第四章、細(xì)菌遺傳學(xué)I

1、第四章、細(xì)菌遺傳學(xué)第四章、細(xì)菌遺傳學(xué)I內(nèi)容內(nèi)容介紹當(dāng)前對(duì)質(zhì)粒分配和拷貝數(shù)控制的調(diào)控機(jī)制的研究，（參考教材101頁(yè)）學(xué)習(xí)要求認(rèn)識(shí)質(zhì)粒分配與不相容性質(zhì)粒分配與不相容性質(zhì)粒質(zhì)粒是能獨(dú)立于寄主染色體而自主復(fù)制并被穩(wěn)定遺傳的一類核酸分子絕大多數(shù)的質(zhì)粒是DNA型 目前已知只有酵母殺傷質(zhì)粒(killer plasmid)是RNA型絕大多數(shù)的天然DNA質(zhì)粒為共價(jià)、閉合、環(huán)狀的分子結(jié)構(gòu)，即cccDNA (covalently close circular DNA )質(zhì)粒DNA的分子量范圍：1 - 200 kb知識(shí)點(diǎn)回顧已學(xué)知識(shí)點(diǎn)回顧一、質(zhì)粒分配與不相容性混合配對(duì)模型Random positioning of i

2、ncompatible plasmids.A. Sibling plasmids are initially paired, segregated and positioned along the cell. As fresh replicas are generated during the cell cycle, the positioning mechanism continues to be activated and to reposition plasmids two at a time, leading to asymmetric plasmid distribution and

3、 often to the absence of a plasmid from one cell-half.B. A large partition complex is more likely than a smaller one to activate and stabilize the positioning process. The plasmid with the larger centromere (circle) is thus more likely than that with the smaller one (ovoid) to be chosen for position

4、ing and to be placed at the centres of the cell-halves; plasmids with smaller centromeres are more likely to wander and be lost. Note that repositioning will tend to moderate a preference for positioning plasmids with largecentromeres/partition complexes.Indirect pairing. Partition does not necessar

5、ily start by breaking the ParBParB interactions responsible for pairing partition complexes on sibling plasmids. Instead, ParA can be activated by a ParBDNA entity that consists of either an isolated ParBparS complex, a paired complex (as shown) or an ensemble in a plasmid cluster. Partition ensues

6、when the activated ParAencounters another ParBDNA entity, which may never have been in contact with the activating one. Thus, plasmids can be segregated as either clusters, pairs or individuals.問題：細(xì)胞內(nèi)的質(zhì)粒是平均分配的么？ParB不直接相互作用的質(zhì)粒間也可發(fā)生分配二、 質(zhì)粒復(fù)制（拷貝數(shù)）與不相容性質(zhì)粒能利用寄主細(xì)胞的質(zhì)粒能利用寄主細(xì)胞的DNADNA復(fù)制系統(tǒng)進(jìn)行自主復(fù)制復(fù)制系統(tǒng)進(jìn)行自主復(fù)制, ,并賦

7、宿主細(xì)并賦宿主細(xì)胞特定的遺傳性狀胞特定的遺傳性狀. .質(zhì)粒質(zhì)粒DNADNA的復(fù)制方式的復(fù)制方式: : 主要有主要有“”型復(fù)制和滾環(huán)復(fù)制型復(fù)制和滾環(huán)復(fù)制根據(jù)在每個(gè)細(xì)胞中拷貝數(shù)的多寡，質(zhì)?？煞譃閮纱髲?fù)制類型：根據(jù)在每個(gè)細(xì)胞中拷貝數(shù)的多寡，質(zhì)?？煞譃閮纱髲?fù)制類型： 嚴(yán)緊型質(zhì)粒嚴(yán)緊型質(zhì)粒(Stringent plasmid)(Stringent plasmid) 松弛型質(zhì)粒松弛型質(zhì)粒(Relaxed plasmid)(Relaxed plasmid) 一種質(zhì)粒究竟是屬于嚴(yán)緊型還是松弛型并不是絕對(duì)的，一種質(zhì)粒究竟是屬于嚴(yán)緊型還是松弛型并不是絕對(duì)的，同一質(zhì)粒在不同的宿主細(xì)胞中可能具有不同的復(fù)制型，這說(shuō)明同

8、一質(zhì)粒在不同的宿主細(xì)胞中可能具有不同的復(fù)制型，這說(shuō)明質(zhì)粒的復(fù)制不僅受自身的制約，同時(shí)還受到宿主的控制，同宿質(zhì)粒的復(fù)制不僅受自身的制約，同時(shí)還受到宿主的控制，同宿主的狀況有關(guān)。主的狀況有關(guān)。 （一）、質(zhì)粒復(fù)制的調(diào)控（一）、質(zhì)粒復(fù)制的調(diào)控l為與宿主穩(wěn)定地共存并把代謝負(fù)擔(dān)減至最低, 質(zhì)粒必須控制自身的復(fù)制。在一定的生長(zhǎng)條件下、在一定的宿主菌中, 某一質(zhì)粒的拷貝數(shù)(N) 通常是一定的。l負(fù)調(diào)控模型 質(zhì)粒剛移入新宿主時(shí),負(fù)調(diào)節(jié)因子的濃度可忽略不計(jì), 質(zhì)粒能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到正?？截悢?shù), 然后通過增加或減少每細(xì)胞周期每質(zhì)?？截惖膹?fù)制率來(lái)調(diào)節(jié)細(xì)胞中的質(zhì)?？截悢?shù)(N), 使該菌群中各細(xì)胞的質(zhì)?？截悢?shù)維持在平均值(

9、Nav )附近的一個(gè)很小的波動(dòng)范圍內(nèi)。l 上述控制機(jī)制是由質(zhì)粒自編碼的負(fù)控制系統(tǒng)通過調(diào)控復(fù)制起始率而實(shí)現(xiàn)的, 其負(fù)控制元件就編碼在質(zhì)粒上l依所用負(fù)控制元件的類型不同, 質(zhì)粒復(fù)制的控制系統(tǒng)主要有: 重復(fù)子控制和反義RNA控制l復(fù)制起始蛋白R(shí)ep 蛋白能以二體形式結(jié)合于啟動(dòng)子區(qū), 反式作用, 對(duì)其合成進(jìn)行自我調(diào)節(jié);lRep 蛋白對(duì)復(fù)制具有雙向調(diào)控作用, 且視它的胞內(nèi)濃度而定, 當(dāng)胞內(nèi)濃度低時(shí)起復(fù)制激活劑作用, 胞內(nèi)濃度高時(shí)則起抑制劑作用。l“手銬”模型( “handcuffing”model)1、重復(fù)子控制空間位阻模型l空間位阻模型認(rèn)為, 決定質(zhì)粒復(fù)制率的主要因素是重復(fù)子的濃度而不是Rep 蛋白的

10、表達(dá)水平。當(dāng)質(zhì)?？截悢?shù)較低時(shí), Rep蛋白與重復(fù)子結(jié)合并飽和, 促發(fā)復(fù)制起始; 隨著質(zhì)?？截悢?shù)的增加, 結(jié)合于某一起點(diǎn)重復(fù)子的Rep 分子, 開始與結(jié)合于另一起點(diǎn)重復(fù)子的Rep 分子相互作用, 并通過Rep- Rep 相互作用把2個(gè)環(huán)狀質(zhì)粒分子偶聯(lián)起來(lái), 形成“手銬”狀的復(fù)合物, 導(dǎo)致這2個(gè)重復(fù)子區(qū)域之間出現(xiàn)空間位阻而阻斷復(fù)制的起始。l在隨后的細(xì)胞生長(zhǎng)期間, 這種質(zhì)粒對(duì)也逐漸分離, 使各質(zhì)粒分子的復(fù)制起始潛力得以恢復(fù)。 反義RNA控制l在這一模式中,由質(zhì)粒編碼的抑制因子(反義RNA)結(jié)合在復(fù)制起始區(qū)的特定靶位點(diǎn)上,對(duì)復(fù)制起負(fù)調(diào)控作用。l反義RNA : 小RNA 分子, 長(zhǎng)35150 nt, 有

11、14個(gè)莖-環(huán)( stem-loop) , 其序列與靶轉(zhuǎn)錄物 5 端的一個(gè)區(qū)域互補(bǔ), 又稱反轉(zhuǎn)錄RNA( countertranscribed RNA, ctRNA)l反義RNA的作用方式主要有以下兩種: 抑制引物RNA 加工 (以ColE1質(zhì)粒為例來(lái)說(shuō)明) 抑制前導(dǎo)肽翻譯 (以R1質(zhì)粒為例來(lái)說(shuō)明) 抑制引物RNA 加工lColE1 質(zhì)粒的復(fù)制起始由一長(zhǎng)為700 nt 的轉(zhuǎn)錄物RNA(preprimer)引發(fā)。RNA由宿主RNA 聚合酶合成, 經(jīng)構(gòu)象變化后, 與模板DNA在復(fù)制起始區(qū)附近偶聯(lián)(coupling)形成RNA-DNA雜交物, RNase H切割其中的RNA 部分, 產(chǎn)生游離的3 -

12、OH, 再在DNA 聚合酶的作用下, 從這個(gè)游離的3 - OH開始DNA前導(dǎo)鏈的合成。l3 - OH的生成是復(fù)制起始的限速步驟, 受反義RNA(RNA)調(diào)控。RNA序列與RNA的前108 堿基序列完全互補(bǔ), 互補(bǔ)區(qū)結(jié)合可改變RNA下游效應(yīng)位點(diǎn)的二級(jí)結(jié)構(gòu), 使RNA的3 端不能與模板DNA偶聯(lián),RNase H 就不能對(duì)RNA進(jìn)行加工, 從而阻斷引物的生成, 抑制復(fù)制的起始。l控制復(fù)制引物與模板的結(jié)合lRNA的啟動(dòng)子是組成型的, 故其數(shù)量與質(zhì)?？截悢?shù)成正比, 但不穩(wěn)定。l在ColE1 中還有一個(gè)質(zhì)粒編碼的控制元件Rom 蛋白(又稱Rop 蛋白) , Rop蛋白是RNA 結(jié)合蛋白, 它能增強(qiáng)RNA與

13、RNA的相互作用, 穩(wěn)定RNA- RNA復(fù)合物, 因而能加強(qiáng)對(duì)復(fù)制的抑制作用, 但在上述控制回路中只起輔助作用。除RNA1以外還有Rop 蛋白強(qiáng)化這種抑制 抑制前導(dǎo)肽翻譯 這種作用方式的例子是質(zhì)粒R1（兩種方式）, 它的基本復(fù)制子含有可讀框copB、tap 和repA, 分別編碼轉(zhuǎn)錄阻遏蛋白CopB、前導(dǎo)肽TAP和起始必需蛋白R(shí)epA。tap 和repA 是翻譯偶聯(lián)的。RepA蛋白是復(fù)制的限速因子, 以順式作用, 但不能重復(fù)使用, 其復(fù)制控制在轉(zhuǎn)錄和翻譯兩個(gè)水平上進(jìn)行。主控制元件是RNA,從repA-mRNA 前導(dǎo)區(qū)的一段互補(bǔ)鏈轉(zhuǎn)錄而來(lái), 長(zhǎng)約90 nt。 質(zhì)?？截悢?shù)(基因劑量)與RNA水平呈

14、正相關(guān)CopB可以二聚體形式阻遏repA始自PrepA啟動(dòng)子(位于copB下游)的轉(zhuǎn)錄。在穩(wěn)態(tài)條件下，CopB呈飽和濃度，可充分阻遏repA始自PrepA的轉(zhuǎn)錄，使其維持在基線水平。此時(shí)，repA mRNA 主要以copB-tap-repA RNA 多順反子形式合成。但在質(zhì)粒定居的早期階段，質(zhì)?？截悢?shù)很低，CopB介導(dǎo)的阻遏失效。此時(shí)， PrepA啟動(dòng)子去阻遏，repA 轉(zhuǎn)錄為tap-repA mRNA，l質(zhì)粒不相容性的原因 質(zhì)粒的不相容性現(xiàn)象主要是與質(zhì)粒的復(fù)制調(diào)控和分離(segregation)機(jī)制有關(guān)，不能在同一細(xì)胞中并存的質(zhì)粒是因?yàn)樗麄児蚕硪粋€(gè)或多個(gè)共同的復(fù)制因子或相同的分配系統(tǒng)。(對(duì)于單拷貝質(zhì)粒?)l當(dāng)兩種復(fù)制及調(diào)控機(jī)制毫不相干的質(zhì)粒在同一個(gè)細(xì)胞中生存時(shí),它們各自復(fù)制,再各自分配到不同的子細(xì)胞中,不會(huì)發(fā)生干擾。當(dāng)兩種復(fù)制及調(diào)控機(jī)制相關(guān)或相同的質(zhì)粒在同一個(gè)細(xì)胞中