-调控系统

研究DNA损伤修复的一个重大发现是诱变剂引起的损伤经过细胞内多种修复功能的作用，多数并不能发展成为稳定的遗传物质结构改变，而修复过程本身却是突变发生的主要原因。例如，研究表明在大肠杆菌中，紫外线或化学诱变剂甲基磺酸乙酯引起基因突变对细胞来讲并不是一个被动的、受制于环境诱变剂的过程，而是一个和SOS系统的诱导相协调的、积极主动的细胞反应。这些诱变剂的诱变作用依赖于细胞SOS系统中的基因umuC（umu是up mutation的缩写，意为提高突变率）的功能表达，在umnuC功能缺陷的突变型细胞中，诱变剂只能增加受诱变剂处理细胞的死亡率，而不能增加基因的突变率。

图3-11　大肠杆菌基因组和两个质粒中受SOS调控系统有关的基因（改自D.W.Mount）

经过长期的研究，现在对SOS系统已有了一个比较清晰的看法。研究表明大肠杆菌的SOS系统至少涉及19个基因（图3-11），这些基因的表达受同一个遗传调控系统的调节控制，是高度协调一致的，这个调控系统称为“recA-lexA调控系统”。

recA是编码重组蛋白A的结构基因。重组蛋白A由352个氨基酸组成，分子量为37 842，一般以四聚体方式存在。它是同源DNA片段之间进行遗传重组所必需的酶。然而，重组蛋白A在“recA-l exA调控系统”中的作用是裂解lexA蛋白，使之失去蛋白酶活性。lexA蛋白是一种类似于乳糖操纵子中的LaCI基因产物的阻遏蛋白，分子量为24 000。在通常情况下，lexA蛋白阻遏SOS系统中部分基因的表达。当诱变剂引起DNA损伤时，recA蛋白受到某种损伤信号（可能是单链DNA片段）的诱导和激活，会在dATP存在的条件下获得特异的蛋白酶活性，将lexA蛋白的第85号氨基酸（丙氨酸）和第86号氨基酸（甘氨酸）之间的肽键切开，使lexA蛋白裂解而失去对一系列SOS基因的阻遏作用，使细胞进入SOS应激状态。SOS反应包括细胞分裂受抑，细胞的生长呈现出丝状化，呼吸受阻，基因突变率明显增加，以及原噬菌体的释放等。整个反应过程见示意图3-12。随着受损DNA的修复，能激活recA蛋白的损伤信号分子的水平下降，recA蛋白裂解lexA蛋白的酶活性也渐渐消失。接着lexA蛋白又会逐步积累到能够阻遏SOS基因表达的水平，SOS系统又重新处于被阻遏的状态。

在整个调控系统中，值得注意的是lexA和recA这两个调控基因也是由lexA蛋白来调节和控制的。lexA的自我调控使细胞内lexA蛋白的水平保持在一个易于上下浮动的适当水平，在损伤修复后又能很快恢复对SOS系统基因群的阻遏作用，使细胞的呼吸、代谢和分裂恢复到正常的状态。另一方面，recA基因的转录受制于lexA蛋白，则能保证损伤信号出现后recA蛋白在获得裂解lexA蛋白的酶活性后的瞬间就能迅速合成。在这种情况下，lexA蛋白对SOS基因的阻遏会很快解除，使SOS系统基因的功能得以表达。

图3-12　大肠杆菌SOS系统调控模式（引自cmgm.stanfordedu网）

为了研究recA-l exA调控系统的组成和调节，卡萨达班（M.Casadaban）建立了操纵子融合（operon fusion）技术。一般来说我们研究的靶标基因的编码产物往往是很难直接检测的，在融合的操纵子中，通过DNA重组技术把靶标基因的调控区段和某个基因产物易于检测的报告基因组成一个整体，就可以通过容易检测的报告基因表达蛋白产物数量来推测靶标基因受自身调控区段调控时的表达程度。当某种理化因子或生物因子能诱导和促进该报告基因的表达时，即可推测这种因子可能是靶标基因调控区段的直接或间接敏感因子，也就是说，这种因子是这个调控区所操纵的基因得以表达的诱导因子，或者是和诱导过程相关的因子。

卡萨达班利用大肠杆菌的一种几乎能插入细菌基因组任何区段的噬菌体Mu作为载体，使之和乳糖操纵子中的结构基因LacZ重组在一起，形成一个特殊的重组分子Mud。当携带了LacZ基因的噬菌体Mu，即Mud感染细菌时，它会随机地整合于细菌的染色体DNA，组成一个特定的融合操纵子。这个融合操纵子表达的蛋白产物总是β半乳糖苷酶。如果Mud整合于SOS系统基因的染色体区段，即可组成一个由SOS基因调控区和LacZ组成的融合操纵子。只要这个融合操纵子对诱变因子引起的DNA损伤是敏感的，就表明Mud整合的区段可能是SOS基因。利用融合操纵子技术已经鉴定和定位了dinA、dinB、dinD和dinF等一系列SOS系统基因。

美国亚利桑那大学的芒特（D.Mount）等还利用融合操纵子技术深入研究了recA和lexA基因的调控机制。他们利用带有乳糖操纵子的大肠杆菌噬菌体M13mP8构筑成两个融合操纵子，即分别用lexA或recA的促进子序列取代M 13mp8上的LacZ的促进子。由于重组技术问题，这个操纵子的结构基因LacZ表达的蛋白产物是一个杂合的β半乳糖苷酶肽段，它的氨基端最初几个氨基酸不是β半乳糖苷酶的最初几个氨基酸，而是被recA蛋白或lexA的氨基端的一些氨基酸取代了。这种杂合肽段具有水解乳糖复合物的能力。在这个融合操纵子系统中，杂合肽段的合成是受SOS调控系统的调节的。在recA-LacZ融合实验中，当带有融合操纵子的噬菌体感染recA＋lexA＋寄主细胞时，所形成的噬菌斑是白色的，表明能水解乳糖复合物的杂合肽段的数量非常少。如果在培养基中加入少量的丝裂霉素C来诱导SOS系统，噬菌斑即可由白变蓝，显示了SOS系统对丝裂霉素的诱变作用做出了反应。相反，在lexA-LacZ融合实验中，未经诱变剂处理，噬菌斑的颜色呈现蓝色，说明在通常情况下，lexA的表达比recA强得多，也就是说lexA基因受抑程度低于recA基因。当一个细胞带有多个携有lexA基因的噬菌体DNA时，lexA蛋白的合成会过量，这时噬菌斑反而变成白色。上述研究表明，能抑制recA基因表达所需的lexA蛋白的水平比lexA基因自我抑制所需的lexA蛋白的水平要低得多。动力学的研究也证实lexA蛋白与lexA操纵基因的结合力比它与recA操纵基因的结合力要弱两个数量级。这暗示在DNA损伤修复之后，最后受抑的SOS基因是lexA基因。

显而易见，这是一个研究SOS系统调控的理论研究课题，但同时也是一个有可能用于DNA损伤剂检测的实验系统。例如，有人利用操纵子融合技术构筑了一个含有噬菌体Mud的大肠杆菌新菌株PQ37，并以此来检测各种理化因子诱导SOS功能表达的能力。实际上，这就是一个以recA-lexA调控系统为作用靶标，以β半乳糖苷酶基因的蛋白产物为观察指标的环境诱变剂的检测系统的雏形。

近年来关于SOS系统的研究非常活跃，除了上面介绍的内容外，还涉及每个SOS基因的表达分析、它们编码的mRNA和蛋白质产物的定量分析和动力学研究。有的实验室还分离到了lexA和recA的结构基因和调节基因突变株，进行了变异区段DNA的核酸序列分析等。所有这些都加深了我们对原核生物中从DNA结构受损到基因突变发生的全过程的认识，明确了突变是一个非常复杂的细胞反应，而不是一个仅仅由外界某种因子造成的被动过程。