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E.coli啟動(dòng)子與σ因子的關(guān)系
點(diǎn)擊次數(shù)：2232 發(fā)布時(shí)間：2016-8-1
E.coli細(xì)胞中主要的Σ因子可與核心酶一同被純化，稱為σ70，但菌細(xì)胞中另外有一些σ因子能夠識別其順序與E.coli的主要啟動(dòng)子不同的另一些啟動(dòng)子，并促使核心酶起始轉(zhuǎn)錄。這些變異的σ因子在細(xì)胞中有特別功能，通常能劇烈改變細(xì)胞RNA的合成方式，以便在需要時(shí)使一組全新的基因得以表達(dá)。這是在枯草桿菌(Bacillus subtilis)中發(fā)現(xiàn)的，它們的作用是開啟在芽胞形成(sporulation)過程中需要的一整套新的蛋白質(zhì)的表達(dá)。噬菌體往往有其自己的σ因子，借以在噬菌體發(fā)育的某一特殊階段開動(dòng)其所需要的某些噬菌體基因的轉(zhuǎn)錄。
在E.coli中共有17個(gè)熱休克基因，基因表達(dá)有賴于轉(zhuǎn)錄改變。基因htpR是其主要調(diào)節(jié)器，是轉(zhuǎn)到熱休克反應(yīng)所必需的。hrpR的產(chǎn)物是一個(gè)32KD的蛋白質(zhì)，它就是一種變異的σ因子，稱為σ32。而將正常的σ因子稱為σ70(表示其分子量為70KD)。然而σ32很不穩(wěn)定，故調(diào)控它的表達(dá)狀況就可以使其量迅速增多減少。σ32能引導(dǎo)核心酶在熱休克基因的啟動(dòng)子處起始轉(zhuǎn)錄。這些啟動(dòng)子的順序與正常的共同順序是不同的。特別是其-10順序幾乎*不同。
E.coli的另一種σ因子是在氮饑餓時(shí)起作用的，稱為σ60。正常時(shí)E.coli細(xì)胞中僅有少量σ60，但當(dāng)介質(zhì)中氨缺乏時(shí)，σ60即大量增多，以開啟某些可利用其他氮源的基因。這就是說，σ60能引導(dǎo)核心酶識別啟動(dòng)子的另一種共同順序。σ60所識別的-35順序?qū)嶋H上位于-20處，因?yàn)?10和-35兩個(gè)順序之間的間距特別短，只有6bp(見表3-32)。
枯草桿菌的正常σ因子(相當(dāng)于E.coli中的σ70)稱為σ43，。它能識別σ70所識別的共同順序。從一組基因表達(dá)變換為另一組基因表達(dá)往往需要更換σ因子。這在噬菌體生命周期的裂解(lytic)期和溶源(lysogenic)期的轉(zhuǎn)換中表現(xiàn)zui為明顯。在噬菌體SP01感染枯草桿菌時(shí)即會(huì)出現(xiàn)新的σ因子。SP01的感染周期一般可分為三期:[1]剛剛感染時(shí)，早期基因被轉(zhuǎn)錄。[2]4-5分鐘后早期基因轉(zhuǎn)錄停止，中期基因開始轉(zhuǎn)錄。[3]8-12分鐘后中期基因的轉(zhuǎn)錄又被晚期基因所取代。早期基因由宿主菌的全酶轉(zhuǎn)錄，故仍用σ43。而中期及晚期基因轉(zhuǎn)錄則需要新的σ因子來取代原來的σ43。B.subtilis在其芽孢形成細(xì)胞中產(chǎn)生新的σ因子。在芽孢形成期開始時(shí)σ43即被σ37所取代。
σ分子較σ43略小。它在營養(yǎng)型細(xì)胞中即已存在，但為量很少，而且也不和核心酶結(jié)合形成全酶。芽孢形成開始時(shí)，在σ37的指導(dǎo)下，RNA聚合酶即能轉(zhuǎn)錄*組芽孢形成基因。目前尚不了解，這種替代如何調(diào)控的，現(xiàn)在認(rèn)為機(jī)制可能很復(fù)雜，牽涉到其他好幾種蛋白質(zhì)。這種替代并不*，而且被替代下的的σ43也未*被滅活。大約還有10%的核心酶仍和σ43相結(jié)合，所以可能還有某些營養(yǎng)型酶在芽孢形成時(shí)仍存在于細(xì)胞中。
在營養(yǎng)型細(xì)胞中至少還存在另一種σ因子，即σ32。它在芽孢形成早期出現(xiàn)活性，指導(dǎo)某些啟動(dòng)子起始轉(zhuǎn)錄;然而含量極少，不到1%。
在芽孢形成開始后4小時(shí)，σ29即開始出現(xiàn)。它指導(dǎo)另一組新基因的轉(zhuǎn)錄。σ29不存在于營養(yǎng)型細(xì)胞中，故可能是芽孢形成基因在σ37轉(zhuǎn)錄下的表達(dá)產(chǎn)物。
在營養(yǎng)型細(xì)胞中還有一種σ28，它的量不多，僅代表RNA聚合酶總活性的一小部分，而在芽孢形成開始時(shí)即告失活。然而奇怪的是，在某些不能形成芽孢的突變株中，是找不到它的活性的。所以有人認(rèn)為，σ28是表示營養(yǎng)已用竭，應(yīng)當(dāng)開始芽孢形成反應(yīng)的信號系統(tǒng)的一個(gè)部分。因此，在B.subtilis中，至少發(fā)現(xiàn)有7種不同的σ因子，它們可以識別不同的啟動(dòng)子順序。
變異的σ因子所識別的啟動(dòng)子順序在-35和-10序列方面都和細(xì)菌的主要啟動(dòng)子的序列有所不同，所以有人認(rèn)為σ因子可能同時(shí)結(jié)合在DNA的這兩個(gè)部位上。這樣，σ因子必然相當(dāng)長，以便跨越這兩個(gè)部位之間的距離(約70A)。但亦可能σ因子在轉(zhuǎn)錄起始時(shí)是相繼(而非同時(shí))與這兩個(gè)部位相結(jié)合的。然而，也不一定這樣，因?yàn)閦ui近有一個(gè)令人驚奇的發(fā)現(xiàn)，即E.coli的噬菌體T4編碼的σ因子促進(jìn)其"晚期"基因轉(zhuǎn)錄時(shí)，卻僅和-10序列，而不和-35序列相結(jié)合;因?yàn)門4"晚期"啟動(dòng)子的-35序列可以用基因工程技術(shù)加以改變而不影響啟動(dòng)子的功能，說明-35序列不RNA聚合酶與T4晚期啟動(dòng)子結(jié)合的特異性?？赡苓@意味著T4的σ因子與啟動(dòng)子很牢固地結(jié)合，因而起始結(jié)合位點(diǎn)(-35序列)變得不需要了。至少可以認(rèn)為在此情況下σ主要和-10部位相結(jié)合。