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复旦大学生化噬菌体策略.ppt
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1、第四章第四章噬菌体策略噬菌体策略Phagestrategies1.一些概念一些概念v噬菌体(噬菌体(bacteriophage):感染):感染细菌的病毒(菌的病毒(virus)v噬菌斑(噬菌斑(plaque):噬菌体裂解宿主):噬菌体裂解宿主细胞的斑胞的斑v裂解感染(裂解感染(lytic infection):):细菌被噬菌体感染后致使菌被噬菌体感染后致使细菌死亡并菌死亡并释放出子代噬菌体放出子代噬菌体v溶源(溶源(lysogeny):噬菌体以原噬菌体形式成):噬菌体以原噬菌体形式成为细菌基因菌基因组中中稳定的定的组分而分而继续存活存活v原噬菌体(原噬菌体(prophage):噬菌体的基因):
2、噬菌体的基因组通通过整合整合(integrate)成)成为细菌菌线性染色体的一部分性染色体的一部分v免疫(免疫(immunity):原噬菌体可以阻止同):原噬菌体可以阻止同类其他的噬菌体其他的噬菌体感染同一个感染同一个细胞胞v诱导(induction):原噬菌体通):原噬菌体通过诱导解除溶源化的限制解除溶源化的限制2.1 裂解周期(裂解周期(lytic cycle)v有些噬菌体只有一种生存方式(有些噬菌体只有一种生存方式(strategy),在感),在感染了一个易感宿主之后,破坏了宿主的功能而同染了一个易感宿主之后,破坏了宿主的功能而同时产生大量子代噬菌体生大量子代噬菌体颗粒,宿主粒,宿主细菌
3、菌则裂解死亡裂解死亡v一个典型的裂解周期中,噬菌体一个典型的裂解周期中,噬菌体 DNA(或(或RNA)注入宿主注入宿主细胞,其基因以一定的胞,其基因以一定的顺序序转录,并且复,并且复制出噬菌体的制出噬菌体的遗传物物质,合成噬菌体,合成噬菌体颗粒需要的蛋粒需要的蛋白白质成分。最后宿主成分。最后宿主细菌裂解而菌裂解而释放出放出组装好的子装好的子代噬菌体代噬菌体3.噬菌体噬菌体颗粒(粒(particle)感染(感染(infection)附着(附着(attach)DNA被注射被注射进细菌菌早期早期发育(育(early development)产生生DNA合成合成酶类DNA复制开始复制开始晚期晚期发育(
4、育(late development)产生基因生基因组、头、尾、尾DNA包装包装进头,尾附着,尾附着裂解(裂解(lysis)细胞破裂胞破裂释放出子代噬菌体放出子代噬菌体4.裂解裂解发育的育的2个个时期期早期早期发育育 从噬菌体从噬菌体DNA进入到复制开始。主要合成与入到复制开始。主要合成与DNA复制相关的复制相关的酶(DNA合成、重合成、重组和修和修饰的的酶),),导致基因致基因组不断的复制和重不断的复制和重组晚期晚期发育育 从复制开始到从复制开始到细胞裂解胞裂解释放出子代噬菌体。噬菌体放出子代噬菌体。噬菌体颗粒的蛋白粒的蛋白质成分被合成(成分被合成(结构蛋白和装配蛋白)构蛋白和装配蛋白)噬菌
5、体通常噬菌体通常拥有保有保证使噬菌体使噬菌体DNA优先复制的功能基因先复制的功能基因(复制起始或新的(复制起始或新的DNA聚合聚合酶););噬菌体的噬菌体的mRNA被被优先先转录(改(改变RNA聚合聚合酶的起始和的起始和终止能力或更止能力或更换RNA聚合聚合酶)噬菌体通常利用宿主的合成机器合成自己的蛋白噬菌体通常利用宿主的合成机器合成自己的蛋白质 5.裂解裂解发育的基因表达育的基因表达u早期基因(早期基因(earlygene):最初):最初阶段必段必须依依赖宿主宿主转录机构表达的基因(机构表达的基因(噬箘体噬箘体中中为早早早早期期immediateearlygene)u中期基因(中期基因(mi
6、ddlegene)获得早期基因得早期基因编码的的调控蛋白后表达的基因(或称控蛋白后表达的基因(或称迟早期早期delayedearlygene)u晚期基因(晚期基因(lategene)中期基因)中期基因编码的的调控因控因子控制的基因子控制的基因6.裂解表达的裂解表达的级联控制控制v噬箘体基因位置噬箘体基因位置组成(成(遗传图谱)反映了裂解)反映了裂解进程的次程的次序,它的操序,它的操纵子是一个极其有序的子是一个极其有序的结构,构,编码相关功能相关功能蛋白蛋白质的基因成簇排列使得的基因成簇排列使得调控最控最为经济,使得裂解的,使得裂解的进程能由少数的程能由少数的调控开关控制控开关控制v裂解周期受到
7、正裂解周期受到正调控,噬菌体的基因只有接受到恰当的控,噬菌体的基因只有接受到恰当的信号才被表达。信号才被表达。在在这个个级联反反应中,上个步中,上个步骤合成的蛋合成的蛋白白质将是下一个步将是下一个步骤要表达的基因所必要表达的基因所必须的的v在每个表达的在每个表达的阶段,一个或多个活段,一个或多个活跃的基因就是下个的基因就是下个阶段所需的段所需的调节因子,因子,这些些调节因子可以是一种新的因子可以是一种新的RNA聚合聚合酶、改、改变宿主宿主RNA聚合聚合酶特异性的特异性的sigma因子、或因子、或是能使之通是能使之通读的抗的抗终止因子止因子7.级联控制的控制的2种途径种途径u转录起始:起始:识别
8、新的噬菌体启新的噬菌体启动子,用一种子,用一种因子取因子取代宿主代宿主酶的的因子因子(spo1)或合成新的)或合成新的RNA聚合聚合酶。新新因子或因子或RNA聚合聚合酶生成后,早期基因表达可被生成后,早期基因表达可被终止止u抗抗终止作用:早期基因与下一期基因相止作用:早期基因与下一期基因相邻,由,由终止位止位点隔开。如果点隔开。如果终止作用被阻止,止作用被阻止,RNA聚合聚合酶便通便通读至至另一另一边基因,基因,这样早期基因与晚期基因一起表达早期基因与晚期基因一起表达8.2 溶源(溶源(lysogeny)v另一些噬菌体有两种存在方式:裂解和溶源另一些噬菌体有两种存在方式:裂解和溶源v溶源的溶源
9、的结果是原噬箘体整合到果是原噬箘体整合到细菌基因菌基因组上,上,并与并与细菌基因一起菌基因一起遗传v由于含有一个原噬箘体,溶源菌会由于含有一个原噬箘体,溶源菌会对同同样类型型的噬箘体的噬箘体产生免疫,一个生免疫,一个细菌基因菌基因组只包含一只包含一个拷个拷贝的同一的同一类型的原噬箘体型的原噬箘体v有两种策略的噬菌体可以有两种策略的噬菌体可以进行溶源和裂解生活行溶源和裂解生活周期的交替周期的交替9.溶原和裂解的相互溶原和裂解的相互转化化v由由裂裂解解周周期期产生生的的一一个个噬噬菌菌体体进入入一一个个新新的的宿宿主主细胞胞后后,或或者者会会重重复复裂裂解解周周期期,或或者者进入入溶溶源源状状态,
10、这取取决决于于感感染染的的状状态及及噬噬菌菌体体和和细菌菌的的基基因因型型v在在诱导(induction)的的过程程中中,原原噬噬菌菌体体被被切切除除下下来来,从从而而脱脱离离溶溶源源生生存存方方式式约束束获得得自自由由,产生一个自由的噬菌体生一个自由的噬菌体DNA,由此,由此进行裂解旁路行裂解旁路v噬菌体以何种方式繁殖是由噬菌体以何种方式繁殖是由转录调节来控制的来控制的10.11.v噬菌斑(噬菌斑(plaque)v最初一个噬菌体感染一个最初一个噬菌体感染一个细胞,裂解胞,裂解释放的子代噬放的子代噬菌体又感染旁菌体又感染旁边的的细胞,胞,感染的感染的连锁反反应呈放射状呈放射状分布,逐分布,逐渐
11、形成一个噬菌形成一个噬菌斑斑v烈性噬菌体形成清晰的噬烈性噬菌体形成清晰的噬菌斑菌斑v温和的噬菌体形成温和的噬菌体形成浑浊的的噬菌斑噬菌斑12.3 噬箘体的表达噬箘体的表达调控控v(lambda)噬箘体噬箘体基因基因组:48502bpv线性双性双链DNAv两端有两端有12碱基的粘性末端(碱基的粘性末端(cohesive cos),),进入入细胞后胞后变为环状状DNAv DNA环化后,晚期基因在化后,晚期基因在转录时是完整是完整的的v噬箘体噬箘体基因基因组编码约35个蛋白个蛋白质13.噬菌体的操噬菌体的操纵子子v早早期基因:早早期基因:PR、PL v迟早期基因:早期基因:PR、PLv裂解晚期基因:
12、裂解晚期基因:PR、PL、PRv溶源晚期基因:溶源晚期基因:PRE、PaQ、PIv溶源溶源维持基因:持基因:PRM14.15.16.17.3.1 噬菌体的裂解途径噬菌体的裂解途径v 噬箘体噬箘体DNA进入一个新的宿主入一个新的宿主细胞后,裂胞后,裂解与溶源以相同的途径启解与溶源以相同的途径启动v第一第一阶段是利用宿主的段是利用宿主的RNA聚合聚合酶进行早早行早早期(期(immediate early)基因的)基因的转录v 噬菌体只有两个早早期基因,各自独立地噬菌体只有两个早早期基因,各自独立地由宿主由宿主RNA聚合聚合酶表达表达v 噬菌体的裂解噬菌体的裂解级联反反应建立在抗建立在抗终止作用止作
13、用基基础上上18.早早期基因的表达早早期基因的表达v从启从启动子子PR向右向右转录到到tR1,可以表达,可以表达cro蛋白蛋白 vcro蛋白有双重功能:蛋白有双重功能:v抑制阻遏物的合成(抑制阻遏物的合成(对裂解裂解进行是必需的)行是必需的)v关关闭早早期基因的表达(在裂解周期晚期已不需要)早早期基因的表达(在裂解周期晚期已不需要)v(cro在后面在后面还要要详细介介绍)v从启从启动子子PL向左向左转录到到tL1,可以表达,可以表达N蛋白蛋白vpN是一个抗是一个抗终止子,它作用在止子,它作用在nut位点将允位点将允许转录过程程进入入迟早期基因早期基因v从启从启动子子 PR向右向右转录到到tR,
14、无任何,无任何编码序列序列19.20.抗抗终止(止(antitermination)v抗抗终止作用提供了病毒控制从早期基因到下一期止作用提供了病毒控制从早期基因到下一期基因表达基因表达转变的一种机制的一种机制v抗抗终止作用依止作用依赖于基因位置的特殊安排:早期基于基因位置的特殊安排:早期基因与接下来要表达的基因非常接近,由因与接下来要表达的基因非常接近,由终止子隔止子隔开开v如果如果终止子位点被抑制,聚合止子位点被抑制,聚合酶越越过通通读另一另一边的基因,同的基因,同样的启的启动子子继续被被RNA聚合聚合酶识别v新基因的表达只在于伸新基因的表达只在于伸长RNA链,使之在,使之在5端含端含有早期
15、基因,在有早期基因,在3端含有新的基因端含有新的基因v抗抗终止是正控制,病毒必止是正控制,病毒必须先合成早期基因的先合成早期基因的产物,然后才能表达下一物,然后才能表达下一组基因基因21.抗抗终止依止依赖特定的位点特定的位点v噬菌体的噬菌体的pN能分能分别解除解除终止子止子tR1、tL1等的等的终止作用止作用vpN的抗的抗终止作用是高度特异性的,但抗止作用是高度特异性的,但抗终止止事件并不是由事件并不是由终止子止子tR1 和和tL1决定的决定的v抗抗终止作用的止作用的识别位点在位点在转录单位的上游,是位的上游,是在与作用完成的在与作用完成的终止子位点不同的其它区域止子位点不同的其它区域vpN
16、识别位点:位点:nut位点(位点(N utilization site)nutL、nutR分分别决定向左或向右抗决定向左或向右抗终止作用止作用22.nut位点位点vnutL在在PL的起始点和的起始点和N编码区域的开始区域的开始之之间,接近于起始子,接近于起始子vnutR位于位于cro基因的末端和基因的末端和tR1之之间,接,接近于近于终止子止子vqut位于起始子之前位于起始子之前v这个作用涉及个作用涉及rho-依依赖性性终止子的抗止子的抗终止,但是止,但是pN也可抑制非依也可抑制非依赖终止子的抗止子的抗终止作用止作用 23.24.25.26.27.PR迟早期基因表达早期基因表达v从从PR开始的
17、开始的迟早期(早期(delayed early)转录本表达本表达转录一直到一直到终止子止子tR3,除了,除了cro外外还有有vcII蛋白(溶源中重点介蛋白(溶源中重点介绍)vO&P蛋白:噬菌体复制所必需蛋白:噬菌体复制所必需vQ蛋白:另一个抗蛋白:另一个抗终止因子,止因子,Q是晚期基因表达所必需的是晚期基因表达所必需的28.PL迟早期表达早期表达v除了除了N蛋白,从蛋白,从PL开始的早期开始的早期转录本本还表达:表达:cIII、xis、int蛋白(后面溶源中介蛋白(后面溶源中介绍)29.裂解裂解级联依依赖抗抗终止止v早早期早早期v宿主宿主RNA聚合聚合酶从从PL、PR起始起始转录N和和crov
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