全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第 17卷 第 4期
2005年 8月
Vol. 17, No. 4
Aug., 2005
芽孢形成中的 sigma因子
刘　燕,秦玉昌*,潘宝海
（中国农业科学院饲料研究所，北京 1 0008 1）
摘　要：在整个芽孢形成过程中，不对称分裂前的细胞中以及不对称分裂所产生的前芽孢和母细胞中
都分别由不同的 sigma因子在起作用。sigma因子的时空特异性表达导致基因表达具有时空特异性。并
且无论存在于同一区域的 sigma因子，如 σF和 σG、σE和 σK之间，还是存在于不同区域的 sigma因子，
如 σF和 σE、σE和 σG、σG和 σK之间都存在着相互制约的关系。每个 sigma因子都有自己特定的转录子。
这些 σ 因子的作用最终导致前芽孢发育为成熟的芽孢，母细胞则最终裂解。本文就枯草芽孢杆菌
(Bacillus subtilis)中与芽孢形成相关的五种 σ因子研究状况作简要的概述。
关键词：芽孢形成；s i g m a 因子；枯草芽孢杆菌
中图分类号：Q 93 4　　文献标识码：A
Advance of sigma factors in sporulation
LIU Yan, QIN Yu-Chang*, PAN Bao-Hai
(Feed Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China)
Abstract: In sporulation,the cell before asymmetric division and the forespore and the mother cell produced by
asymmetric division all have especial sigma factors. The time and space specificity of sigma factors results in
the time and space specificity of genes express. The sigma factors existing in the same area for example σF and
σG、σE and σK have relation with each other, and the sigma factors existing in different area for example σF and
σE、σE and σG、σG and σK have close relation too. Every sigma factor has specifically regulon. Due to all the
sigma factors, the engulfed forespore develops into the mature spore and the mother cell lyses ultimately. This
article is about the main progress of the sporulation-specific five kinds of sigma factors .
Key words: sporulation; σ factors; Bacillus subtilis
收稿日期：2004-11-22；修回日期：2004-12-21
作者简介：刘　燕(1982—)，女，硕士研究生；秦玉昌(1965—)，男，硕士，研究员，*通讯作者；潘宝海(1971 —)，
男，博士，助理研究员。
文章编号 ：1004-0374(2005)04-0355-05
芽孢是某些革兰氏阳性细菌形成的用于抵抗
热、干燥、辐射、化学试剂等不良环境的休眠结
构。枯草芽孢杆菌芽孢的形成过程已经成为研究原
核细胞生物发育的模式。芽孢的分裂首先经历不对
称分裂，不对称分裂完成后 σF和 σE分别在前芽孢
和母细胞侧活化。在这两个 sigma因子的作用下，
前芽孢被母细胞裹吞进入其内部。裹吞完成之后，
σF和 σE分别在前芽孢和母细胞中转录出 σG和 σK。
σG和 σK在各自的区域行使功能，直到芽孢成熟，
母细胞裂解。虽然，σF和 σG存在于前芽孢中，σE
和 σK存在于母细胞侧，但他们之间也是有联系的。
σE的活化依赖于 σF，σG的活化依赖于 σE，而 σK的
活化又依赖于 σG。本文就枯草芽孢杆菌在芽孢形成
中涉及的五种 σ因子的基因调控方式和其所参与转
录的主要基因作简单的概述。
1　芽孢形成的过程
芽孢的形成一般需要 8~10个小时。首先是由
营养细胞中大量存在的 E-σA转录出小的 sigma因子
356 生命科学 第17卷
σH，再由 E-σH转录一系列与不对称分裂相关的基
因，完成不对称分裂过程。不对称分裂后，产生
两个大小不同的细胞，小的为前芽孢，大的是母细
胞。前芽孢中编码σF的 spoⅡAC基因被E-σH转录。
随后导致编码σE的spoⅡGB基因在母细胞中被E-σA
转录。这两个基因的转录均需要磷酸化的 Spo0A蛋
白的存在。σE活化后会使一系列与裹吞相关的基因
被转录，从而导致前芽孢被母细胞裹吞，形成被双
层膜包裹的形式。裹吞之后，前芽孢和母细胞分别
又有新 σ的因子出现，前者中是由 spoⅢG基因编
码 E-σF转录的 σG；而后者是由 sigk基因编码 E-σE
转录的 σK。这两个 σ因子行使各自的功能，直到
皮层和芽孢衣的形成，抗性的出现以及芽孢的最终
被释放。
2　各 sigma因子编码基因的概况
2.1　σH的编码基因——spo0H基因　spo0H基因是
单顺反子基因，由 E-σA进行转录的，在营养体细
胞中就有，但一直保持着较低水平的表达，当到达
t 0期时表达量达到顶峰。spo0H 基因的转录受到
AbrB蛋白的抑制，以及 σH自身的调节。σH自身的
调节是通过 Spo0A蛋白实现的。该蛋白可以由E-σH
进行转录而得到，并且磷酸化后可以抑制AbrB蛋白
的活性，从而使 σH的表达量得到提高[1]。
2.2　σF的编码基因——spoⅡAC基因　spoⅡAC基
因存在于 spoⅡA操纵子中。spoⅡA操纵子是以依
赖于 Spo0A和 σH的方式被转录的。spoⅡ A是三顺
反子操纵子，在 spoⅡAC基因的上游还包含两个基
因 spoⅡ AA和 spoⅡ AB，分别编码对 σF的活性起
调节作用的抗抗 sigma因子和抗 sigma因子。尽管
spoⅡ A操纵子的转录是在不对称分裂以前就开始
了，但 σF只在不对称分裂以后的前芽孢侧有活性。
抗 sigma因子SpoⅡAB与σF结合以后会使σF失活。
当非磷酸化状态的抗抗 sigma因子 SpoⅡAA与 Spo
ⅡAB结合以后，会释放活化状态的 σF。SpoⅡAA
的磷酸化与否受到调节，具有磷酸化酶活性的 Spo
ⅡAB可以使之磷酸化，而蛋白磷酸酶 SpoⅡ E可
以保持 SpoⅡAA的非磷酸化状态。通过对 SpoⅡ
AA的磷酸化与否达到调节 σF活性的目的。
2.3　σE的编码基因——spoⅡGB基因　spoⅡGB基
因存在于双顺反子操纵子 spoⅡG中。spoⅡG操
纵子的转录依赖于σA和磷酸化的Spo0A。最初转录
出来的 σE以 pro-σE的形式，pro-σE去除其氨基末端
的 27~29个氨基酸即得到 σE。spoⅡG操纵子的转
录在分裂前就已经开始，但 pro-σE的切割只发生在
不等分裂后的母细胞侧[2]。
2.4　σG的编码基因——spoⅢG基因　σG的编码基
因 spoⅢG基因是由E-σF进行转录的，所以σG只存
在于前芽孢侧。spoⅢG基因位于 spoⅡG基因的下
游。σG的活性也受到抗 sigma因子 SpoⅡAB和抗
抗 sigma因子 SpoⅡAA的调节[3](图 1)。
2.5　σK的编码基因—— sigk基因　sigk基因是由
E-σE转录的。sigk基因是由 spoⅣ CB和 spoⅢC基
因通过去除大约42kb的间插DNA的位点特异性重组
而得来的。重组需要 SpoⅣ CA编码的重组酶。由
sigk基因的转录也需要 SpoⅢD的存在。转译出来
的σK是以Pro-σK的形式存在。要经过蛋白酶SpoⅣ
FB的切割后才能成为活化的 σK。
3　各 sigma因子之间的联系
3.1　σF和σG以及σE和σK之间的联系　σG是由σF组
成的全酶 E-σF转录的，所以 σG与 σF一样都存在于
前芽孢中，并且 σG的出现是在裹吞完成之后。σK
是由 σE组成的全酶E-σE转录的，所以 σK与 σE一样
都存在于前芽孢中，并且σK的出现也是在裹吞完成
之后。
3.2　σF和 σE之间的联系　σE是不对称分裂后出现
在母细胞中的第一个特殊 sigma因子，出现的时间
是在σF出现在前芽孢之后的很短的一段时间内。这
是由于 pro-σE中前体序列的切割需要来自于前芽孢
中的信号 SpoⅡ R蛋白。pro-σE的前体序列使该蛋
白定位于膜上，并起到稳定的作用。切割使用的蛋
白酶是由spoⅡG操纵子中的另一个基因——spoⅡGA
基因编码的，也是结合于膜上。切割的开始需要前
图 1　σG活性的调控[4]
注：双半圆表示双层膜；→表示激活
357第4期 刘　燕，等：芽孢形成中的 sigma因子
芽孢中由E-σF所转录的 SpoⅡR蛋白通过隔膜扩散
到母细胞中，并与 SpoⅡGA位于膜上的区域相互
作用[5]。这使母细胞中 σE的活化位于前芽孢中 σF之
后。
3.3　σE和 σG之间的联系　前芽孢中第二个特殊的
sigma因子σG的出现受到母细胞中特殊sigma因子σE
的调节。σG的编码基因 spoⅢG基因的转录依赖于
由母细胞中E-σE所转录的spoⅢA基因的编码产物，
并且 σG的活化还需要定位于前芽孢膜上的 SpoⅢ J
和在前芽孢中表达的 SpoⅡ Q[6]。
3.4　σG和 σK　σK除了受到基因重组的调节之外，
还要受到翻译后水平的调节。σK的前体Pro-σK切割
所需的蛋白酶SpoⅣFB属于定植于膜上的一个金属
蛋白酶家族的成员，活性被另外两个膜蛋白 SpoⅣ
FA和BofA所调节。SpoⅣFA通过使三者形成复合
物而使 SpoⅣ FB与BofA直接接触，后者抑制了前
者的活性[7]。SpoⅣ FA又受到来自于前芽孢中由E-
σG转录的 SpoⅣ B蛋白的调节。SpoⅣ B蛋白属于
一个新的胰蛋白酶样(trypsin-like)家族中的一种丝氨
酸肽酶。在其跨越了前芽孢的内膜后，对SpoⅣFA
蛋白暴露于前芽孢内外膜之间的部分进行切割，从
而使 SpoⅣ FA、SpoⅣ FB和BofA形成的复合物分
离，解除了 BofA对 SpoⅣ FB的抑制，最终使 σK
活化[8](图 2)。通过这种方式使母细胞中基因的表达
适应前芽孢的需要。
4　各 σ因子参与转录的主要基因
4.1　σH转录子　它主要包括在从指数期向静止期转
变中起作用的基因，如 s p o0 A、s p o0 F、k i n a、
spo0M、spoVG、spoⅡB[9]、spoVS[10]、spoⅡA等与
芽孢形成开始的基因。通过DNA芯片分析表明，由
E-σH转录的基因除了上述的与芽孢形成相关的基因
外，还包括细胞适应各种营养元素缺乏时所必需的
基因，并且涉及面很广，如与运输、细胞壁代谢、
蛋白水解、细胞色素形成等相关的基因[11]。
4.2　σF转录子　通过基因芯片技术分析，芽孢形
成过程中大约有66个基因的的表达处于σF和Spo0A
的控制之下[12]。它们主要包括母细胞中σH活化所必
须的 spoⅡ R基因；σG的编码基因 spoⅢG基因[13]
；spoⅢG基因表达和裹吞过程所必须的 spoⅡQ基
因；对 σK活性起调节作用的 spoⅣ B基因；编码
过氧化氢酶的 katX基因；编码切割 SPSPs的肽链
内切酶的 gpr基因[14] ；另外 bofC、lonB [15]、rsfA
[16]三个基因的活性受到 σF的调节。
4.3　E-σE转录的基因　通过DNA芯片技术表明存
在于163个调节子中的262个基因[17]是由E-σE转录。
它们主要包括裹吞过程和防止二次不对称分裂的
spoⅡM、spoⅡ D和 spoⅡ P基因[18] ；编码芽孢
衣支架蛋白的 spoⅣ A、cotE和 spoⅥD基因；对
前芽孢中 σG的活性起调控作用的基因 spoⅢA基因
[19] ；σk的编码基因 sigk基因；sigk基因形成过程中
所需的重组酶基因 spoⅣ CA基因；转录调节蛋白
GerR和 spoⅢ D的编码基因等等。
4.4　σG转录子　它的主要功能是调节前芽孢和母细
胞中基因的表达、赋予芽孢某些抗性以及与出芽相
关的基因，具体包括编码小的酸溶蛋白(SASPs)的
Ssp基因[20] ；编码对母细胞中 σK的活性起调节作用
的丝氨酸肽酶的 spoⅣ B基因；前芽孢从母细胞中
吸收DPA所需要的 spoⅤ A操纵子[21] ；对 σK前体
的切割起调节作用的 bofC基因[22] ；gerA和 gerD等
与出芽相关的基因；编码葡萄糖脱氢酶的 gdh基
因；编码 AP内切酶的 yqfs基因[23]等。
4.5　σK转录子　它包括存在于71个转录单位中的111
个基因[24]，如DNA结合蛋白GerE的编码基因 gerE、
与DPA合成积累有关的基因 spoⅤA和spoⅤK，芽
孢成熟所需的 spoⅤD基因以及 14个与芽孢衣蛋白
的合成和积累相关的基因[25]。lytH基因也是由 E-σK
转录的，该基因的编码产物是一种内切肽酶，作用
是将皮层中胞壁酸的四肽侧链切割为二肽或三肽，
这对于出芽过程中皮层的降解是必要的[26]。
5　母细胞中基因表达的级联调控
由不对称分裂所产生的母细胞的发育大约经历
5个小时，并最终裂解，其中共涉及的基因占据了
枯草芽孢杆菌基因组全部基因的9%，存在于242个
图 2　σK活性的调控[4]
注：双半圆表示双层膜；⊥表示抑制
358 生命科学 第17卷
转录单位中的 383个基因活化[25]。这些基因的表达
是由两个 σ 因子(σE和 σK)和三个 DNA 结合蛋白
GerE、GerR和 SpoⅢD共同调控的结果。由 E-σE
转录出的GerR和 SpoⅢD蛋白对部分由 E-σE转录
的基因起抑制作用。同时 SpoⅢD又和E-σE一起激
活另一部分基因的转录，其中包括 σK的编码基因。
由 σK所构成的全酶——E-σK在转录其他基因的同
时，又转录出另一DNA结合蛋白GerE，如同SpoⅢD
一样，GerE在抑制由E-σK转录的一些基因的同时，
又是E-σK转录另一些基因所必不可少的(图 3)。
6　结论
芽孢形成过程中各 sigma因子的活化方式是不
同的，与其各自的功能有关。母细胞中的两个 σ因
子 σE和 σK是以 pro-σE、pro-σK的形式存在，于特
定的时间，前体序列被切割而活化，这种调控方式
是不可逆的。而前芽孢中的 σF、σG的活性都是以
抗 σ因子这种可逆的方式来调节，可能是由于前芽
孢将最终发育为成熟芽孢，并还需要具备重新发芽
的能力。母细胞则是最终要裂解的，并且 σE是一
种短命的 σ 因子，所以采取不可逆的方式。
不对称分裂产生的一大一小细胞具有相同的基
因组，却能在不对称分裂后立即实现 σF和 σE的区
域化表达，这是目前研究的热点。据推测，σF区
域化表达可能是定位于隔膜的SpoⅡE [27]分裂过程中
出现的瞬间基因不对称和SpoⅡAB的裂解等多个因
素共同作用的结果。σE的活化依赖于 σF，但这并
不能完全说明只在母细胞中出现的原因。近来发
现，不对称分裂后 Spo0A蛋白的活性主要限定在母
细胞侧，其缺失也只对母细胞有影响[28]。这可能与
σE区域化表达有直接的关系。
[参　考　文　献]
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调控[24]
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Science发表中国科学家刘金华、高福等人的文章
青海湖水禽感染禽流感研究喜获新成果
Science杂志于 2005年 7月 6日发表中国科学家刘金华、高福等“高致病性禽流感H5N1对迁徙鸟类
的感染”文章，描述了在中国青海湖发生的水禽感染流感病毒的情况。
据中科院微生物研究所所长高福研究员向本报记者介绍，在 Science网站上先行发布的该文章，是世
界上第一次描述水禽群体(大于 1 000只)可以感染H5N1禽流感病毒，并引起大量水禽的死亡的文章。
中国科学家对病毒基因组序列的分析表明：代表禽流感病毒高致病率的三个“毒力岛”在这些毒株
中是存在的，如血凝素的富含碱性氨基酸的酶切位点；神经氨酸苷酶 20个氨基酸的缺失；与病毒复制有
关重要蛋白 PB2氨基酸上的突变。
高福研究员组织的研究小组对其中的一个分离毒株进行了实验动物(小鼠、鸡)的感染实验，发现对这
两种实验动物是高致病性的。该研究成果根据所感染水禽的迁徙路线以及病毒基因组的分子分析发现，该
病毒可能是经过了重排的一种病毒，而且有可能是通过这种迁徙鸟从东南亚带来青海湖的。科学家的以上
研究虽然暂时还不能说明病毒的确切来源，但也提示我们应该加强对这些水禽携带病毒的情况进行广泛的
检测，以寻找流感病毒重排与变异的一些分子规律，进而为我们预防与控制禽流感提供重要的分子依据。
为了研究水禽感染流感病毒的原因，中国科学家联手作战，协同攻关，终于喜获成果。其中，以
中科院微生物研究所高福研究员为代表，作该研究的协调者，开展了大量的工作；中科院动物研究所以
鸟类学家雷富民研究员为代表，分析了水禽的可能迁徙路线；中科院基因组研究所以王健研究员为代表，
作了病毒基因组的序列分析；中国农业大学刘金华教授、军事医学科学院祝庆余教授，用 PS实验室对病
毒进行了分离，并开展了一系列的实验室研究。
摘自 http: //www.cas.ac.cn
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