞘的收缩，将头部DNA注入细菌体内，而蛋白衣壳留在菌细胞外。
（3）生物合成
λ噬菌体多数情况下进行溶源型感染，因此原噬菌体整合至宿主细胞染色体上，随其进行复制和转录。在这一过程中多发生的各种病毒复制事件存在着强烈的时序性。病毒复制的时序性主要表现为基因组转录的时间组织，即病毒基因组的转录是分期进行的。根据病毒大分子合成过程中所发生事件的时间顺序，可以将此过程划分为3个连续的阶段：病毒早期基因的表达；病毒基因组的复制；病毒晚期基因的表达。
λ噬菌体DNA合成后腺嘌呤和胞嘧啶被甲基化，或形成由数个单位长度DNA以相同方向连接形成的DNA复制分子，即多连体（concatemers），以保护λ噬菌体DNA免遭宿主细胞核酸酶降解。整合有原噬菌体的宿主细胞不能够再次接受同源噬菌体的感染。
（4）成熟与释放
蛋白质和核酸合成后，在细胞质内按一定程序装配成成熟的噬菌体。
当子代达一定数目后，菌细胞突然裂解，释放出的噬菌体又能感染新的敏感细菌。但有些丝形噬菌体以出芽方式逐个释放。
噬菌体的应用
1.细菌的鉴定与分型
噬菌体与宿主菌的关系具有高度特异性，即一种噬菌体只能裂解一种和它相应的细菌，故可用于未知细菌的鉴定和分型。
2.耐药细菌感染的治疗
3.分子生物学研究的重要工具
噬菌体基因数量少，结构比细菌和高等细胞简单得多，且易获得大量的突变体。分子生物学研究的重要工具.
4.遗传工程
噬菌体展示技术
5.其他
工业的发酵中严防噬菌体污染，选育抗噬菌体菌株
参考文献
1.《遗传学（第2版）》，戴灼华，王亚馥，粟翼汶 主编，高等教育出版社，2008年1月第2版
2.基因教程——基因密码网——中国非转基因健康科普网
3.《分子生物学》，杨荣武主编，南京大学出版社，2007
4.《病毒分子生态学》，向近敏主编，武汉大学出版社，2004年8月第1版
5.《普通病毒学》，谢天恩，胡志红 主编，科学出版社，2002年10月
6.Molecular Biology of the Gene, 6th Ed., J.D.Waston, T.A.Baker, S.P.Bell, A.Gann, M.Levine & R.Losick, Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2008
7.Lewin B.著, 余龙等译 基因 Ⅷ. 科学出版社，2005，北京
8.lan B. D. et. al. Revisited gene regulation in bacteriophage λ. Curr. Opin. Genet. Dev. 15:145-152
9.Max G. Bacteriophage λ: The Untold Story. J. Mol. Biol. 1999, 293: 177-180
10.Donald L. C. et. al. A new look at Bacteriophage λgenetic networks. J. Bacteriol 2007, 189(2): 298 – 304
11.Harrison E. et.al. Establishment and Maintenance of
Repression by Bacteriophage Lambda: the role of the cI, cII and cIII proteins. Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 1971, 68: 2190-2194
12.Ronald A. A. et. al. How Cro and lambda-repressor distinguish between operators : the structural basis
underlying a genetic switch. Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 1998, 95: 3431-3436
13.部分图片来自谷歌
λ噬菌体的基因调控
姓名
学号：
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λ噬菌体的发现
λ噬菌体的结构组成
1. 基本结构
2. λ噬菌体的核心
λ噬菌体的生活周期
I．
II． 两种发育途径简介 调控发育途径的分子基础
1. 两种途径共同的早期基因表达途径
2. 溶源发育中基因的相互作用
3. 裂解途径的建立
4. 溶源和裂解的平衡
5. 溶源发育向裂解发育的转变
λ噬菌体的侵染过程
1. 吸附
2. 穿入
3. 生物合成
4. 成熟与释放
λ噬菌体的应用
1. 细菌的鉴定与分型
2. 耐药细菌感染的治疗
3. 分子生物学研究的重要工具
4. 遗传工程
5. 其他
参考文献
λ噬菌体的发现：
1951年J. Lederberg的妻子Esther Lederberg证明了J. Lederberg和Tatum用来杂交的K12中有原噬菌体，并命名为λ，经10年的研究搞清了溶原化的实质。
在E.coli K12中是有原噬菌体的存在。Jacob和Wollman（1956年）发现了合子诱导（zygotic induction）现象，并利用合子诱导确定了几个E.coli染色体上原噬菌体的整合位点。他们发现Hfr（λ）×F－所得到的重组子频率要比Hfr×F－（λ）或Hfr（λ）×F－（λ）要低得多。这是由于在Hfr（λ）×F－的杂交中，原噬菌体进入无阻遏物的受体细胞质中，进行大量复制使受体细胞裂解（图8-20b），因此不易得到重组子，此现象就称为合子诱导。现在我们再回过头来查阅一下传递等级作图，中断杂交实验以及重组作图都是采用Hfr×F－（λ）就是不致产生合子诱导的缘故。
λ噬菌体的结构组成：
1.基本结构
λ噬菌体是一种温和的诱导性噬菌体，其基因组除在5'端有12个可互补的碱基外均为线性双链DNA，感染时DNA形成环状。λ噬菌体的基因组长达50 Kb，共61个基因，其中38个较为重要。
λ-DNA的基因顺序组织如图所示，按基因组功能共分六大区域:头部编码区、尾部编码区、重组区、控制区、复制区和裂解区
.
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、早期右向操纵子以及晚期右向操纵子。
在显微镜下，可发现λ噬菌体
具有头和尾结构的复合形态。而且
λ噬菌体尾部没有尾丝。
λ噬菌体的壳体由头部和尾
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，尾部呈
螺旋对称。λ噬菌体属于长尾噬菌
体，无收缩性。
2.λ噬菌体的核心
λ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’端分别存在互补的粘性末端，其单链部分的长度为12bp。它的l链或左链的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。λDNA被注人到宿主细胞后，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。
λ噬菌体的生活周期
λ噬菌体为温和噬菌体，其感染周期有两种途径，即裂解途径和溶源途径，通过这两种途径所进行的生活周期分别称为裂解周期和溶源周期。λ
噬菌体的宿
主是大肠杆菌K12，它的线状DNA分子具有由12个核苷酸组成的互补单链黏性末端。感染宿主以后，黏性末端互补配对形成环状DNA分子，接着噬菌体基因有顺序的表达。先是早期基因表达，形成相应的阻遏蛋白，其作用是调节或抑制自身其它基因的表达，这时它可以将整个基因组整合到宿主染色体的特定区域，λ噬菌体的基因除少数外，其余基因都处以失活状态，随宿主染色体一起复制并传递给子代细胞。整合到宿主染色体中的噬菌体基因组称为原噬菌体或原病毒，显然原噬菌体也是繁殖和传递噬菌体自身遗传信息的一个重要形式。带有原噬菌体的细菌如大肠杆菌K（λ）就称为溶原性细菌，以上过程称为溶源周期。这种溶源性细菌有两个重要特性：①免疫性，由于这种细菌含有原噬菌体而产生一种阻遏蛋白，这种阻遏蛋
白不但可抑制原噬菌
体DNA复制，也可抑
制再度感染的同类或
另一近源的噬菌体
DNA的复制，因而能
抵抗同类噬菌体的超
感染。②可诱导性，通
常由于原噬菌体的自
发诱导，每一代可能有
万分之一溶源性细菌
被裂解，释放出大量λ
噬菌体，这一过程称为
裂解周期。失去原噬菌
体的细菌称为非溶源
性细菌。用紫外线或化学物质如丝裂霉素C诱导90%的溶源性细菌进入裂解周期，这是λ噬菌体的部分早期基因以及晚期基因全部表达，噬菌体DNA独立地进行复制，并形成头部及尾部蛋白，从而组装成完整噬菌体释放出来。像这种在感染周期中具有裂解和溶源两种途径的噬菌体称为温和噬菌体。
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。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壳组建成衣壳和尾，因此基因组的绝大部分是用于执行晚期功能的。
prophage: 整合在细菌基因组 溶原性细菌
中的噬菌体基因组
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。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。
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，其中与转录调节有关的基因有：PL, PR, OL, OR, tL1, tR1, cI, cro, nutR, nutL, cII, cIII, tR2, PRM, PRE等，各基
因详细的功能将在下文叙述。
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PR开始转录）和紫色（从PR’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。而Q蛋白也是一个反终止蛋白，它使宿主的RNA聚合酶不是在终止子tR3处终止，
而继续合
成晚期基因。因此我们可以将晚期基因分为两类：有的是噬菌体进入溶原化途径所必须的，而另一类是控制进入裂解周期的。
表1 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
PL,OL, PR,OR
tR (1,2,3,4,5)
tL(1,2)
PRE
PI
PaQ
PRM
PR′
nutL, nutR
qut
cro
cI
cⅡ
cⅢ
N
Q
O, P
S, R, R2
int
xis
bet, exo
W, B, N u3, C, D, E, FⅠ, FⅡ,Z
U, V, G, T, H, M, L, K, I, J
cos (cohesive)
A 左右向转录的启动子和操纵子 右向转录的终止子 左向转录的终止子 CⅠ蛋白建立启动子，受CⅡ蛋白调控 int基因启动子，受CⅡ蛋白调控 Q蛋白反义RNA启动子，受CⅡ蛋白调控 CⅠ蛋白基因维持启动子，受CⅠ浓度调控 晚期转录的启动子 N蛋白左右两个反终止结合位点 Q蛋白反终止结合位点 PL和PR的阻遏蛋白，并可阻遏PE，抑制 CI 表达 PL 和PR 的主要的阻遏物，并可自主调控PRM 可以启动PRE 、PI 和PAQ，使λ进入溶原化途径 和CⅡ组成复合物，启动PE产生cⅠ及cro的反义RNA tR1, tR2及tL1的反终止蛋白 tR4的反终止蛋白. DNA复制所需的蛋白 裂解宿主所需的裂解酶 整合酶，使λ整合到宿主的染色体中 切除酶，帮助λ在att位点和宿主连接 重组蛋白，帮助λ和宿主进行重组 头部蛋白基因 尾部蛋白基因 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 末端酶，识别cos位点，包装时将环连体切成单个的基因组 产物及功能
图17-3提供了λ噬菌体DNA的图。有一组和调节有关的基因在重组和复制有关的基因之间。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（图17-4）。
以后，DNA末端相互连接形成了一个环状的DNA（图2-23）。图17-4表明晚期转录中转录了裂解基因等，在线状DNA的右端，而头部和尾部蛋白基因A、T在线状DNA的右端。
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
（Q-utilization）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（见后）。
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。图17-5就是比较这两种不同的策略。
两种途径共同控制
噬菌体向左向右的转录
λ
2. 溶源发育中基因的相互作用
阻抑物由cI基因编码。cI通过与cI基因两侧的操纵子OL和OR的结合而阻止RNA聚合酶起始转录。
Figure 12.14 λ噬菌体具有复杂的调控区当阻抑物cI与PL/QL和PR/QR结合，则抑制了早期基因的转录；否则早期基因得到转录和表达
cI与OL结合，阻止了RNA聚合酶从PL处起始转录，从而停止N基因的表达。由于所有的左向基因都使用启动子PL，所以cI阻止了所有左向基因的表达；cI与OR的结合除了能够阻止右向的基因表达之外，还能够激活RNA聚合酶自PRM向左启动转录，从而表达cI基因，这样阻抑物和cI基因建立起一个自主调控的正回路（又被成为阻抑物维持回路）
，这就解释了溶源态稳定存在的原因：只要
阻抑物cI含量充分，cI基因就能够继续表达，结果就造成OL和OR长期被阻抑，使原噬菌体维持溶源状态。阻抑物的存在也解释了免疫现象的产生：如果有第二个噬菌体的DNA侵入溶源细胞，已存在的阻抑物立即与新基因组中的OL和OR结合，阻止了第二个噬菌体进入裂解周期。此外，高浓度的cI能够负调节自身，其机理是高浓度的阻抑物能够与OR3结合，阻止了PRM开始的转录（如图）。
Figure 12.24 OR和OL的分区示意图 OR分为三个区：OR1, OR2, OR3; OL也分为三个区：OL1, OL2, OL3。PRM与OR3有重叠，所以cI与OR3的结合能够阻止从PRM处转录。
cII和cIII的存在对于溶源状态也是必需的。当λ噬菌体刚刚侵入时，由于没有阻抑物帮助细菌的RNA聚合酶结合到PRM，噬菌体（更精确说是细菌）不能合成cI。因此λ噬菌体干扰细菌时的第一件事是转录基因N和cro，此后pN使转录继续延伸，在左方，它使得cIII和其他基因转录；在右方，它使得cII转录。cII和cIII的存在使得cI的合成—“无中生有”—成为可能。Cro和cII基因间存在另一个启动子PRE，PRE只有在cII存在的情况下才能被RNA聚合酶识别并向左转录，转录出的mRNA能够十分有效的翻译出cI，一定浓度的cI
就
可以启动自身和cI基因的自主调控的正回路，产生更多的cI。
上述为cII启动溶源途径的一种机制，另一种机制为：cII引起了位于Q基因内的启动子PantiQ的转录，形成Q基因的mRNA的反义链，通过与mRNA杂交而阻止Q蛋白的翻译。前文已经讲过，Q蛋白的合成对于裂解也是必须的。
说明：有关cI调控PR、PL和PRM更深入的研究
cI调控PR、PL和PRM的过程涉及到多种水平的协同效应，这些协同效应使得调节因子的调控更为高效。详见下图图示。
Figure12.16. cI调控启动子PR、PL和PRM过程中的协同效应。cI单体（白色）结合成二聚体进而与操纵区OL和OR结合，临近的cI二聚体通过CTD相互作用形成四聚体。cI的结合阻止了RNA聚合酶向PR和PL的接近。但是OR2处结合的cI二聚体的NTD能够与RNA聚合酶σ亚基（结合到PRM的-35区）的σ4区相互作用，从而活化从PRM的转录。cI通过CTD进一步的作用通过促使长链DNA loop的形成而形成八聚体，使得cI能够协同的控制OR3和OL3，这样可以组织从PRM开始的转录。
λ噬菌体侵染细菌后，由于PL/OL和PR/OR上没有阻抑物cI的结合，所以细菌RNA聚合酶自PL和PR出开始转录并形成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PRE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PRM开始转录产生更多的cI，cI也结合到OL和OR，阻止N蛋白和cro的继续表达，从而维持溶源发育。
3. 裂解途径的建立
Cro基因对于λ噬菌体进入裂解周期具有关键做作用，其编码产物Cro蛋白能够阻止阻抑物的合成，从而消除了建立溶源状态的可能性。Cro蛋白形成小的二聚体，作用于免疫区，它能够通过维持回路阻止阻抑物的合成，也就是阻止经由PRM的转录，也能够抑制早期基因从PR和PL的表达，即当噬菌体进入裂解途径时，Cro蛋白负责阻止阻抑物的合成和抑制早期基因的表达。Cro蛋白具有和阻抑物类似的螺旋—转角—螺旋（helix-turn-helix），因此，而这能够识别并结合相同的区域。
以Cro蛋白与右向OR/PR的相互作用为例：Cro蛋白对OR3的亲和力要比对OR2和OR1的亲和力更强，所以它首先与OR3结合，这个结合抑制了RNA聚合酶与PRM的结合，所以Cro蛋白的第一个作用就是阻止溶源维持回路的运行。此后Cro蛋白与OR2或OR1结合，阻止RNA聚合酶利用PR，并进而停止产生早期功能产物，包括Cro蛋白本身。由于cII蛋白不稳定，PRE的作用也被停止，因此，Cro蛋白的这两种作用完全阻断了阻抑物的合成。由pQ激活晚期基因表达，这样噬菌体进入裂解途径。
4. 溶源和裂解的平衡
建立溶源态的起始时间是Cro蛋白在OL1和OR1处的结合。第二个位点的结合伴随这阻抑物二聚体在OL2和OR2处的协同结合，结果关闭了Cro蛋白的合成，并开始经由PRM进行阻抑物的合成。
进入裂解周期的起始事件是Cro蛋白在OR3出的结合，这就停止了PRM处开始的溶源维持回路。Cro蛋白必须和OR1或OR2，以及OL1或OL2结合，以下调基因表达。通过停止合成cII和cIII蛋白，导致从PRE停止合成阻抑物；当不稳定的cII蛋白和cIII蛋白降解时，阻抑物回路就被关闭。
因此，实现溶源和裂解间转变的关键是cII蛋白：如果cII蛋白是有活性的，经由PRE启动阻抑物合成是有效的，结果阻抑物占据操纵基因（cII也通过组织Q蛋白翻译而阻止后期基因表达）；如果cII蛋白没有活性，则不能合成阻抑物，Cro蛋白结合操纵基因。据认为，在宿主生理状态比较好，
即营养条件比较适合，
菌体代谢旺盛的情况下，cII蛋白没有
活性，噬菌体倾向于进行裂解发育；
而宿主生理状态不是很理想的状态下，
cII蛋白有活性，能够启动溶源态的建
立。
5. 溶源发育向裂解发育的转变
λ噬菌体可以由溶源状态向裂解
状态转变。当受到之外先照射等外界
因素影响时，细菌染色体受到较大程
度的破坏，产生大量的双链DNA，激活
Rec A，从而启动SOS反应。Rec A还
具有切割λ噬菌体阻抑物cI的作用。
通过将cI切割成单体而启动噬菌体的
裂解过程。
λ噬菌体的侵染过程
（1）吸附
吸附是噬菌体与菌体表面受体发生特异性结合的过程，其特异性取决于噬菌体蛋白与宿主菌表面受体分子结构的互补性。这是启动病毒感染的第一阶段。
病毒吸附蛋白
病毒吸附蛋白（viral attachment protein, VAP
）是病毒毒粒表面能够特
异性地识别细胞受体并与之结合的结构蛋白分子，亦称作反受体（antireceptor）。无包膜毒粒的反受体往往是壳体的组成部分，有包膜病毒的反受体为包膜糖蛋白。编码反受体的基因的突变、能够灭活或破坏反受体的蛋白水解酶、β-糖苷酶及中和抗体等均可导致反受体与受体相互作用能力的丧失，进而影响病毒的感染性。 细胞受体
病毒的细胞受体亦称病毒受体，是指能被病毒吸附蛋白特异性地识别并与之结合，介导病毒进入细胞，启动感染发生的一组细胞膜表面分子，其大多数为蛋白质，亦可能是糖蛋白或磷脂。不同种系的细胞具有不同病毒的细胞受体，病毒受体的细胞种系特异性决定了病毒的宿主范围。
病毒的吸附过程
病毒毒粒与宿主细胞的初始结合往往涉及一个VAP分子于一个受体蛋白分子的结合，这种结合并不紧密，是一可逆过程。当毒粒上的多个位点与多个受体结合时就可能发生不可逆的结合，即发生吸附增强作用，这种增强作用使得毒粒与细胞的结合更加稳定、牢固。病毒吸附蛋白与细胞受体间的结合力来源于空间结构的互补性，相互间的电荷、氢键、疏水性作用及范德华力。
（2）穿入
有尾噬菌体吸附宿主后，借助尾部末端含有的一种类似溶菌酶的物质，在细菌细胞壁上溶一小孔，然后通过尾鞘的收缩，将头部DNA注入细菌体内，而蛋白衣壳留在菌细胞外。
（3）生物合成
λ噬菌体多数情况下进行溶源型感染，因此原噬菌体整合至宿主细胞染色体上，随其进行复制和转录。在这一过程中多发生的各种病毒复制事件存在着强烈的时序性。病毒复制的时序性主要表现为基因组转录的时间组织，即病毒基因组的转录是分期进行的。根据病毒大分子合成过程中所发生事件的时间顺序，可以将此过程划分为3个连续的阶段：病毒早期基因的表达；病毒基因组的复制；病毒晚期基因的表达。
λ噬菌体DNA合成后腺嘌呤和胞嘧啶被甲基化，或形成由数个单位长度DNA以相同方向连接形成的DNA复制分子，即多连体（concatemers），以保护λ噬菌体DNA免遭宿主细胞核酸酶降解。整合有原噬菌体的宿主细胞不能够再次接受同源噬菌体的感染。
（4）成熟与释放
蛋白质和核酸合成后，在细胞质内按一定程序装配成成熟的噬菌体。
当子代达一定数目后，菌细胞突然裂解，释放出的噬菌体又能感染新的敏感细菌。但有些丝形噬菌体以出芽方式逐个释放。
噬菌体的应用
1.细菌的鉴定与分型
噬菌体与宿主菌的关系具有高度特异性，即一种噬菌体只能裂解一种和它相应的细菌，故可用于未知细菌的鉴定和分型。
2.耐药细菌感染的治疗
3.分子生物学研究的重要工具
噬菌体基因数量少，结构比细菌和高等细胞简单得多，且易获得大量的突变体。分子生物学研究的重要工具.
4.遗传工程
噬菌体展示技术
5.其他
工业的发酵中严防噬菌体污染，选育抗噬菌体菌株
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13.部分图片来自谷歌