1. Chapter 11
Phage strategies

2. 11.1 Introduction Lytic development is divided into two periods Lytic development is controlled by a cascade Functional clustering in phages T7 and T Lambda immediate early and delayed genes are needed for both lysogeny and the lytic cycle The lytic cycle depends on antitermination Lysogeny is maintained by repressor protein Repressor maintains an autogenous circuit The repressor and its operators define the immunity region The DNA-binding form of repressor is a dimer Repressor uses a helix-turn-helix motif to bind DNA Repressor dimers bind cooperatively to the operator Repressor at OR2 interacts with RNA polymerase at PRM The cII and cIII genes are needed to establish lysogeny PRE is a poor promoter that requires cII protein Lysogeny requires several events The cro repressor is needed for lytic infection What determines the balance between lysogenic and the lytic cycle?

3. 11.1 Introduction
Episome is a plasmid able to integrate into bacterial DNA. Epistasis Immunity in phages refers to the ability of a prophage to prevent another phage of the same type from infecting a cell. It results from the synthesis of phage repressor by the prophage genome. Induction refers to the ability of bacteria (or yeast) to synthesize certain enzymes only when their substrates are present; applied to gene expression, refers to switching on transcription as a result of interaction of the inducer with the regulator protein. Lysogeny describes the ability of a phage to survive in a bacterium as a stable prophage component of the bacterial genome. Lytic infection of bacteria by a phage ends in destruction of bacteria and release of progeny phage. Plasmid is an autonomous self-replicating extrachromosomal circular DNA. Prophage is a phage genome covalently integrated as a linear part of the bacterial chromosome.
Episome：
Immunity：
Induction：
Lysogeny：
Lytic infection：
Plasmid：
Prophage：
噬菌体的策略
一些噬菌体只有一种生存方式，在感染了一个易感宿主之后，它们破坏了宿主的功能而同时产生大量子代噬菌体颗粒。宿主细菌则由于裂解性感染而亡。在一个典型的裂解周期中，先是噬菌体 DNA （或RNA）进入宿主细菌，随后它的基因以一定的次序转录，复制出噬菌体遗传信息，进而产生出组成噬菌体的蛋白质成份。最后宿主细菌裂解而释放出组装后的子代噬菌体。
另一些噬菌体则有两种存在方式。一种是可以经过相同的裂解周期来复制自己，这样能尽快并尽可能多地产生子代。而在另一种存在方式下，它们的基因组在细菌内处于一个称为原噬菌体的潜伏状态，这种形式称之为溶源性。
在溶源性细菌中，原噬菌体被整合到细菌的基因组中，并以和细菌基因遗传相同的方式被遗传下来。由于含有原噬菌体，溶源性细菌对相同噬菌体的感染有免疫性。免疫性由一个整合的原噬菌体形成，所以通常一个细菌基因组中仅含有任何一个原噬菌体的基因拷贝。

4. 11.1 Introduction
Figure 11.1 Lytic development involves the reproduction of phage particles with destruction of the host bacterium, but lysogenic existence allows the phage genome to be carried as part of the bacterial genetic information.
Transitions occur between the lysogenic and lytic modes of existence. Figure 11.1 shows that when a phage produced by a lytic cycle enters a new bacterial host cell, it either repeats the lytic cycle or enters the lysogenic state. The outcome depends on the conditions of infection and the genotypes of phage and bacterium.
溶源性细菌和裂解性的存活方式可以相互转化。见图13.1（裂解复制噬菌体颗粒同时破坏宿主细菌，但溶源允许噬菌体的基因组作为细菌基因遗传组的一部分被遗传下来）。
说明：由裂解周期产生的一个噬菌体进入一个新的宿主细胞后，它或者会重复裂解周期，或者进入溶源状态。这取决于感染的状态及噬菌体和细菌的基因型。
在一个称为诱导的过程中，原噬菌体被细菌基因中切除下来，原噬菌体从而脱离溶源性生存方式的约束而获得自由，产生一个自由的噬菌体DNA，然后由此进行裂解旁路。
噬菌体以何种方式繁殖是由转录的调节来控制的。溶源性在一个噬菌体的抑制子和启动子的相互作用下得以维持。而裂解周期则要由一个级联的转录控制。而这两种生存方式的相互转化则建立在抑制的产生（以裂解性到溶源性）和去抑制（以溶源性诱导到裂解性）基础上。
质粒代表的是细菌中的另一种存在方式。这些是作为染色体外基因组而存在于细胞内的自发育单位。质粒是可以自我复制的环状 DNA分子，它在细菌细胞内存在一个稳定的、特征数目的拷贝，即在代与代之间，质粒的数目保持不变。
一些质粒也有另一种存在方式，它们可以以自发育的染色体外基因的形式存在，也可以插入到细菌的染色体中，然后细菌将其做为自己的一部分视其与其它序列一样，这样的单元更确切地说是游离基因（但一些情况下质粒和游离基因使用界不明确，似可以互换）。
与溶源性噬菌体相似，质粒和游离基因维持对宿主细菌私有，而常使建立另一个同类型的元素变得不可能。这种效应称为免疫。但质粒免疫的基础与溶源体免疫的基础不同（我们在第１４章讨论质粒复制的调控）。

5. 11.1 Introduction
Figure 11.2 summarizes the types of genetic units that can be propagated in bacteria as independent genomes. Lytic phages may have genomes of any type of nucleic acid; they transfer between cells by release of infective particles. Lysogenic phages have double-stranded DNA genomes, as do plasmids and episomes. Some plasmids and episomes transfer between cells by a conjugative process (involving direct contact between donor and recipient cells). A feature of the transfer process in both cases is that on occasion some bacterial host genes are transferred with the phage or plasmid DNA, so these events play a role in allowing exchange of genetic information between bacteria.
表13.1（有一些单独的基因组可能存在于细菌）总结了可以作为独立基因组在细菌内繁殖的几种类型的基因单位。裂解性噬菌体可能有含任一种核酸的基因组，通过释放导致感染的病毒颗粒，它们在细胞间传递。溶源性噬菌体及质粒和游离基因则含有双链 DNA 基因组。一些质粒和游离基因通过接合（给体细胞和受体细胞的直接接触）在细胞间传递。在这两种情况下，传递过程的一个特征是偶尔宿主细菌的基因会随着噬菌体或质粒DNA 一起传递，因此这些过程在细菌遗传信息的互换中起着很重要的作用。
Figure 11.2 Several types of independent genetic units exist in bacteria.

6. 11.2 Lytic development is controlled by a cascade
Lytic development is accomplished by a pathway in which the phage genes are expressed in a particular order. This ensures that the right amount of each component is present at the appropriate time. The cycle can be divided into the two general parts illustrated in Figure 11.3:
11.2 Lytic development is controlled by a cascade
一、裂解的进程由一个级联反应控制
噬菌体的必须基因组是非常小的。与其它所有病毒一样，由于必须把这些核酸装进蛋白外衣内，这就限制了基因组的大小。这种限制促成了很多病毒的毓战略。一般地，病毒控制了宿主细胞的代谢体系，使之复制并表达噬菌体的基因而不是细菌的基因。
通常，噬菌体含有确保优先复制噬菌体DNA 的基因，这些基因与复制的起始密切相关，甚至可能包括一个新的DNA 聚合酶的基因。宿主细胞进行转录的效能发生了变化。这包括替换掉RNA聚合酶或改变起始或终止的效能。结果总是一样的：噬菌体的mRNA优先转录，直到开始蛋白的合成。通常，噬菌体会利用宿主的合成工具，主要是将细菌的mRNA换成噬菌体的mRNA而使其转向。
裂解的发展是通过一个旁路实现的，在这个旁路里，噬菌体的基因以特定顺序来表达。这保证在合适的时间每种成份都会有正常的量。这个循环可分成两个主要部分，见图13.2（裂解的发展通过生产噬菌体的基因和蛋白颗粒组成子代噬菌体。把这个路径与电镜下的感染的细菌图3.2作比较）
u  感染早期——指以噬菌体DNA 进入细菌到开始复制的这段时间。
u  感染晚期——指以开始复制到裂解反应的最后一步并释放子代噬菌体颗粒的这段时间。
感染早期主要用来合成复制DNA所需的酶。这些酶包括与DNA 合成。重组有时还有修改所需的酶。这些酶的运作积累了一池的噬菌体基因组。在这个池中，基因组连续地复制重组，因此仅仅一个裂解循环也可产生大量的噬菌体基因组。
而在感染晚期，则合成了噬菌体颗粒的蛋白成分，通常要组装好头部和尾部需要各种蛋白，因此噬菌体基因组中最大的一部分是编码晚期的功能。
除了结构蛋白外，还需要有“组装蛋白”来帮助构建完整的噬菌体病毒颗粒，虽然“组装蛋白”本身并不加入到病毒颗粒中。当结构成份都组装成头部和尾部后，DNA 的复制也达到了最大的速度，然后噬菌体的基因组插入到空的头部，加上尾部，接着宿主细胞裂解，以放出新的病毒颗粒。
噬菌体基因图谱的组织方式常提示了裂解发展的顺序，操纵子的概念走了一个稍稍的极端，这里编码相关功能蛋白的基因聚为一簇，以使得它们以最经济的方法控制。这将使得只需少数几个控制开关就能调控整个裂解发展旁路。
Figure 11.3 Lytic development takes place by producing phage genomes and protein particles that are assembled into progeny phages.

7. 11.2 Lytic development is controlled by a cascade
裂解周期处在正控制之下，因而每组噬菌体的基因只有在给出了合适信号之后才进行表达。图13-3（噬菌体的裂解周期通过一个有规律的级联方式的运作，一个阶段所表达的基因产物是下一个阶段所表达基因的基础）画出了调节基因以级联方式的运作，在这种方式中，一个阶段所表达的基因是产生（激活）下一个阶段所表达基因的基础。这样，在表达的每一阶段，一个或多个活化的基因将作为下一个阶段所必须的调控因子。这个调控因子可能是一个新的RNA聚合酶；或一个重定向宿主RNA聚合酶的特殊性的sigma因子（见１１章），或一个允许读一组新的基因的抗终止因子（见１２章）。
基因转录的第一个阶段必须依靠宿主细胞的工具。在这一阶段通常只有少数几个基因被表达。它们的启动子与宿主细胞的启动子是不可区分的。这类基因的名称依赖于噬菌体。在多数情况下，它们被称为早期基因。在入噬菌体中，它们有一个形象的描述：立即早期。不考虑这个名字，它们仅负责初始部分，只代表早期的初始部分。有时它们则独立占据着到下一期的过渡。总得来说，其中一个基因总是编码一个转录下一类基因所需的蛋白。
第二类基因则有不同的名字如晚早期或中期。一般来说一旦有了由早期基因编码的调节蛋白，它就开始表达。早期基因的初始部分可能会在这个阶段继续表达，也可能不会。这依靠于调控途径的本质（见图11.30）。宿主基因的表达常会减少，早期基因的这两类（除了合成外衣和裂解细胞外）共同实现噬菌体所有的必须的功能。
当噬菌体DNA 开始复制，晚期基因也开始表达。通常在先前的基因（晚早期或中期）中嵌入一个作用更远的调控基因，由它来组织晚期基因的转录。这个调控子可能是另一个抗终止因子（如在入噬菌体中）或可能是另一个Sigma因子（比在spol）。
图13.3画出通常的三个阶段的分法。第一阶段利用宿主的RNA聚合酶进行早期基因转录（有时在这一阶段仅产生调控因子）。第二阶段则是在由第一阶段产生的调控子的指导下进行基因转录（这里多数的基因编码复制噬菌体DNA 所需的酶）。最后一个阶段是在由第二阶段产生的调控子的指导下转录有关噬菌体组成的基因。
这里，每套基因都含有一个下一套基因的表达所需的调控子基因。
这种连续控制的使用创造了一个级联，在这个级联里在特定时间内，一组一组的基因被打开或关闭。不同噬菌体的级联的建构方法是不同的，但结果相似，在下面章节将被谈到。
Figure Phage lytic development proceeds by a regulatory cascade, in which a gene product at each stage is needed for expression of the genes at the next stage.

8. 11.2 Lytic development is controlled by a cascade
This second class of genes is known variously as the delayed early or middle group. Its expression typically starts as soon as the regulator protein coded by the early gene(s) is available. Depending on the nature of the control circuit, the initial set of early genes may or may not continue to be expressed at this stage (see Figure 9.31). Often the expression of host genes is reduced. Together the two sets of early genes account for all necessary phage functions except those needed to assemble the particle coat itself and to lyse the cell.
Figure 9.31 Switches in transcriptional specificity can be controlled at initiation or termination.

9. 11.3 Functional clustering in phages T7 and T4
The genome of phage T7 has three classes of genes, each constituting a group of adjacent loci. As Figure 11.5 shows, the class I genes are the immediate early type, expressed by host RNA polymerase as soon as the phage DNA enters the cell. Among the products of these genes are enzymes that interfere with host gene expression and a phage RNA polymerase. The phage enzyme is responsible for expressing the class II genes (concerned principally with DNA synthesis functions) and the class III genes (concerned with assembling the mature phage particle).
二、T7及T4噬菌体的功能基因簇
T7噬菌体的基因组有三类基因，每类各自组成邻近的区域。如图13.4（噬菌体T7有三类基因各自连续的表达，基因组为38000个碱基对）所示，第Ⅰ类基因是立即早期基因，在噬菌体 DNA进入细胞后立即由宿主RNA聚合酶进行表达。这类基因的表达的产物中，有干扰宿主基因表达的酶和一个噬菌体的RNA聚合酶。噬菌体的酶负责表达第二类基因（主要有 DNA 合成的功能）及第三类基因（负责合成成熟的噬菌体颗粒）。
Figure 11.5 Phage T7 contains three classes of genes that are expressed sequentially. The genome is ~38 kb.

10. 11.3 Functional clustering in phages T7 and T4
Figure 11.6 The map of T4 is circular. There is extensive clustering of genes coding for components of the phage and processes such as DNA replication, but there is also dispersion of genes coding for a variety of enzymatic and other functions.
Phage T4 has one of the larger genomes (165 kb), organized with extensive functional grouping of genes. Figure 11.6 presents the genetic map. Genes that are numbered are essential: a mutation in any one of these loci prevents successful completion of the lytic cycle. Genes indicated by three-letter abbreviations are nonessential, at least under the usual conditions of infection. We do not really understand the inclusion of many nonessential genes, but presumably they confer a selective advantage in some of T4’s habitats. (In smaller phage genomes, most or all of the genes are essential.)
T4噬菌体的基因组是较大的基因组之一（有165kb），由有广泛功能的基因组成，图13.5（T4的基因图谱是圆形，这有编码噬菌体成份和DNA复制的基因，也有散布的编码酶和其它功能的基因。标有数字的基因是必须的，用三个字母缩写表示的基因在通常的感染条件下可认为是非必须的。图中仅有一些有代表的基因）为T4的基因图谱。标有数字的基因是必须的：其中任何区域上发生突变都将阻碍裂解周期的成功完成。用三个字母缩写表示的基因在通常的感染条件下可认为是非必需的，我们对很多非必须基因的内涵还不完全理解，但有假定说它们可能在一些T４的宿主中带来选择性的优势（在小一些的噬菌体基因组中，全部或大多数基因都是必需的）。
Essential genes are indicated by numbers. Nonessential genes are identified by letters. Only some representative T4 genes are shown on the map.

11. 11.3 Functional clustering in phages T7 and T4
There are three phases of gene expression. A summary of the functions of the genes expressed at each stage is given in Figure The early genes are transcribed by host RNA polymerase. The middle genes are also transcribed by host RNA polymerase, but two phage-encoded products, MotA and AsiA, are also required. The middle promoters lack a consensus 30 sequence, and instead have a binding sequence for MotA. The phage protein is an activator that compensates for the deficiency in the promoter by assisting host RNA polymerase to bind. (This is similar to a mechanism employed by phage lambda, which is illustrated later in Figure ) The early and middle genes account for virtually all of the phage functions concerned with the synthesis of DNA, modifying cell structure, and transcribing and translating phage genes.
基因表达有三种阶段，图13.6（T4噬菌体的裂解级联有两种阶段：早期和中期基因与DNA的合成和基因的表达有关；晚期的功能与颗粒的聚集有关）总结了在各阶段表达的基因的功能，早期基因由宿主RNA聚合酶转录。中期基因也由宿主RNA聚合酶转录，但还需要两个由噬菌体基因编码的产物：Mot A及Asi A。中期基因的启动子缺乏一个３０个基因的共同序列，而由一个Mot A的结合序列代替。噬菌体蛋白质作为一个激活因子（活化子），用来补偿由于宿主RNA聚合酶牢固的结合而引起的启动子的失活。（这与入噬菌体使用的机制相似，这种机制将在图13.24中说明），早期及中期基因实质上包含了所有关于DNA 合成，改变细胞结合及噬菌体基因的转录与翻译的这些噬菌体的功能。
两个归入转录类的基因完成了一项调节的功能：它们的表达产物是后期基因表达所必需的。T４噬菌体的感染依赖于复制与后期基因表达之间的一个机械连接。只有活跃地进行着复制的DNA 才能用作后期基因转录的模板。引起这个联系的原因除了引入了一个新的Sigma因子外，还有在宿主RNA聚合酶引起一些变化，使之只有对于正在复制的DNA 的模板才能活化（可能是由于复制工具本身与RNA聚合酶反应）。这种联系在噬菌体蛋白成分的合成和可以获得的包裹基因组的数目之间建立起关联。
Figure 11.7 The phage T4 lytic cascade falls into two parts: early and quasi-late functions are concerned with DNA synthesis and gene expression; late functions are concerned with particle assembly.

12. 11.3 Functional clustering in phages T7 and T4
There are three phases of gene expression. A summary of the functions of the genes expressed at each stage is given in Figure The early genes are transcribed by host RNA polymerase. The middle genes are also transcribed by host RNA polymerase, but two phage-encoded products, MotA and AsiA, are also required. The middle promoters lack a consensus 30 sequence, and instead have a binding sequence for MotA. The phage protein is an activator that compensates for the deficiency in the promoter by assisting host RNA polymerase to bind. (This is similar to a mechanism employed by phage lambda, which is illustrated later in Figure ) The early and middle genes account for virtually all of the phage functions concerned with the synthesis of DNA, modifying cell structure, and transcribing and translating phage genes.
Figure RNA polymerase binds to PRE only in the presence of CII, which contacts the region around -35.

13. 11.4 The lambda lytic cascade relies on antitermination
One of the most intricate cascade circuits is provided by phage lambda. Actually, the cascade for lytic development itself is straightforward, with two regulators controlling the successive stages of development. But the circuit for the lytic cycle is interlocked with the circuit for establishing lysogeny, as summarized in Figure 11.8 (for review see Ptashne, 1992).
三、入噬菌体的裂解级联反应建立在抗终止作用基础上。
一个最复杂的级联反应路线是在入噬菌体中发现的。实际上裂解发展的级联本身是易于理解的。它由两个调节因子来控制发展的后继步骤。但裂解周期的路径是与建立溶源性的路径互锁在一起的。如图13.7（入噬菌体的裂解级联与建立溶源性的路径互锁在一起的）中所示。
当入噬菌体DNA 进入一个新的宿主细胞后，裂解途径与溶源途径以相同的途径启动，两者都需要先表达立即早期及晚早期的基因。接下来他们就以各自的路线发展：如果是后期基因表达，则将按裂解路线发展；如果建立起了抑制子的合成则继而向溶源发展。
入噬菌体只有两个立即早期基因，各自独立地由宿主RNA聚合酶表达：
◆ N基因编码了一个抗终止子，它作用在nut位点将允许转录过程进入晚早期基因。我们在１１章已讨论了抗终止作用的机制。
◆ Cro基因有双重功能：它能阻碍了终止子的合成（对裂解进行是必需的过程）；它又可关闭立即早期基因的表达（在裂解周期晚期已不需要）
晚早期基因包含两个“复制基因”（在裂解感染中是必需的），七个重组基因（一些在裂解性感染中参与了重组作用，而其中有两个则是将入DNA整合到细菌的染色体从而成溶源性所必需的基因）及三个调节因子，这些调节因子有截然相反的功能。
◆ CⅡ－CⅢ这对调节因子对启动抑制子的合成是必需的。
◆ Q调节子是一个抗终止子，其作用是允许宿主RNA聚合酶作用到晚期基因上。
因此晚早期基因为两方面服务：一些是噬菌体进入溶源过程所必需的，而其它则负责控制裂解周期的进行顺序。
Figure 11.8 The lambda lytic cascade is interlocked with the circuitry for lysogeny.

14. 11.4 The lambda lytic cascade relies on antitermination
To disentangle the two pathways, first consider just the lytic cycle. Figure 11.9 gives the map of lambda phage DNA. A group of genes concerned with regulation is surrounded by genes needed for recombination and replication. The genes coding for structural components of the phage are clustered. All of the genes necessary for the lytic cycle are expressed in polycistronic transcripts from three promoters.
为了区分开两条路径，我们首先考虑裂解循环。图13.8（入噬菌体的图谱显示了相关功能的聚集。基因组为48514个碱基对）给出了入噬菌体DNA 的图谱。一组负责调节的基因周围是进行重组和复制所必需的基因。编码噬菌体结构成分的基因则排列为簇。裂解周期所需要的基因则以三个启动子起以多顺反子转录的形式表达。
Figure 11.9 The lambda map shows clustering of related functions. The genome is 48,514 bp.

15. 11.4 The lambda lytic cascade relies on antitermination
Figure shows that there are two immediate early genes, N and cro, which are transcribed by host RNA polymerase. N is transcribed toward the left, and cro toward the right. Each transcript is terminated at the end of the gene. pN is the regulator that allows transcription to continue into the delayed early genes. It is an antitermination factor that suppresses use of the terminators tL and tR. (Its mechanism is discussed in 9 Transcription.) In the presence of pN, transcription continues to the left of N into the recombination genes, and to the right of cro into the replication genes.
图13.9（入噬菌体有两个早期转录的单元。在左端的单元中，上部向左端转录；在右端的单元中，下部向右端转录。启动子通过红或蓝箭头来表示。终止子通过绿色阴影来表示。两个立即早期基因，N和Cro，通过终止子与晚期基因分离。N蛋白的合成允许RNA聚合酶越过TL1左端和TR1右端的终止子）表明两个立即早期基因，N和Cro, 由宿主RNA聚合酶表达。N基因向左边转录，Cro基因向右边转录。每个转录过程都在基因的末端结束。PN是一个调节基因，作用是允许转录向晚早期基因延续。而压制终止子tL和tR的工作则是由一个抗终止子完成的（机理见第１１章）。在PN存在的情况下，转录过程继续进行越过N基因左端而进入重组基因，进行到Cro基因右端后进入复制基因。
Figure Phage lambda has two early transcription units; in the "leftward" unit, the "upper" strand is transcribed toward the left; in the "rightward" unit, the "lower" strand is transcribed toward the right. Promoters are indicated by the shaded red or blue arrowheads. Terminators are indicated by the shaded green boxes. Genes N and cro are the immediate early functions, and are separated from the delayed early genes by the terminators. Synthesis of N protein allows RNA polymerase to pass the terminators tL1 to the left and tR1 to the right.

16. 11.4 The lambda lytic cascade relies on antitermination
The map in Figure 11.9 gives the organization of the lambda DNA as it exists in the phage particle. But shortly after infection, the ends of the DNA join to form a circle. Figure shows the true state of lambda DNA during infection. The late genes are welded into a single group, containing the lysis genes S-R from the right end of the linear DNA, and the head and tail genes A-J from the left end.
图13.8中的图谱是存在于噬菌体颗粒中的入DNA 组织方式。但刚刚发生感染后，该DNA 的两端就接在一起成为一个环。图13.10（入DNA在感染时环化，所以晚期的基因在转录时是完整的）画出了感染后入DNA 的真实状态。晚期基因接成了一个单一的组，包括以线性DNA右端开始的裂解基因s-R和右端开始的头部和尾部的基因。
后期基因作为单一的转录单位，从一个排在Q与S间的 PR 启动子开始表达。后期的启动子是必不可缺的。然而，缺少了Q基因的表达产物（晚早期基因右端的最后一个基因），晚期转录将在 tR3 位点终止。由于这个终止事件而得到的转录产物长194个碱基，为6SRNA。而PQ出现后，它将抑制tR3的终止，于是6SRNA得以延伸，结果使晚期基因得到表达。
后期基因的转录似乎不在任何特定点终止，而是持续着起动所有后期基因乃至走出这个区域。在晚早期基因的左端进行转录时也发生相似的情形，在经过重组功能区后仍在继续。而在每个方向上进行的转录可能在聚合酶撞到一块前就终止了。
Figure Lambda DNA circularizes during infection, so that the late gene cluster is intact in one transcription unit.

17. 11.5 Lysogeny is maintained by an autogenous circuit
Immunity in phages refers to the ability of a prophage to prevent another phage of the same type from infecting a cell. It results from the synthesis of phage repressor by the prophage genome. Virulent phage mutants are unable to establish lysogeny.

18. 11.5 Lysogeny is maintained by an autogenous circuit
The expanded map of the regulatory region drawn in Figure shows that the promoters PL and PR lie on either side of the cI gene. Associated with each promoter is an operator (OL, OR) at which repressor protein binds to prevent RNA polymerase from initiating transcription. The sequence of each operator overlaps with the promoter that it controls; so often these are described as the PL /OL and PR/OR control regions.
四、溶源性是由一个自发育路线维持的。
考察入裂解级联，我们发现整个过程成为一条链，这是通过在负责立即早期基因N和Cro的启动子PL和PR初始化转录而实现的。因为入裂解级联使用抗终止作用而继续下一个阶段（晚早期）表达，在整个早期这两个启动子一直在使用。
图13.11（入调节区域包括一簇反式作用因子和顺式作用元件）画出的调节区域的扩展图谱表明：启动子PL和PR位于CI基因的任意一端。与每个启动子联系在一起的是一个操纵子（OL,OR），这两个操纵子是抑制蛋白结合位点以阻止RNA聚合酶进行初始化转录。每个操纵子的顺序与其控制的启动子序列有重叠；因此这些基因往往被写成 PL/OL和PR/OR控制区。
裂解级联是按顺序进行的，因此控制区域提供了一个压力点，在这个点上可以控制整个周期的入口。抑制因子通过阻碍RNA聚合酶进入这些启动子而阻断了噬菌体基因进入裂解周期。
抑制子蛋白由CI基因编码。这个基因上发生突变后将不能支持溶源性，而总是进入裂解周期。基因的名字反映出感染产生的表现型。
Figure The lambda regulatory region contains a cluster of trans-acting functions and cis-acting elements.

19. 11.5 Lysogeny is maintained by an autogenous circuit
When a bacterial culture is infected with a phage, the cells are lysed to generate regions that can be seen on a culture plate as small areas of clearing called plaques. With wild-type phages, the plaques are turbid or cloudy, because they contain some cells that have established lysogeny instead of being lysed. The effect of a cI mutation is to prevent lysogeny, so that the plaques contain only lysed cells. As a result, such an infection generates only clear plaques, and three genes (cI, cII, cIII) were named for their involvement in this phenotype. Figure compares wild-type and mutant plaques.
当一个细菌培养平板感染一种噬菌体病毒后，细菌将裂解产生可见的名叫空斑的无菌区域。若使用野生型噬菌体，形成的空斑将会混乱而不清楚，因为这里有一些细胞建立起了溶源而不发生裂解。一种CI变异的效果是阻碍溶源性，于是空斑只含有裂解的细胞。因此，这样的感染只产生清晰的空斑，有三个基因（CⅠ、CⅡ、CⅢ）因为它们在这种表现型中的作用而得名。图13.12（野生型入从混乱而不清楚的空斑中培养出[左图]，不能溶源的变异型可以通过他们的清晰的空斑被检测到[右图],图的提供者是Dale Kaiser）对野生型和变异空斑进行比较。
CI基因通过一个位于它右边的启动子PRM而转录。（下称“RM”代表repressor maintenance），转录在该基因的左端终止，mRNA以AUG为起始密码，因为缺少了通常的核糖体结合位点，该mRNA上进行的翻译是低效率的，只产生低水平的抑制蛋白。
Figure Wild-type and virulent lambda mutants can be distinguished by their plaque types. Photograph kindly provided by Dale Kaiser.

20. 11.5 Lysogeny is maintained by an autogenous circuit
The repressor binds independently to the two operators. It has a single function at OL, but has dual functions at OR. These are illustrated in the upper part of Figure
抑制子独立地与两个操纵子联结，它在OL端中有一个功能，而在OR端则有两重功能。在图13.13（溶源性是由一个自发育路线维持的[上半部]。如果路线被打断，将启动裂解路线[下半部]。）上半部有说明。
在OL处，抑制子的效果与我们已讨论过的其它系统中的效果一样：阻碍RNA聚合酶在RL端初始化转录。这终止N基因的表达。所有向左方的早期基因转录都要用到PL。因此这个反应阻止了所有左向的早期基因单元的表达。这样在裂解周期还没有走出早期就被阻挡住了。
在OR端，抑制子的结合阻止了对PR的作用。这样cro基因和其它右向的早期基因就不表达。（我们在后面将讲到为什么在开始支持溶源性时阻碍Cro的表达是很重要的）。
但在OR端上的抑制子有另一个效果，合成这个抑制子的启动子，PRM相邻地排在OR右端。这表明RNA聚合酶只有在抑制子与OR结合时才能有效地在PRM处启动。抑制子则作为CI基因转录所必须的正调节蛋白。抑制子本身是由CI产生的，因此这个反应就造成了一个正反馈的自发育路线，在这里抑制子的存在是支持自己继续合成所必需的。
这种控制路线的性质解释了溶源性存在的生物学特性。这条控制路线保证了溶原性的稳定，只需抑制子的水平是足够的就会有CI基因的持续表达。结果是，OL和OR仍被占据着。通过抑制整个裂解级联，这个反应支持原噬菌体处在不明确的惰性状态。
抑制子的存在解释了“免疫”现象的存在。如果第二个入噬菌体DNA 进入一个溶源性细胞，由已经存在的原噬菌体基因合成的抑制子蛋白将立即级联到新来的OL和OR基因上。这将阻止第二个噬菌体进入裂解周期。
起初，用致命突变入vir确认出操纵子是抑制子的结合目标。这一突变阻碍抑制子与OL或OR的结合，结果是噬菌体感染了一个新的宿主细菌后不可逆转地向裂解旁路发展。入vir突变体可以在溶源性细菌中生长。因为在OL及OR上的致命突变使新来的噬菌体忽略了抑制子的存在而进入裂解周期。噬菌体中致命突变等同于细菌操纵子的操纵基因组成突变。
Figure Lysogeny is maintained by an autogenous circuit (upper). If this circuit is interrupted, the lytic cycle starts (lower).

21. 11.5 Lysogeny is maintained by an autogenous circuit
原噬菌体在溶源性路线被切断后被诱导进入裂解周期。这发生在抑制子失活的时候（见下节）。抑制子的缺失使得RNA聚合酶结合到PL及PR上，开始如图13.3下部所示的裂解周期。
抑制子支持路径的自发育造成了一种可感知的回应，因为抑制子存在对于自身的合成是必需的，一旦存在的抑制子被破坏，CI基因的表达就立即停止。这样将不会有抑制子产生以代替已破坏的抑制子。因此裂解周期可以不受支持溶源性的路线的干扰而开始。包括在操纵子和右操纵子及CI基因、Cro基因在内的区域决定了对噬菌体的免疫。所有含有这一区域的噬菌体有同种的“免疫”，因为这个区域在确定了抑制蛋白同时也确定了，该蛋白的作用位点。根据这点，这一区域称为免疫区（如图13.11所示）。每种入噬菌体, 包括80, 21, 434和入噬菌体都有一个独特的免疫区。当我们说一个溶源性噬菌体对所有同型噬菌体有免疫时，更为精确的意思是对其它任何具有相同免疫区的噬菌体（不用考虑其它区域的区别）。
Figure Lysogeny is maintained by an autogenous circuit (upper). If this circuit is interrupted, the lytic cycle starts (lower).

22. 11.6 The DNA-binding form of repressor is a dimer
The repressor subunit is a polypeptide of 27 kD with the two distinct domains summarized in Figure
五、DNA 结合型抑制子是二聚体
抑制子的亚单位是一个17KD的多肽，它有两个自分离的结构域，如图13.14。（抑制子的N端域和C端域形成分离的结构域。C端域形成二聚体；N端域结合DNA）
◆ N端域，由第１到９２号的碱基构成，提供了结合操纵子的位点。
◆ C端域，由１３２－２３６号碱基构成，负责形成二聚体。
这两个结构域由一个４０个残基的链联系接。当用水解酶水解抑制子时，每个域将做为一个分离的片段释放出来。
每个域可以各自独立地行使其功能：C端结合域可以形成寡聚体。N端域则可与操纵子结合，虽然比完整的抑制子结合力弱。这样N端域就包含了特异性与DNA 反应的信息，但这个过程的效果反而因C端域的结合而提高。
抑制子的二聚体结构对支持溶原性的作用是很重要的。诱导一个原噬菌体进入裂解周期是通过在抑制子亚基的联结处，第１１１与１１３个残基间切断来实现的。（这与由于与细菌操纵子结合的抑制子被小分子诱导物失活后引起的空间不对称性改变是对应的，溶源性抑制子并无这种能力）。诱导是在某些有利的条件下发生的，如将溶源性细菌暴露在紫外辐射之下，会导致抑制子因蛋白水解而失活。
Figure The N-terminal and C-terminal regions of repressor form separate domains. The C-terminal domains associate to form dimers; the N-terminal domains bind DNA.

23. 11.6 The DNA-binding form of repressor is a dimer
In the intact state, dimerization of the C-terminal domains ensures that when the repressor binds to DNA its two N-terminal domains each contact DNA simultaneously. But cleavage releases the C-terminal domains from the N-terminal domains. As illustrated in Figure this means that the N-terminal domains can no longer dimerize; this upsets the equilibrium between monomers and dimers, so that repressor dissociates from DNA, allowing lytic infection to start. (Another relevant parameter is the loss of cooperative effects between adjacent dimers: see later.)
当抑制子处于完好状态时，C端域的二聚化保证当抑制子与DNA 结合时，它的两个N端域同时与DNA 接触。而水解使C端域与N端域分离。如图13.15（抑制子二聚体与操纵子结合。N端域与DNA 结合力被C端域的二聚化所控制）所示。这意味着Ｎ端域将不能再二聚化，使得单体与二聚体间的平衡被破坏。因此，抑制子以DNA 上脱离下来，使得裂解感染开始了。（另一个相关因素是失去了两个相邻二聚体间协同的效果，见下文）。
溶源性与裂解周期间的平衡依赖着抑制子的浓度。在溶源性细胞中，完整的抑制子保持着足够的浓度来保证对操纵子的结合。但如果抑制子被裂解，该浓度就将不足，因为独立的N端域对操纵子的亲合性较低。过高的抑制子浓度使得不可能利用这种方法诱导产生裂解周期，当然抑制子的浓度过低则不可能支持溶源性。
对抑制子浓度的依赖很大程度上受到抑制子行为的影响。入抑制子仅以二聚体形式与DNA 结合。单体与二聚体的平衡依赖于蛋白质的浓度。平衡的结果是抑制子在低浓度时以单体形式存在而在高浓度时以二聚体形式存在（有效的DNA 结合方式）。因此，与操纵子的结合速率正比于单体浓度的平方，就是说遵循一个二级平衡。
Figure Repressor dimers bind to the operator. The affinity of the N-terminal domains for DNA is controlled by the dimerization of the C-terminal domains.

24. 11.6 The DNA-binding form of repressor is a dimer
入抑制子浓度的减少使平衡向着单体的形式移动，而单体将不能很好地与DNA 结合而使得总的与操纵子结合的能力的丧失更加恶化。图13.16（入抑制子与操纵子的结合是遵循一个二级平衡）给出抑制子与操纵子结合曲线，该曲线有相对于一级反应更敏感的二级反应所具有的典型的S型。
通常在一个溶源性细胞中抑制子的浓度是２００M／cell，相当于4×10-7M，n倍于保证完全的抑制所需的浓度。而只要此浓度降低１０的数量级，将会有效地减弱抑制作用的程度而导致诱导作用产生。
Figure Lambda repressor binds to operators with second-order kinetics.

25. 11.7 Repressor binds cooperatively at each operator using a helix-turn-helix motif
Figure Lambda repressor's N-terminal domain contains five stretches of a-helix; helices 2 and 3 are involved in binding DNA.
The N-terminal domain of lambda repressor contains several stretches of -helix, arranged as illustrated diagrammatically in Figure The structures of the connector and the C-terminal domain are not known.
六、依靠一个helix-tum-halix的基板抑制子可以协同地与操纵子结合。
调节细菌转录的几种DNA 结合蛋白都有一个相似的与DNA 结合的方式，在这种模式下，活性域有两个短个螺旋与DNA 接触。（一些真核细胞中的转录因子也使用相似的基元，见第２９章）。
入抑制子的N端域有几片－螺旋，如图13.17（入抑制子的N端域包括五段a螺旋，螺旋2和3用来结合DNA）所示的形式组织在一起。联结链和C端域的结构仍然是未知的。

26. 11.7 Repressor binds cooperatively at each operator using a helix-turn-helix motif
Two of the helical regions are responsible for binding DNA. The helix-turn-helix model for contact is illustrated in Figure Looking at a single monomer, -helix-3 consists of 9 amino acids, lying at an angle to the preceding region of 7 amino acids that forms -helix-2. In the dimer, the two apposed helix-3 regions lie 34 ? apart, enabling them to fit into successive major grooves of DNA. The helix-2 regions lie at an angle that would place them across the groove (Sauer et al., 1982).
螺旋区中的两个负责与DNA 结合，而图13.18（在两个与DNA 结合螺旋模型中，a-螺旋- 3嵌入相邻的DNA 大沟，而helix-2越过大沟）在说明了helix-turn-helix的接触模形。考察一个独立的单体，a-螺旋-3有９个氨基酸, 与前面的由7个氨基酸组成的，a-螺旋-2区域成一个角度。在二聚体中，两个相对的，a-螺旋- 3区距离34 埃 , 这使它们嵌入相邻的DNA 大沟。而helix-2区则以一定角度排列而使之越过大沟。
在其它一些DNA 结合蛋白上发现与这两个区域中的 螺旋基片相关的形式，包括有CAP，Lac抑制子，及几种噬菌体抑制子上。每个螺旋都在结合操纵子的时候扮演独特的角色。
▲ helix-3与DNA的结合依靠氨基酸侧链与碱基对暴露的位置间的氢键。这个螺旋负责识别特异性的目标DNA序列，并因此而被称为识别螺旋。
▲ helix-2与DNA的结合则采取与磷酸骨架有关的氢键的形成。这种作用对于联结来说是必需的。但并不控制目标识别的特异性。际了这些接触作用之外，与DNA反应的很大一部分能量来自于离子与磷酸基因的相互作用。
如图，我们操纵编码序列来构建一个新的蛋白，就是将抑制子上的识别螺旋的序列用相应的非常相似的抑制子序列替换，会有什么结果呢？杂交蛋白的特异性由新的螺旋区域决定。这个短区域的氨基酸序列决定了独立蛋白的序列特异性，并能与多肽的其余部位结合在一起起作用。
Figure In the two-helix model for DNA binding, helix-3 of each monomer lies in the wide groove on the same face of DNA, and helix-2 lies across the groove.

27. 11.7 Repressor binds cooperatively at each operator using a helix-turn-helix motif
Figure shows the details of the binding to DNA of two proteins that bind similar DNA sequences. Both lambda repressor and Cro protein have a similar organization of the helix-turn-helix motif, although their individual specificities for DNA are not identical:
图13.19（用两个蛋白质与DNA结合的螺旋识别出入操纵子，其亲和力由helix-3的氨基酸序列所决定）画出了与相似的DNA 序列结合的两个蛋白与DNA 联结的细节。入抑制子和Cro蛋白有一个相似的helix-turn-helix基因的结构形式，虽然它们各自对DNA 的特异性并不相同。
▲ 两个蛋白利用相似的疏水的氨基酸相互作用来支持helix-2与helix-3的关系: 抑制子有一个Ala-Val联结, 而cro则有一个Ala-Ile联结。
▲ 抑制子的helix-3上的氨基酸与操纵子特异的碱基亲和。抑制子上三个氨基酸识别DNA 上三个碱基：这些位置上的氨基酸加上cro上的氨基酸识别5个(或6个)DNA碱基。
抑制子与cro上特异性识别有关的氨基酸中有两个是相同的(螺旋N端的Gln与Ser), 而另一个却是不同的(在抑制子中是Ala而有的cro上有附加的Asn), 同时在cro的helix-2上的一个Thr直接与 DNA结合。
图中的反应代表的是各种蛋白与其识别的DNA 序列很强的结合，图底部的序列在９个碱基对中以三种颜色标出了作用位点。识别利用重叠，但是氨基酸与碱基间作用并不相同表明：相似的螺旋识别相似的DNA 序列。这里的抑制子与cro可以识别同一套操纵子，但对于这里面特定的成员有相对不同的亲和力。
Figure Two proteins that use the two-helix arrangement to contact DNA recognize lambda operators with affinities determined by the amino acid sequence of helix-3.

28. 11.7 Repressor binds cooperatively at each operator using a helix-turn-helix motif
The bases contacted by helix-3 of repressor or Cro lie on one face of DNA, as can be seen from the positions indicated on the helical diagram in Figure However, repressor makes an additional contact with the other face of DNA. Removing the last six N-terminal amino acids (which protrude from helix-1) eliminates some of the contacts. This observation provides the basis for the idea that the bulk of the N-terminal domain contacts one face of DNA, while the last six N-terminal amino acids form an "arm" extending around the back. Figure shows the view from the back. Lysine residues in the arm make contacts with G residues in the major groove, and also with the phosphate backbone. The interaction between the arm and DNA contributes heavily to DNA binding; the affinity of the armless repressor for DNA is reduced by ~1000-fold (Brennan et al., 1990).
与抑制子或cro的helix3接触的碱基排在DNA 的同一面，从图13.19的螺旋位置也可以看出。但是，抑制子与DNA 的另一面还有附加的反应。将N端最后６个氨基酸(从helix-1伸出的）切除后，将减轻一些这样的亲和力。以这个结果为基础得出了这样的假想即：N端域的大部分与DNA 的一个面接触，而最后６个氨基酸则形成了一条手臂伸展弯到背面。图13.20（背视图显示抑制子大部分与DNA 的一个面接触，N端域手臂伸展弯到背面）画出了背视图。手臂上的赖氨酸与大沟中的G碱基和磷酸骨架都有作用。这条手臂与DNA 的亲合对DNA 的联结起了很大的作用；缺少了这条手臂的抑制子对DNA 亲合性将降低1000倍。
Figure A view from the back shows that the bulk of the repressor contacts one face of DNA, but its N-terminal arms reach around to the other face.

29. 11.7 Repressor binds cooperatively at each operator using a helix-turn-helix motif
Each operator contains three repressor-binding sites. As can be seen from Figure 11.21, each binding site is a sequence of 17 bp displaying partial symmetry about an axis through the central base pair. No two of the six individual repressor-binding sites are identical, but they all conform with a consensus sequence. The binding sites within each operator are separated by spacers of 37 bp that are rich in AT base pairs. The sites at each operator are numbered so that OR consists of the series of binding sites OR1-OR2-OR3, while OL consists of the series OL1-OL2-OL3. In each case, site 1 lies closest to the startpoint for transcription in the promoter, and sites 2 and 3 lie farther upstream.
每个操纵子有三个抑制子结合位点。如图13.21（每个操纵子有三个抑制子结合位点。并且重叠在RNA结合的启动子位点上，OL的方位被与平常不同来促进与OR的比较）所示，每个结合位点是一个由１７对碱基构成并绕穿过中间碱基的轴有部分对称性的序列。这六个结合位点上没有两个是相同的，但它们的保守序列是一致的。操纵子上的结合位点间以一个３－７对富合A-T的碱基对的离子隔开。
每个操纵子上的结合位点都标明了数字，因此OR的结合位点序列为OR1-OR2-OR3，而OL上的则是OL1-OL2-OL3。在这两种情况下，第一个位点都处在离启动子转的起始位点最近的地方，而第二、第三依次向“上游”排列。
一个抑制子二聚体对称地结合到每个位点上，因此二聚体的每个N端域与一套相似的碱基结合。这样每个独立的N端域与半个结合位点结合。
不直接与抑制蛋白接触的碱基可能对联结起了重要的作用。一种相似的噬菌体４３４的抑制蛋白通过一个helix-turn-helix与DNA联结。而晶体结构显示，该抑制蛋白的helix-3位于半结合点上，因此它与最外边５个碱基对而不是内部的２外碱基对发生作用。然而，在内部区域有A-T碱基对的操纵子比含GC的与４３４的抑制子有更强的亲和力。这是因为４３４抑制子的联结使 DNA在操纵子中心发生稍微扭曲，使两个半DNA之间的夹角扩大了3度 。这可能是抑制物的二聚体的单体与DNA 有最佳的接触所必需的。A-T碱基对比G-C碱基对使扭曲更容易发生，从而影响了操纵子对抑制子的亲和力。
有没有这样的编码使每个抑制子的helix-3序列与它识别的操纵子间建立关联呢？这种想法已被弃用。DNA 与入和４３４抑制子或Cro蛋白的共结晶结构反映出与这一模型不一致的。蛋白中不只一个氨基酸在产生与单个碱基的接触中起作用。同时由于蛋白质的结合，DNA 在结构上也发生了构象变化。相互作用的方式总的来说是相似的，但并不相同。因此，并没有一种单一的简单方式来控制蛋白上特定区域上的与DNA上氨基酸特定区域的碱基之间的相互作用。
Figure Each operator contains three repressor-binding sites, and overlaps with the promoter at which RNA polymerase binds. The orientation of OL has been reversed from usual to facilitate comparison with OR.

30. 11.7 Repressor binds cooperatively at each operator using a helix-turn-helix motif
每个操纵子上有三个联结位点，那么抑制子是如何决定从哪里开始结合 DNA 呢？每个操纵子中，第一个位点比其他位点对抑制子有更大的亲和力（大约１０倍）。因此抑制子总是先与OL1和OR1相联。
入抑制子以协同方式与每个操纵子的其它位点联结。在１位点存在一个二聚体抑制子将大大增加第二个抑制子与２位点联结的亲和性。当第一位点及第二位点都被占据之后，这一反应并不延续到第三位点。在一个溶源性菌中抑制子的通常浓度下，每个操纵子的第１与第２位点都被占据，而第３位点则不被占据。
如果第１位点失活（由于突变），则抑制子协同的联结到第２、３位点上。就是说，与第二位点的结合将帮助另一个二聚体与第３位点结合。这一反应支持发生在抑制子二聚体之间，而非通过DNA 的构型变化。可能是第一个抑制子的联接区域将C端域排到这样的位置上使之能与第二个抑制子的C端域相接触。
协同联节的原因之一是为了增加在生理浓度下抑制子与操纵子间的亲和力。这使得只需较低浓度的抑制子就能保护对操纵子的占领。系统中，抑制的释放有不可逆的结果，而这就是其中一个重要的因素。在一个编码代谢酶的操纵子中，无论怎样，抑制的解除不只是使不必要的酶继续合成，但对入噬菌体的抑制一旦失败将导致趋向噬菌主细菌裂解的诱导过程。
从图13.21给出的序列可以看出,OL1和OR1都各自或多或少地排在各自的RNA聚合酶结合位点上的中央，结合于PL和PR。此相反。对OL1-OL2和OR1-OR2 的占领自然地就把RNA聚合酶进入相应启动子的途径给阻断了。
CI基因转录的启动子PRM与OR之间有一种不同的关系。RNA聚合酶结合位点与OR2邻近。这解释了抑制子是如何自发育地调控自我的合成。当两个二聚体结合在OR1-OR2上时，在OR2上的二聚体与RNA聚合酶反应（见图13.13）。这种效果源于抑制子的氨基酸N端域。
破坏这种正反馈控制的突变体在CI基因中已被发现并定位。一类有趣的突变仍可以操纵基因结合来抑制转录，但不能刺激RNA聚合酶从PRM处进行转录。他们映射在一小组氨基酸中，这些氨基酸排列在helix-2外或在helix2和helix3间的转变处。变异减少了这一区域的负电荷，反过来，引起负电荷增加的变异则会增加RNA聚合酶的活性。这暗示着这组氨基酸构成了一个“酸性补丁”，功能是与RNA聚合酶上的一个碱性区域间有静电力作用。
Figure Each operator contains three repressor-binding sites, and overlaps with the promoter at which RNA polymerase binds. The orientation of OL has been reversed from usual to facilitate comparison with OR.

31. 11.7 Repressor binds cooperatively at each operator using a helix-turn-helix motif
A different relationship is shown between OR and the promoter PRM for transcription of cI. The RNA polymerase binding site is adjacent to OR2. This explains how repressor autogenously regulates its own synthesis. When two dimers are bound at OR1-OR2, the dimer at OR2 interacts with RNA polymerase (see Figure 11.14). This effect resides in the amino terminal domain of repressor.
Figure Lysogeny is maintained by an autogenous circuit (upper). If this circuit is interrupted, the lytic cycle starts (lower).

32. 11.7 Repressor binds cooperatively at each operator using a helix-turn-helix motif
The location of these "positive control mutations" in the repressor is indicated on Figure They lie at a site on repressor that is close to a phosphate group on DNA that is also close to RNA polymerase. So the group of amino acids on repressor that is involved in positive control is in a position to contact the polymerase. The interaction between repressor and polymerase is needed for the polymerase to make the transition from a closed complex to an open complex (see Figure later). The important principle is that protein-protein interactions can release energy that is used to help to initiate transcription.
图13.22（正调节突变体确定了在helix-2的一小段与RNA聚合酶直接作用）画出了这些“正调节”突变体在抑制子中的位置。它们排在抑制子的一个位点上，该位点与DNA 磷酸基因邻近，而这个磷酸基因也与RNA聚合酶邻近。这样，抑制子上有关正调节的这组氨基酸就处在了一个与聚合酶接触的位置上。
抑制子与聚合酶间的作用对于聚合酶从一个关闭的复合体到一个开放的复合体。（ 下表13.2）。一个重要的原则是蛋白－蛋白反向释放的能量可以帮助初始化转录。
当抑制子与OR3结合在一起时会出现什么情况呢？这个位置与PRM上的RNA聚合酶联结位点有重叠。这样，当抑制子浓度到可以占据OR3时，CI的转录被阻断。在适当的时候这将导致OR3抑制子浓度的降低;OR3失去结合物，自发育循环得以重新开始，因为OR2仍被占据着。
这种机制可以防止抑制子的浓度变得太大，虽然这需要将溶源性菌中的抑制子浓度变到一个非正常的高水平。在正常情况下，抑制子是调制本身表达的自发育调节子，它在低浓度下起正调节作用，而在高浓度下起负调节作用。
在OL和OR的site1和site2上都发现有致命突变体。这些突变的致命性各不相同，这取决于他的在多大程度上减少了抑制子对结合位点的亲和性，同时也依赖于发生突变的位点与启动子之间的关系。OR3与OL3通常不为抑制子占领的结论一致的是，致命突变通常不发生在这些位点上。
Figure Positive control mutations identify a small region at helix-2 that interacts directly with RNA polymerase.

33. 11.8 How is repressor synthesis established?
When a lambda DNA enters a new host cell, RNA polymerase cannot transcribe cI, because there is no repressor present to aid its binding at PRM. But this same absence of repressor means that PR and PL are available. So the first event when lambda DNA infects a bacterium is for genes N and cro to be transcribed. Then pN allows transcription to be extended farther. This allows cIII (and other genes) to be transcribed on the left, while cII (and other genes) are transcribed on the right (see Figure 11.12).
七、抑制子的合成是如何建立的？
支持溶源性的控制途径展现出一个悖论。抑制子蛋白的存在对其自身的合成是必需的。这解释了溶源性是如何长期保持的。但起初，抑制子的合成是如何建立的呢？
在一个入DNA 进入一个新的宿主细胞后，RNA聚合酶并不能转录CI基因，因为没有抑制子存在以帮助蛋白与PRM结合，但缺少抑制子同样意味着PR与 PL是可工作的。所以入DNA感染一个细菌后第一件事就是N基因和cro的转录。接着PN使转录得以继续。这使得在左端，CⅢ（和其它基因）得到转录，在右端则转录CⅡ基因及其它基因。（如图13.11）
CⅡ和CⅢ基因与CⅠ有一个共同性质，即在其上的突变引起清晰的空斑。但有一点不同，CI上突变将不会建立或维持溶源性。而在CⅡ和CⅢ上突变后，要建立起溶源性有一定的困难，但是一旦建立起来后，它们可以通过CI的自发育路线来维持溶源性。
这暗示说CⅡ和CⅢ基因是作为正调节因子工作的，它们的产物对另一个抑制子合成系统来说是必需的。这一系统对于为了回避自发育途径无法从头合成的事实而初始的CI表达是必需的。
Figure The lambda regulatory region contains a cluster of trans-acting functions and cis-acting elements.

34. 11.8 How is repressor synthesis established?
The CII protein acts directly on gene expression. Between the cro and cII genes is another promoter, called PRE. (The subscript "RE" stands for repressor establishment.) This promoter can be recognized by RNA polymerase only in the presence of CII, whose action is illustrated in Figure
CⅡ蛋白直接作用于基因的表达。在Cro及CⅡ基因间是另一个叫PRE的基因，这个启动子只在CⅡ存在下才能为RNA聚合酶识别，在图13.23（抑制子的合成建立在CⅡ和RNA聚合酶在PRE上的作用，为了开始转录通过反意Cro到CI）中画出了启动子的活动。
CⅡ蛋白在体内是非常不稳定的，因为一个在宿主蛋白HfA的作用下它将被分解。CⅢ的作用则在于保持CⅡ蛋白不致水解。
从PRE开始的转录以两种方式启动溶源性。它的直接效果是把CI转录成抑制蛋白。非直接效果是转录越过cro基因进入一个“错误”的方向，这样得到的RNA5’端部分对应于一个cro的反意转录；事实上，它确定与cro的mRNA进行杂交，禁止它的转录。我们将在下节看到这一点的重要性，因为cro表达对于进入裂解周期是必需的。
在PRE转录后CI编码区的翻译是非常有效的（这与早提到的PRM转录RNA的弱翻译相反）。实际上，抑制子PRE表达的比从PRM表达有效７－８倍。这反映出PRE转录有一个有效的核糖体联结位点，而PRM转录子则没有核糖体联接位点而实际上是从AUG开始的。
Figure Repressor synthesis is established by the action of CII and RNA polymerase at PRE to initiate transcription that extends from the antisense strand of cro through the cI gene.

35. 11.8 How is repressor synthesis established?
The PRE promoter has a poor fit with the consensus at 10 and lacks a consensus sequence at 35. This deficiency explains its dependence on cII. The promoter cannot be transcribed by RNA polymerase alone in vitro, but can be transcribed when CII is added. The regulator binds to a region extending from about 25 to 45. When RNA polymerase is added, an additional region is protected, extending from 12 to +13. As summarized in Figure 11.24, the two proteins bind to overlapping sites. PRE启动子的－１０区的配合性很差且缺少－３５区。这种低效性解释了PRE对CⅡ的依赖。在体外，启动子不能被单独的RNA聚合转录，但加入CⅡ后可转录。调节子与一个以－２５到－４５的区域结合。加入RNA聚合酶后，一个附加的从－１２至＋１３区域得到了保护。正如图13.24（RNA聚合酶结合于PRE仅在CⅡ存在的情况下，CⅡ大慨与３５区接触。而基因的方向通常是5-3的方向即与图13.11所述的方向相反）总结的，两个蛋白与重叠位点联结。（T4噬菌体的mot A蛋白使用一个相似的过程, 它使得E.coli的RNA聚合酶能够初始化启动子，这里在通常的－３５保守区中有一个联结Mot A的序列。）
虽然－３５和－１０区的保守区缺乏相似性，从cy突变的存在却可以看出，这些突变在－３５和－１０区对启动子的作用中发挥重大影响。这些突变在阻碍溶源性的建立上在着与CⅡ和CⅢ突变相似的效果，但它们的作用却是顺式而非反式，可分为两组：cyL和cyR。
cyL突变定位于-10区，可以阻碍RNA聚合酶对启动子的识别，cyR突变位于－３５区附近，又可分成两种，分别影响和RNA聚合酶及CⅡ的结合，这一区域中部的突变不影响与CⅡ的结合，有报道说它们阻碍RNA聚合酶的结合。在这个区域任一端，突变体以四碱基（TTGC）的重复形式阻碍与CⅡ的结合。该四碱基组的每个碱基与邻近四碱基组的相应碱基间隔１０个碱基（一个螺旋），因此在CⅡ识别了这两个四碱基组后，它将结合到双螺旋的一个面上。
Figure RNA polymerase binds to PRE only in the presence of CII, which contacts the region around -35.

36. 11.8 How is repressor synthesis established?
Positive control of a promoter implies that an accessory protein has increased the efficiency with which RNA polymerase initiates transcription. Figure reports that either or both stages of the interaction between promoter and polymerase can be the target for regulation. Initial binding to form a closed complex or its conversion into an open complex can be enhanced.
启动子的正反馈调节暗示有一个辅助蛋白增加了RNA聚合酶初始化转录的效率。表13.2（正调节可以影响RNA聚合酶在开始转录的任何时候）归纳的数据表明，启动子与聚合酶作用的两个或其中一个阶段可以做为调节的目标。初始化联结以形成闭合复合体或闭合复合体向开放复合体转化的过程都能被加强。
Figure Positive regulation can influence RNA polymerase at either stage of initiating transcription.

37. 11.8 How is repressor synthesis established?
Now we can see how lysogeny is established during an infection. Figure recapitulates the early stages and shows what happens as the result of expression of cIII and cII. The presence of CII allows PRE to be used for transcription extending through cI. Repressor protein is synthesized in high amounts from this transcript. Immediately it binds to OL and OR.
现在我们来看看溶源性是如何建立的。图13.25（总结：级联是建立溶源性所必须的，但这一路径将停止并且被自动的抑制子支持路径所取代）简要重述了在早期由于CⅡ和CⅢ表达引起的变化。CⅡ的存在使PRE可以用于进行延伸过CⅠ的转录。抑制子蛋白在这个过程中大量合成。并且立即与OL和OR结合起来。
通过直接阻碍PL和PR上的任何进一步的转录，抑制子的结合将噬菌体中所有基因表达关闭，这将使CⅡ和CⅢ的合成停止，同时它们是不稳定的，由于PRE 不再使用，它们将很快降解，这样通过建构路径进行的抑制子的合成也就停止了。
但现在抑制子出现在OR上，它开启了从PRM表达的支持路径（maintenance circuit）抑制子不断合成出来，虽然相对于PRM的典型功能来说这个合成处于较低水平。这样建构路径（Establishment circuit）以高水平的抑制子合成开始，接着抑制子关闭所有其它功能同时开启了支持路径，使它能在低水平上足以支持溶源性。
我们现在还不讨论建立溶源性所必须的其它具体功能，但需要简单强调的是：感染的入DNA 必须整合到细菌的基因组中去（见１７章）。插入过程需要int基因的表达产物，该产物从自身的启动子PI处表达，这里CⅡ也是必须的。PI的序列与PRE与CⅡ结合位点处的序列有同源性（虽然它不在－１０区）。这样建立溶源性控制路线所需的功能与DNA 复制所自然要用的功能就处于共同的控制之下了。这样在这个控制之下所有建立溶源性所必须的事件都以一定的时序发生。
在强调了入噬菌体如同变戏法似的复杂的级联过程之后，我们知道CⅡ以另一种，非直接的方式启动溶源性。它负责从一个叫Panti-Q的启动子处进行转录，则启动子位于Q基因上。它转录的是Q区的反意链，与Q基因的mRNA杂交以阻止Q蛋白的表达, 而Q蛋白的合成对于裂解性发展是很重要的。因此，这一套相同的机理在引起CⅠ抑制子的转录直接启动溶源性的同时,还通过阻碍cro(见上文)及Q的表达间接地帮助维持溶源状态, 因为cro和Q是自发育的裂解旁路必须的调节基因。
Figure A cascade is needed to establish lysogeny, but then this circuit is switched off and replaced by the autogenous repressor-maintenance circuit.

38. 11.9 A second repressor is needed for lytic infection
Figure Two proteins that use the two-helix arrangement to contact DNA recognize lambda operators with affinities determined by the amino acid sequence of helix-3.
The sequences of Cro and repressor in the helix-turn-helix region are related, explaining their ability to contact the same DNA sequences (see Figure 11.19). Cro makes similar contacts to those made by repressor, but binds to only one face of DNA; it lacks the N-terminal arms by which repressor reaches around to the other side.
八.裂解感染需要第二个抑制子
在本章的开头，我们提到入噬菌体的两种选择——进入溶源状态或开始裂解感染。溶源性通过建立一个自发育的支持路径而初始化，该途径通过在两点抑制抑制了整个裂解级联。这套途径也进行了一些与我们在裂解级联中提到的过程相同的步骤（对晚早期基因的表达来说N的表达是必须的）。现在又有一个问题摆在了我们面前。噬菌体是如何进入裂解周期的呢？
我们一直没有讨论过cro基因的作用，cro编码另一个抑制子。Cro则负责阻碍合成抑制子蛋白，这种作用关闭了建立溶源性的入口。cro突变体通常将进入溶源状态而不进入裂解循环，因为它们没有使抑制子表达得到关闭的能力。
Cro形成了一个小二聚体，该二聚体（每个亚单位有9kD）在免疫区起作用，它有两个功效：
u      阻碍通过支持路径合成抑制子，就是说，它阻碍通过PRM的进行的转录。
u      阻碍从PL和PR处进行早期基因的表达。
这意味着：当一个噬菌体进入裂解旁路后，Cro同时负责阻碍启动子的合成和（继发地）关闭早期期因的表达。
Cro的功能是通过结合操纵基因来实现的，这些基因与(CI)抑制蛋白结合的操纵基因是一样的。Cro有一个区具有与抑制子通用的结构：一个helix-2与识别helix-3之间互补地以一定角度放置。（其余结构是不同的，说明helix-turn-helix模板在各种环境中都可能起作用。）与其它抑制子一样，Cro对称地与操纵基因结合。
Cro和抑制子在helix-turn-helix区的序列是有相近的有关系的，这解释了它们与相同的DNA序列结合的能力（见图13.19）。Cro与DNA 接触的方式与抑制子相似，但仅与DNA 的一面结合；它缺少抑制子用于伸展到另一面的N端臂。

39. 11.9 A second repressor is needed for lytic infection
How can two proteins have the same sites of action, yet have such opposite effects? The answer lies in the different affinities that each protein has for the individual binding sites within the operators. (Also Cro has no activating region.) Let us just consider OR, where more is known, and where Cro exerts both its effects. The series of events is illustrated in Figure (Note that the first two stages are identical to those of the lysogenic circuit shown in Figure )
为什么这两个蛋白有相同的活动位点，但起的作用却正好相反呢？答案是每个蛋白对操纵基因中独立位点的亲和力不同。（同时Cro没有活化区。）我们只考虑研究得较为清楚的OR，在这里Cro的两个功能都得到了表现。图13.26（总结：裂解的级联需要Cro蛋白质，Cro蛋白直接阻碍从PRM获得抑制子，也终止晚早期的基因表达，间接阻碍通过PRE建立抑制子。）画出了（裂解过程的）一系列事件（注意前两个阶段与溶源周期的前两个是一样的）
Cro对OR3的亲和力比对OR2和OR1的都要强。所以它先与OR3结合。这将阻止RNA聚合酶与PRM结合。这样，Cro的第一项工作就是阻碍溶源性支持途径的进行。
接着Cro与OR2或OR1结合，它对这两个位点的亲和力相似，并且没有协同效应。它在任何一个位点上的存在都将阻止RNA聚合酶使用PR，这反过来停止了早期功能因子的产生（包括Cro本身）。因为CⅡ是不稳定的，任何对PRE的使用都将终止。因此Cro的两个“动作”一起阻断了所有合成抑制子的工作。
只讨论裂解周期，Cro关闭了早期基因的表达（虽然并没有完全的阻断）。它的不完全的可以用它对OR1和OR2的亲和力来解释。这一亲和力比抑制子的小７－８倍。Cro的这种作用直到早期基因变得或多或少有些累赘后才显现出来，因为此间有PQ存在；而到了这个时候，噬菌体开始晚期基因表达，并且集中力量用于子代噬菌体病毒的生产。
Figure The lytic cascade requires Cro protein, which directly prevents repressor maintenance via PRM, as well as turning off delayed early gene expression, indirectly preventing repressor establishment

40. 11.9 A second repressor is needed for lytic infection
九.一个完美的平衡：溶源性和裂解性
溶源性与裂解旁路的程序之前的关系是如此地亲密，以致于无法预言单个噬菌体基因组进入一个新的宿主细菌之后的命运。抑制子与Cro之间的对立关系将如何解决呢：是建立如图13.25所示的自发育支持路线，或是关闭抑制子的合成如图13.26所示，并进入感染发展的晚期呢？
在做出决定之前，两者走的是同一条路线。二者都进行了立即早期基因的表达并延伸至晚早期基因。它们的不同点就取决于是抑制子还是Cro将会获得两个操纵基因的控制权了。
在两种情况下，早期基因都只占有有限的时间，而正是在这要做出决定，不论噬菌体将走哪条路线，在PL和PR被抑制后，早期基因的表达都将受到抑制；同时，由于CⅡ和CⅢ消失，通过PRE的抑制子合成将停止。
关键的问题变成了从PRE的转录停止之后紧跟着是PRM的活化并进入溶源状态还是PRM的活化失败，而PQ调节子将把噬菌体引向裂解的方向发展。
建立溶源性的初始化是抑制子在OL1和OR1上的结合。在第一个位点的结合之后紧跟着是另一个抑制子二聚体协同地与OL2和OR2结合。这将关闭Cro的合成，而通过PRM开始合成抑制子。
进入裂解循环的初始事件是Cro与OR3的结合。这停止了从PRM开始的溶源性的支持路线。然后Cro必须与OR1或OR2和OL1或OL2结合，从而关闭早期基因的表达。停止CⅡ和CⅢ的合成之后，这一动作又使得通过PRE的抑制子合成停止。抑制子的建构过程的关闭则发生在CⅡ和CⅢ的降解之后。
CⅡ对于溶源性与裂解性的切换有重要的影响。如果CⅡ有活性，通过建成路径启动子进行的抑制子合成是有效的；并且抑制子因此获得了对操纵基因的占领地位。如果CⅡ没有活性，抑制子合成失败，Cro与操纵基因的结合。
在任何特定的一套条件下CⅡ蛋白的水平决定了感染的结局。导致CⅡ蛋白稳定性提高的突变能增加溶源性出现的频率。这样的变异过程出现在CⅡ自己身上也存在于其它基因中，而CⅡ的不稳定性则根源于对宿主蛋白酶降解的敏感性。它在细胞内的水平即受到CⅢ的影响也受宿主细胞功能的影响。
入噬菌体的CⅢ蛋白的作用处于从属地位: 它协助保护CⅡ防止水解, CⅢ的存在并不能保证CⅡ幸存下来, 但一旦失去了CⅢ, CⅡ实际上总是发生失活。
宿主基因的产物也作用于这条路径。在宿主基因上的突变hflA和hflB会使溶源性出现的机会增加——hfl代表high frequencey lysogenication(高溶源倾向)。突变稳定了CⅡ, 因为它们使宿主中分解CⅡ的酶失活。
宿主细胞对CⅡ水平的影响提供了一条细菌干预决定环节的途径。例如，当宿主处于一个富营养的培养基上时，宿主中分解CⅡ的蛋白酶活化，因此入噬菌体趋向于裂解长势如的细胞，而在“挨饿”的细胞中（培养基中缺少裂解生长必要的有效成份）更有可能进入溶源状态。
Figure A cascade is needed to establish lysogeny, but then this circuit is switched off and replaced by the autogenous repressor-maintenance circuit.

41. Summary
1. Phages have a lytic life cycle, in which infection of a host bacterium is followed by production of a large number of phage particles, lysis of the cell, and release of the viruses. 2. Lytic infection falls typically into three phases. In the first phase a small number of phage genes are transcribed by the host RNA polymerase. 3. In phage lambda, the genes are organized into groups whose expression is controlled by individual regulatory events.
总结：
噬菌体有一个裂解生长周期，在这一周期中，感染宿主细胞后跟着产生大量的病毒颗粒，细胞裂解，接着放出病毒。一些噬菌体还可以以溶源性的方式存在，噬菌体的基因整个到细菌的染色体中，并以这种惰性的潜伏方式同细菌的基因一起进行遗传。
裂解感染一般可以分为三个时期。在第一个时期，数目很小的一部分噬菌体的基因由宿主RNA聚合酶进行转录。在这些基因之中，有一个或多个是表达调节蛋白的，负责调控下一时期所需表达的那组基因的表达。在第二个时期也出现相似的情况，一个或多个基因表达第三个时期基因表达所必须的调节蛋白。前两个时期的基因编码了复制噬菌体DNA 所需要的酶；最后一个时期的基因编码噬菌体颗粒的结构组成。
在入噬菌体中，基因可以组织成组，各组的基因表达受控于一个独立的调控事件。立即早期基因N编码了一个抗终止子，它使得晚早期基因得以从早期启动子PR和PL处分别向左、右转录。晚期基因Q也有一个相应的抗终止子的功能，就是使所有晚期基因都能从PR处启始转录。CⅠ基因的产物是一个分别作用于操纵基因OR和OL上以防止使用启动子PR和PL的蛋白, 随着CⅠ基因的表达，裂解周期被抑制，而溶源状态得以维持。一个溶源性噬菌体的基因组只从其启动子PRM处表达CⅠ基因，从该启动子开始的转录包含正反馈的自发育调节，在这里，抑制蛋白与OR结合而活化了在PRM处的RNA聚合酶。
每个操纵基因都有三个抑制蛋白结合位点。每个位点都有回方结构，由成对的半位点组成。抑制子则以二聚体的形式起作用。每个半位点与抑制子的一个单体接触。抑制蛋白的N端域有一个与DNA作用的helix-turn-helix模片。Helix-3是识别螺旋，负责与操纵基因上的碱基对的特异性联接，helix-2则在helix-3的定位中起了作用；同时在PRM处，它也与RNA聚合酶相作用。C端域则是抑制子二聚反应中所必需的。诱导的产生是由于N端域与C端域发生了断裂，它阻止 DNA 结合区以二聚体形式起作用。由此降低了他们对DNA 的亲和力而使之不能维持溶源性。抑制子—操纵基因的连接是协同地，因而一旦一个二聚体与第一个位点结合，第二个二聚体将更容易地与相邻位点结合。

42. Summary
4. Each operator consists of three binding sites for repressor. 5. The helix-turn-helix motif is used by other DNA-binding proteins, including lambda Cro, which binds to the same operators, but has a different affinity for the individual operator sites, determined by the sequence of helix Establishment of repressor synthesis requires use of the promoter PRE, which is activated by the product of the cII gene.
Helix-turn-helix模片同时也出现在其他结合DNA 的蛋白质中，这其中包括入Cro，它与相同的操纵基因结合，但与独立的操纵基因位点的亲和力不同，这是由helx-3的序列决定的。
Cro单独与操纵基因位点结合，以OR3为起始，但不以协同方式进行。Cro对于裂解周期的进行是必须的。它与OR的结合首先阻断了从PRM处合成抑制子，然后阻止早期基因的持续表达，在它与OL的结合时也有同样的效果。
建立抑制子的合成需要用到启动子PRE，它由CⅡ基因的产物活化。CⅢ的产物对于稳定CⅡ的产物防止水解来说是必不可少的。Cro关闭了CⅡ和CⅢ的表达，从而阻止了溶源性。抑制子则可以关闭除自身以外所有基因的表达，从而阻止裂解周期的发生。在溶源性和裂解性之间的选择依赖于某次特定的感染后是抑制蛋白还是Cro占据了操纵基因。在被感染的细胞中，CⅡ蛋白的稳定性是决定最终结局的关键因素。