細胞生長速率對大腸桿菌 DNA 超螺旋結構、ATP/ADP比例、lacZ 基因表現之研究

Abstract

大腸桿菌體內的 b-半乳糖甘酵素基因(lacZ gene)之表現受乳糖調控，是 目前最明膫的基因轉錄和轉譯調節模式之一。 Drlica等人(14,15,16)已 證明DNA超螺旋結構改變會影響lacZ 基因表現。他們發現當DNA超螺旋結 構變緊 (negative supercoiling) 時，lacZ 基因表現上升，反之則下降 。由過去分批式培養實驗已證實，當細胞生長在不同碳源下以改變其生長 速率時，lacZ 基因表現也會隨之改變。進一步利用連續培養方式以控制 細胞生長速率，並排除碳源影響因子，更證實了lac Z基因確受細胞生長 速率所調控。再者，因 gyrase B 活性受ATP調控，在in vitro中已證實 ATP/A本實驗中以連續式發酵控制不同生長速率，結果發現在不同碳源為 培養基時，ATP/ADP比例與細胞生長速率成正相關。比較不同碳源在相同 生長速率下，ATP/ADP比例以醋酸為碳源時最高，其次是琥珀酸( succinate)，再其次是葡萄糖，最後才是甘油。以質體 pBR322 檢測不同 碳源與生長速率下 DNA 超螺旋結構之改變，結果發現在任何條件下，質 體超螺旋結構與 ATP/ADP 比例高低成正關係，也就是 ATP/ADP 比例越高 DNA 超螺旋結構便緊。由於大腸桿菌細胞內 cyclic AMP 濃度會隨生長速 率上升而下降，而且已知lacZ 基因表現會受 cyclic AMP 活化，因此也 偵測生長速率對大上述實驗顯示細胞在不同養分環境下生長速率會有明顯 不同，而不同的生長速率可經由改變 cyclic AMP濃度進而調控許多基因 的表現，當然 ATP/ADP比例及DNA 超螺旋結構也會影響，但它們對lacZ基 因表現效應不及cyclic AMP的影響大。 LacZ operon is regulated by DNA supercoiling which expression increases on the negative supercoiling template. In previously study, we found that lacZ expression was growth rate-dependent in Escherichia coli . The intracellular ATP/ATP ratio has been proved directly related to DNA supercoiling because gyrase activity is ATP dependent. Therefore, the growth rate control of lacZ expression might be dependent on the intracellular ATP/ADP ratio and DNA superhelicity changes. In this study, we determined the pla We also examined the total cAMP concentration during exponential growth of Escherichia coli on different carbon medium and at different growth rate in chemostat cultures. The cAMP concentration decreased with increasing cell growth rate. Further introduction of cya mutant into lacZ fusion strain, we found that growth rate-dependent regulation of lacZ expression pattern was changed. Therefore, we proposed that growth rate control of lacZ expression is cAMP dependent .