注：本文不构成任何投资意见和建议，以官方/公司公告为准；本文仅作医疗健康相关药物介绍，非治疗方案推荐（若涉及），不代表耀海生物立场。任何文章转载需得到授权。

前言

早在1942年,Monod等人观察到大肠杆菌在两种混合碳源环境中优先利用其中容易代谢的一种(通常是葡萄糖),待前一种耗尽和一段停滞期(Lagphase)后再开始利用另一种碳源的现象,并将其称之为二次生长"。这种葡萄糖代谢对其他碳源利用的抑制作用被称为分解代谢产物阻遏(Carbon cata-bolite repression，CCR)，有时也称为葡萄糖效应(Glucose effect)，即一种碳源代谢对参与其他碳源代谢的基因表达或蛋白质活性的抑制效应。

这种抑制作用是一种随着细胞的生理状态变化而使基因同步表达的作用，即只要存在可利用的葡萄糖，大肠杆菌就会优先代谢葡萄糖。分解代谢物抑制可确保在葡萄糖耗尽之前替代能源，例如乳糖代谢所必需的lac操纵子维持在被抑制的状态。分解代谢物抑制可消除可能存在的任何诱导物的影响，防止乳糖等能源酶系统的浪费。

其主要原理为葡萄糖经PTS(细菌磷酸转移酶系统Phosphoenolpyruvate: carbohydrate phosphotransferase system)向胞内运输同时偶联磷酸化的过程。磷酸向葡萄糖的传递导致PTS 关键组分EIIAGlc去磷酸化形式的积累，该形式的EIIAGlc可以与质膜上本底表达的乳糖透性酶LacY结合，阻止诱导物乳糖的吸收。环腺苷酸cAMP的影响也是通过激活参与PTS系统的关键基因而加强了诱导物排斥作用。此外，去磷酸化形式的EIIBGlc和YeeI对全局性转录阻遏蛋白Mlc活性的抑制也保证了PTS系统关键组分蛋白的基因表达。

接下来菌菌就以大肠杆菌为例，分析不同影响因子对于解代谢产物阻遏效应（CCR）的影响及其影响程度分析。

乳糖操纵子 （lac operon）

大肠杆菌乳糖操纵子作为原核生物基因表达调控的经典模式,成为微生物学、遗传学和分子生物学等生物学教材中均涉及到的重要知识点。

乳糖操纵子的调控包括正调控和负调控两种形式，即阻遏蛋白Lacl与操纵基因相互作用的负调控系统(可被诱导物乳糖诱导),以及cAMP受体蛋白(cAMP receptor pro-tein, CRP)与 cAMP形成的复合物CRP- cAMP同乳糖操纵子上游调控元件结合的正调控系统。负调控的解除和正调控的存在都是乳糖操纵子表达所必须的。

细菌磷酸转移酶系统系统 （PTS）

1964年,Kundig 等发现了大肠杆菌中一种新的转运并同时磷酸化糖类的系统——PTS转运系统（细菌磷酸转移酶系统，Phosphoenolpyruvate: carbohydrate phosphotransferase system）,揭开了糖类转移系统的研究序幕。

以葡萄糖为例,PTS系统负责特异地将葡萄糖从细胞外跨膜主动运输进入细胞，并在此过程中，将葡萄糖磷酸化为葡萄糖-6-磷酸，进入糖酵解途径。

PTS转运系统由三类蛋白质构成，分别是:磷酸烯醇式丙酮酸依赖性蛋白激酶Ⅰ(PEP-dependent protein kinase enzyme I ,EI )、HPr(Heat-stable，histidine-phosphoryl protein,HPr)以及酶Ⅱ(Enzyme Il , EI)。

EI和HPr是非特异性的可溶性胞质蛋白，为不同糖类PTS转运系统所共享。酶Ⅱ则具有糖类特异性。酶Ⅱ在结构域水平非常保守，一般包含3个结构域(EIIA、EIIB 和EIIC)，3个结构域或组织在一个蛋白质上(由连接序列融合),或在进化过程中被分开而位于2~4个蛋白质成分中，但只有相互结合才具有转运活性。

EIIA和EIIB为亲水性磷酸转移酶结构域,朝向胞内，EIIC一般为疏水性膜结合通道形成结构域。大肠杆菌葡萄糖PTS的EII(EIlGlc)由可溶性EIIAGlc和结合在质膜上的转运蛋白EIICBGlc两个蛋白组成。当细胞外富含葡萄糖碳源时，细胞内的磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)作为磷酸基团的供体，经EI—HPr—EIIAGlc_-EIIBGlc途径传递磷酸，磷酸化的EIIBGlc激活EIICGlc ，EIIC特异识别葡萄糖,将其转运进细胞，并同时将其磷酸化为葡萄糖-6-磷酸U2。大肠杆菌至少有15种特异性的PTS系统,分别负责葡萄糖、甘露糖、甘露醇、果糖、纤维二糖、海藻糖、N-乙酰葡萄糖胺、β-葡萄糖苷等PTS糖类 (PTScarbohydrate)的转运和活化。而对于麦芽糖、乳糖、阿拉伯糖、木糖、鼠李糖、甘油、蜜二糖等无 PTS转运系统的糖类(non-PTS carbohydrate)，大肠杆菌只能通过糖特异性的透性酶(Permease)运输。其他细菌也都存在这两种运输机制转运不同糖类。在不同细菌间PTS转运系统的机制、蛋白质成分及序列非常保守。在PTS糖类和 non-PTS糖类共存的环境中，细菌优先利用PTS糖类作为碳源,PTS糖类耗尽时才能继续利用non-PTS糖类生长。

大肠EIIAGl分子与分解代谢产物阻遏效应

CCR产生机制的解释模型主要有两种,即葡萄糖经PTS系统的转运和藕联磷酸化过程，导致去磷酸化形式EIIAGlc的积累，该状态的EIIAGlc可以抑制质膜上本底表达的β-半乳糖苷透性酶(B-Galactoside permease)LacY的活性，抑制乳糖诱导物的运输;失去磷酸的EIIAGile也无法激活腺苷酸环化酶的活性，导致胞内cAMP水平的下降。

EIIAGlc对乳糖向胞内运输的抑制作用——诱导物排斥

大肠杆菌在葡萄糖-乳糖环境中时，PTS转运系统中EIIAGlc-P参与激活EIICBGlc，使其识别、转运、磷酸化葡萄糖。由于不断将接受的磷酸基团转移出去，此时的EII AGlc主要以去磷酸化形式存在。去磷酸化状态的EIIA能够与本底水平表达的LacY别构调节位点结合，抑制其活性 ，这已经通过半胱氨酸扫描突变分析的方法得到了证实。所以，即使细胞外乳糖水平极高，乳糖仍不能被转运到大肠杆菌的细胞内，进而无法作为胞内诱导物诱导乳糖操纵子的表达。遗传分析也得到了相同的结论:突变crr基因(不能产生EIA蛋白，但不影响葡萄糖的利用，大肠杆菌还存在GalP 、 MglABC等non-PTS葡萄糖转运系统)或过量表达lacY基因能够解除二次生长现象和CCR;突变lacl基因或充分诱导的大肠杆菌(在华体会体育最新地址 中同时添加IPTG诱导物,IPTG以扩散的方式进入细胞,不依赖lacY产物)也可以解除CCR。这种由于EIIAGlc抑制β-半乳糖苷透性酶活性,而使乳糖无法进入细胞的现象被称为诱导物排斥(Inducer exclusion)。葡萄糖耗尽后，去磷酸化形式EIAGl下降,LacY的抑制作用则被解除。

环腺苷酸cAMP对分解代谢产物阻遏效应的影响

cAMP或CAP-cAMP复合物并非与葡萄糖-乳糖CCR无关,另有其他机制。如果 lacL8UV5大肠杆菌的腺苷酸环化酶基因cya或CRP蛋白基因crp被破坏，导致完全不能产生CAP-cAMP复合物,则CCR效应被解除。利用质粒组成型表达 ptsG基因(编码葡萄糖PTS中的EIICBGlc)则可以重建CCR。因此, CAP-cAMP对葡萄糖-乳糖CCR的影响可能不是在乳糖操纵子的转录水平，而是通过激活ptsG基因转录而加强了葡萄糖PTS转运系统,降低胞内EIIAGlc的磷酸化水平，最终作用于诱导物排斥作用。之所以强调葡萄糖-乳糖环境下的CCR效应，是因为葡萄糖对不同糖类代谢基因的抑制机制不尽相同，正调控水平CAP-cAMP缺乏可能是葡萄糖抑制其他碳源利用的机制之一。

全局性转录调控因子与分解代谢产物阻遏效应

大肠杆菌中的一些全局性转录因子(Global transcription regulator)，作为转录的激活蛋白或阻遏蛋白调控许多基因的表达。由于其调控作用的全局性，因而在碳源的选择利用过程和分解代谢产物阻遏效应中不可避免的产生影响。

Mlc阻遏蛋白与分解代谢产物阻遏效应

Mlc是一种被广泛关注的全局性转录调控因子,但它是一种阻遏蛋白，可以通过与启动子结合的方式,如与pts操纵子的启动子结合，负调控pts I(编码EI )、ptsH (编码HPr)、ptsG等一些参与 PTS转运系统蛋白质的基因表达,进而影响到葡萄糖的代谢。因此,它与分解代谢产物阻遏效应密切相关。

当大肠杆菌处在富含葡萄糖的环境中时，如前所述,EIIBl结构域主要呈去磷酸化状态。此时，Mlc会与EIIB结合,而失去了阻遏pts l 、 ptsH 、ptsG等基因表达的能力，使葡萄糖经PTS转运进人细胞的效率明显升高,分解代谢产物阻遏效应更加明显。而当环境中没有葡萄糖时，EIIBGlc主要呈磷酸化状态,EIIBGlc-P并不与Mlc结合,Mlc阻遏 PTS转运系统相关基因的表达，PTS 转运系统效率下降,这有利于细菌利用乳糖等其他non-PTS碳源。

全局性转录转录因子Yee Ⅰ与分解代谢产物阻遏效应

Yee I (又称为MtfA，Mlc titration factor A)

是一种新发现的全局性转录调控因子。它直接通过蛋白与蛋白之间的相互作用结合Mlc 阻遏蛋白，激活参与PTS系统的基因转录,使得大肠杆菌在葡萄糖和乳糖环境中分解代谢产物阻遏效应更为明显。但是,MtfA并不是一种整合膜蛋白，它可以在细胞质中结合Mlc蛋白并抑制其活性。所以，MtfA对Mlc阻遏蛋白的作用机制可能与EIIBGlc有着本质上的不同。MtfA 的具体作用机制至今尚不明朗。

总结

大肠杆菌分解代谢产物阻遏效应（CCR），即葡萄糖的利用对其他碳源的抑制作用,直接原因是葡萄糖经PTS 系统的转运过程所导致的去磷酸化状态EIIAGlc和EIIBGlc的积累，而非细胞内葡萄糖的存在。其中，诱导物排斥起着主导作用，而cAMP水平的调控作用更多的被认为是影响了二次生长中停滞期的持续时间，可能是通过激活ptsG基因而加强了诱导物排斥作用。

参考文献：

[1]Regulation of gene expression in the PTS in Escherichia coli : the role and interactions of Mlc[J] . Jacqueline Plumbridge. Current Opinion in Microbiology . 2002 (2)

[2] 大肠杆菌的研究综述[J]. 殷泽禄,万虎.. 2019(05)

未经允许不得转载：hth网页入口»【菌周刊】工程菌应用|大肠杆菌分解阻遏效应（CCR）及其影响因素分析