全 文 ：·综述与专论·
生物技术通报
B IO TECHNOLOGY　BULL ETIN 2009年第 12期
RNA聚合酶σS亚基的研究进展
李燕 燕永亮 林敏 平淑珍
(中国农业科学院生物技术研究所 ,北京 100081)
　　摘 　要 : 　σS (RpoS)是大肠杆菌 RNA聚合酶的一个亚基。在压力情况下 ,如高温、酸、渗透冲击、营养缺陷和生长进入稳
定期等能够被诱导 ,并在一定程度上能够取代σ70与核心酶结合形成全酶 ,从而激活多数σS 2依赖的基因的转录。对 RpoS调
控的基因和它们的启动子序列、调控方式以及它自身的调控进行了简单的综述。
关键词 : 　RpoS 基因 调控 RNA聚合酶
Advances in the Study of theσS ( RpoS) Subun it of RNA Polymerase
L i Yan Yan Yongliang L in M in Ping Shuzhen
(B iotechnology Research Institu te, Chinese Academ ic of Agricultural Sciences, B eijing 100081)
　　Abs trac t: 　σS , or RpoS, is a sigma subunit of RNA polymerase in Escherichia coli, that can be induced and partially rep lace the
vegetative sigma factorσ70 (RpoD) under many stress conditions. A s a consequence, transcrip tion of numerousσS 2dependent genes is
activated. In this article, we summarized the research p rogress of the genes and p romoters regulated by RpoS. The regulatory aboutσS 2
dependent genes and rpoS itself were also reviewed.
Key wo rds: 　RpoS Gene Regulatory RNA Polymerase
收稿日期 : 2009209204
基金项目 :国家“863”计划 (2006AA020202)
作者简介 :李燕 (19842) ,女 ,硕士研究生 ,主要研究方向为生化与分子生物学 ; E2mail: liyan227@ yahoo. cn
通讯作者 :平淑珍 ,副研究员 ,硕士生导师 ,主要从事微生物固氮方面的研究 ; E2mail: p ingszhen@ yahoo. com. cn
在细菌中 , RNA 聚合酶的核心酶执行转录延伸
和终止功能。核心酶结合各种不同的σ因子 ,专一
性识别特定启动子并起始转录 ,实现基因的区别性
表达。研究显示 ,在多种革兰氏阴性菌和一些革兰
氏阳性菌生长的不同阶段 ,涉及的σ因子有 20 种
以上 [ 1 ]。σS因子由 rpoS基因编码 ,是大肠杆菌处在
逆境条件下启动的复杂调控网中一个重要的控制因
子。它几乎在快速生长期不表达 ,但是当细胞进入
稳定期或者在其他的压力情况下可以被强烈地诱
导 ,并且对抵抗多种压力相关的因子的表达十分重
要。σS因子控制着稳定期与逆境胁迫诱导的许多
基因 ,并可在一定范围内取代 σ70因子 [ 2 ]。这些逆
境条件包括饥饿、渗透压、酸、冷、热和氧分压等。除
大肠杆菌外 ,在其它肠杆菌以及相关细菌中也发现
了该因子。最近几年 ,在变形杆菌纲的γ分支中也
有所报道。研究发现 ,该基因与鞭毛的形成 ,毒性因
子以及抗生素的合成有关。
随着分子生物学和遗传学的发展 ,基因芯片和
蛋白质组学分析技术日渐成熟。对 rpoS 基因的芯
片及蛋白质组学分析 ,使人们更加深入地了解在各
种特定的压力条件下 ,不同的调控水平上 ,受 rpoS
调控的下游基因。此外 ,对σS自身的调控也有了一
定的了解。它主要发生在转录后水平 ,包括增强翻
译和对σS代谢降解的抑制 [ 3 ]。随着与 rpoS的转录
和翻译相关因子的不断发现 , RpoS已成为大肠杆菌
蛋白中具有最复杂的调控系统的蛋白之一。目前 ,
基础的调控机制至少在后转录调控方面已经有了一
个相对清晰的阐述。
1 rpoS基因的功能研究
1991年 Lange等 [ 4 ]在研究大肠杆菌在碳饥饿
条件下的生长情况时发现与 Ka tF基因相同位点的
一个基因 ,其编码产物调控过氧化氢酶 HP II和核酸
外切酶 III的表达并将其定名为 rpoS。大肠杆菌中
的 rpoS ( KatF)基因编码一个假定的 sigma因子 (σs )
生物技术通报 B iotechnology　B u lle tin 2009年第 12期
负责一系列稳定期诱导的基因的表达 ,并调控细胞
在稳定期的压力反应和长期的饥饿压力下的生长存
活。后来国内外学者又对 rpoS 基因展开了各种逆
境条件下的生理生化试验 ,试验菌体涉及到弧菌属、
假单胞菌属、螺旋体菌属、沙门氏菌属等。研究发现
rpoS基因可以调控与酸碱、盐、过氧化氢、紫外辐射
相关的基因并与抗生素的合成、生物膜的形成等一
系列压力胁迫有关。
为了阐明 RpoS在铜绿假单胞菌生理学及病理
学中的作用 , Sang2J in Suh等 [ 5 ]构建了 RpoS的缺失
突变株 PAO1。相比于野生型 , PAO1对碳饥饿更加
敏感 ,而这种现象只发生在以葡萄糖作为唯一碳源
的情况下。除此之外 ,突变株对 55℃的高温冲击 ,
增加的渗透压以及高浓度的过氧化氢具有高度敏感
性。他们还对 RpoS与铜绿假单胞菌毒性关系进行
了研究。结果显示 , RpoS突变分泌的外毒素 A比野
生型下降 50%。此外 ,突变株还显示出趋化的表
型 ,说明定殖因子或者菌毛也与 RpoS有关。
Adam s等 [ 6 ]利用大肠杆菌 ZK126和它的 rpoS
突变株 ZK1000来研究 rpoS对大肠杆菌生物膜的影
响。这些菌株以两个不同的速度在葡萄糖限制性培
养基中生长。 rpoS的存在与否并不能显著的影响大
肠杆菌的浮游生长 ,但是通过检测每平方厘米中菌
落形成单位 (CFU)的数目 ,发现大肠杆菌生物被膜
的细胞浓度在 rpoS突变株 ZK1000中下降 50%。扫
描共聚光显微镜观察发现 , rpoS的删除导致了生物
膜中细胞排列的改变。总而言之 ,这些研究表明
RpoS对于生物膜生理学起着重要作用。
2005年 , Harald W eber等 [ 2 ]从基因组水平上对
大肠杆菌中受σS调控的基因进行了更加深入的研
究。基因组范围内的表达谱数据显示 ,大肠杆菌中
高达 10%的基因受σS直接或者间接的诱导。这也
表明σS可以看做第二大σ因子 ,在逆境生长条件下
对整个细胞生理学具有重大影响。如图 1所示 ,除
了与应对逆境直接相关的基因以外 ,其他注解的σS
依赖的基因理论上编码 3个主要功能的蛋白质 :调
控因子 (约 8% ) ,已知的转运系统或者其他的内在
膜蛋白 (14% ) ,以及代谢酶类 ,其中的大多数属于
核心能量代谢 ( 19% )。这表明所有的跨膜运输在
压力条件下或者稳定期发生了极大的改变。因此推
测 ,σS控制可能在营养缺陷的情况下与各种营养素
的清除有关 ,它还可能通过诱导假定的流出泵 ,从而
使细胞对于有毒化合物的抗性增加。
图 1 σS控制的基因的功能
除此之外 ,σS似乎在能量代谢上较之以前的预
测具有更加重要的影响。而且可能在细胞从生长状
态到压力或者稳定期细胞维持状态的新陈代谢转变
上具有至关重要的作用。与糖酵解、发酵、无氧呼
吸、电子传递以及磷酸戊糖支路有关的重要基因后
来被证明也受σS的正调控。这些数据显示σS的诱
导可能使细胞从有氧呼吸转到一个发酵的或者无氧
呼吸能量代谢 ,可能有助于抵消进入饥饿状态后有
氧呼吸中活性氧的增加 [ 7 ]。
至今为止 ,只在铜绿假单胞菌基因组中发现受
σS控制的基因。其中 ,σS网络至少像在大肠杆菌中
一样多 (基因组中 14%的基因受影响 )。大量的σS
依赖的基因特别是在假单胞菌中与群体感应有关。
因为大肠杆菌不具有相对应的群体感应系统 ,这表
明即使在亲缘关系相对接近的物种中 ,同样的全局
性的调控子和它们的调控网络 ,可能因为周围自然
环境和生活方式的不同而被展现出不同的功能。
2 RpoS对基因表达的调控
2. 1 受 RpoS调控的基因
目前 ,随着分子生物学技术的发展以及其与生
物信息学的交叉 ,基因芯片及蛋白质组学已经成了
一种重要的分析方法。而对 rpos基因的基因组学和
蛋白图谱的分析也逐渐展开 ,主要集中在对模式菌
株大肠杆菌的研究。
2005年 , Hengge2A ronis等 [ 2 ]利用 3种不同的培
养基生长条件 (LB培养基上 OD578达到 4 ;加入 0. 3
M NaCl的限制性培养基上 OD578为 0. 3 ; LB培养基
上 pH5, OD578在 0. 4附近 )对大肠杆菌进行了全基
2
2009年第 12期 李燕等 : RNA聚合酶σS亚基的研究进展
因组芯片分析。通过对比 rpoS +和 rpoS: : Tn10 菌株
在 3种生长和压力条件下全基因组范围内的基因表
达情况 ,发现有 481个基因在 rpoS +菌株中的表达量
比在其突变株中上调两倍多。有 95个基因在 rpoS
突变株中相对于野生型显示出高于两倍的表达量。
推测它们可能受σS的负控制 ,或者这 95个基因的
表达可能是通过σ70 2RNA聚合酶从对 Eσ70更敏感
的启动子处转录造成的。此外 ,他们发现在所有的
3种条件下只有 140个基因均受σS的正控制 ,这些
基因的表达可能只是随着σS的水平发生变化。这
类基因可以称作受σS调控的核心基因。另外的 341
个基因只在一个或者两个生长或压力条件下显示出
对σS的依赖性。极其显著的是 ,有 186个基因只在
渗透冲击的情况下显示对σS的依赖性。
因此推测 ,绝大多数受σS的控制的基因的表达
不仅需要σS的存在还需要特定的环境条件 ,或者某
些基因在某些情况下会从对σS的依赖转移到对σ70
的依赖。总之 ,这些数据显示σS调控子非常大 ,即
达到大肠杆菌 K12染色体基因的 10% ;比之前预测
的显示出更大的体内调控的差异。
2008年 , A llen等 [ 27 ]选择大肠杆菌 O157∶H7菌
株中的 125个与不同压力有关的基因 (表 1,其中加
粗的基因已证实受 rpoS的调控 ) ,分析它们在酸性
(pH3. 5)、冷刺激 ( 7. 5℃)和 TSB培养基处理下的
表达情况。发现经过一种压力处理后 ,可引起除与
该种压力有关的基因以外的其他逆境基因的表达。
例如 ,在酸处理 pH达到 3. 5后 ,除了酸诱导基因以
外 ,与氧化压力、热冲击和饥饿等压力有关的基因
的表达量也上调。而在冷处理以后 ,酸诱导基因、
热冲击以及毒性基因的表达量也同时上调。同样
推测细菌在应对这些不同的压力时 ,其自身内部
可能存在着某些关联或者一种不良环境信号可能
引发菌体内部另外的压力抗性机制从而更有利于
它们的存活。
表 1 在大肠杆菌 O 157: H7中选择的与压力和毒性相关的基因
压力种类 基因
　　　　与酸有关的压力反应 　adiA, gadA, gadE ( yhiE) , gadX ( yhiX ) , g lnA, hdeA, hdeB , hdeD, treF inaA, cfa
　　　　生物膜的形成 　bola, csgA, adrA, m lrA, nhaR
　　　　冷冲击 　cspA, cspC, cspE, dps, otsA, gcgZ, yceP
　　　　热冲击 　clpB , dnaJ, dnaK, ftsH, grpE, ibpA, rpoE, rpoH
　　　　高渗透压 　otsB , treA, om pC, om pF, om pR, osmC, osm Y, proU, prop, kdp
　　　　氧化压力 　adhE, katE, sodA
　　　　饥饿反应 　csiD, csgCD EF, stiA, stiC, eae, ecpD, eprJ, escC, escJ, escR, cesD
　　　　毒性 　spvABCD, escS, escT, escU, espA, espB , espD, h lyA, h lyB , hlyC, h lyD, iha, ipaH, katP, ler,
lpfA, lpfD, pagC, sepL, stx1a, stx1b, stx2a, stx2b, tir, ybdG
2. 2　芯片分析鉴定σS共同的启动子序列
2002年 Shun J in Lee等 [ 28 ]对比了σ38与σ70的
启动子序列 ,通过体外的突变和体内扫描检测发现
σ38与σ70是高度同源的 ,前者属于植物性的σ因子
负责大多数看家基因的转录。σ70负责识别启动子
DNA的区域 ,蛋白保守区 4. 2区 (识别 - 35区 )和
保守区 2. 3～2. 5 (识别 - 10区 )与σ38的这些区域
有超过 70%的相似性 (60%完全一致 )。但是σ38启
动子一般只含有一个单一的 DNA识别原件 ,位于
- 7和 - 14为核苷酸之间的 - 10序列 [ 10, 11 ]。4个最
保守的氨基酸 - 13C, - 12T, - 11A和 - 7T与启动
子的直接选择有关 ,并且在设定启动子强度上起着
决定性的作用 [ 8～10 ]。
为了确定被 EσS识别的假定的启动子序列 ,
2005年 , Johanna Heuveling等 [ 2 ]利用两种生物信息
学软件分析受σS控制的 140个核心基因的上游非
编码区域 ( 200 bp )中的共同区域。两种算法确定
5′2TCTATACTTAA23′具有较高的统计学重要性。序
列在图 2中以序列标志的形式展示出来 ,每个位点
的字母高度代表碱基频率。这样一个共同启动子模
块的出现暗示这些启动子受相同的机制调控。这些
模块能够被受σS控制的基因清楚的证实。但是 ,上
3
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述两个生物软件均不能在受σS控制的非核心基因
上游找到这些碱基类型 ,例如 ,只在一个或两个生长
或压力条件下检测到的基因。表明σS控制的非核
心基因或者具有更多的受σS控制的启动子区或者
需要另外的活化机制。
图 2　受σS控制的核心基因上游 200 bp
处的共用的序列模式
2. 3 RpoS对逆境基因的调控
大肠杆菌通过特定的和普遍的转录信号途径来
应对压力。普遍的途径一般都需要主要的压力调控
因子σS。它与 RNA聚合酶结合后启动压力调控基
因的转录。之前有关渗透压的研究中发现 osm Y是
普遍压力诱导因子 ,如热、冷、醋酸盐、酸压力以及进
入稳定期。但是在压力不存在时 ,即使有σ38存在该
基因也是沉默的。 osm Y的激活需要改变一系列形
成上游调控网络的作用 ,包括σ38的碳末端区域和靠
近启动子 - 35区的 DNA。
为了进一步研究转录起始的内部机制 , Rosenthal
等在体外各种条件下对 osm Y m2RNA进行了试验分
析 ,具体包括热、冷、渗透、酸和压力以及进入稳定
期。研究发现主要的压力调控因子σS具有一个独
特的尾巴原件 ,在没有压力的情况下它能够在细菌
体内招募 RNA聚合酶到 osm Y启动子区。3种压力
信号 (热、冷和进入稳定期 )通过其 C2末端非保守的
8个氨基酸尾巴使双链 DNA解螺旋 ,然后 RNA聚
合酶从转录复合体或松弛 DNA中逸出从而开启转
录。其他两种 (渗透压力和酸冲击 )不需要决定因
子的压力反应有个共同点 ,都引起谷氨酸钾在细胞
中的积累。应对这两种压力反应时 ,并不是依赖于
这个短尾巴而是依赖于整个 C2末端结构域。
3 RpoS自身的转录、翻译和蛋白水解的
控制 　
诱导 RpoS的压力环境包括碳、磷、氮或者氨基酸
饥饿 [ 12 ] ,还原到生长期 [ 13 ] ,经典的葡萄糖 /乳糖两阶
段延滞期生长 [ 14 ] ,高渗冲击 [ 8 ]或者低 pH值 [ 15 ] ,经典
的热冲击操作 [ 16 ]以及在低温下生长 [ 19 ]。在一些情
况下 , RpoS诱导是持续的 ,如当细胞因饥饿进入稳定
期 ;在其他情况下诱导是短暂的 ,如 pH下调或者两
阶段延滞期。由于大批的环境和细胞中的信号必须
经过处理使之处于 RpoS的控制之下 ,所以这些调
控可能发生在不同的生长阶段或者某一阶段的不同
的水平上。
在大肠杆菌中 ,σS对渗透压等逆境的调控几乎
与其它所有的调节系统不同 ,它主要发生在转录后
水平 ,包括翻译的增加和对σS代谢降解的抑制 ,二
者几乎同时发生。 rpoS的转录能够通过生长速度的
降低进一步激活 (通过一种涉及 ppGpp的机制 ) ,但
是细胞内总是含有一定数量的 rpoS mRNA。由于
mRNA在翻译起始区的二级结构导致它们不能有效
的被翻译。但是翻译能够通过小的调控 RNA s的作
用快速激活 ,这一过程还伴随有 RNA结合蛋白 Hfq
引起的 rpoS mRNA二级结构的改变 ,使得核糖体能
够进入翻译起始位点 [ 19～21 ]。此外 , RpoS在没有压
力的情况下也会以一个很小的速度被合成 ,通过一
个蛋白识别因子 R ssB和 ATP依赖的 ClpXP蛋白酶
快速降解 [ 24, 26 ]。降解作用的快速抑制也能导致细
胞内 RpoS水平的快速增加。RpoS的活性 ,例如 ,它
成功地与其他σ亚基竞争核心 RNAP从而激活它
的调控子的能力 ,受 ppGpp、R sd和 Crl控制与 RNAP
核心酶、RpoD 和 /或 RpoS相互作用 [ 25, 26 ]。
目前已发现有多种调控型的小 RNA s以及调控
蛋白在 RpoS复杂的调控中发挥作用。但是 ,对于
是否是细胞外的生理学参数自身 (如温度、外部的
渗透压或者 pH值 ) ,还是细胞内作用 (如胞内的损
伤 ) 刺激了 RpoS调控的发生 ,或者是由于一个起始
反应 ,如渗透上调引起的钾离子的大量注入 ,进而引
发了二级以及后续反应还是未知。而且在几乎所有
的控制机制中 ,实际的刺激物或者说信号仍然不是
很清楚。
4　展望
目前 ,σS已经被公认为一种细菌中普遍存在的
压力反应调控因子。而对它的研究也越来越深入。
特别是近几年随着基因组学和蛋白质组学研究的发
展 ,通过基因芯片和蛋白质谱的方法对 rpoS进行研
究也越来越普遍。但是目前国内对该 σ因子的研
究还很少 ,而且由于不同菌种之间的差异以及σS调
4
2009年第 12期 李燕等 : RNA聚合酶σS亚基的研究进展
控网络的复杂性给研究带来巨大的挑战 ,很多问题
还有待进一步的阐明。
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