革兰氏阳性与阴性菌中 Sigma 因子及启动子的特性与差异纽普生物

一、细菌 RNA 聚合酶的结构与功能基础

细菌 RNA 聚合酶（RNAP）负责将 DNA 转录为 RNA，是基因表达的关键起始步骤。其核心酶在革兰氏阳性菌和阴性菌中均由五个亚基组成，即 ββ′α₂ω 。核心酶虽能非特异性结合 DNA，并从 DNA 末端或缺口起始 RNA 合成，但无法识别启动子，需与 sigma 因子结合形成全酶（α₂ββ′σω）才能启动特异性转录。其中，β 亚基参与核苷酸底物结合，β′亚基负责与 DNA 模板结合，α 亚基在酶组装及与调控蛋白互作中起作用，ω 亚基功能尚未完全明确，但可能参与酶稳定性及组装。

两类细菌的 RNAP 在亚基组成上基本一致，但在一些细节及对应亚基功能上存在差异。如在大肠杆菌（革兰氏阴性菌）中，β′亚基最大且参与 RNAP 与 DNA 结合；而在枯草芽孢杆菌（革兰氏阳性菌）中，最大亚基为 β 且负责利福平抗性，第二大亚基 β′含有与 RNAP 相关的两个锌原子，且在链霉溶菌素抗性中起关键作用，显示出 β 和 β′亚基在两类细菌中功能的分化。

二、Sigma 因子的分类与功能特征

2.1 分类体系

Sigma 因子主要分为 σ⁷⁰家族和 σ⁵⁴家族。σ⁷⁰家族更为庞大且多样，进一步可分为管家型（如大肠杆菌的 σ⁷⁰、枯草芽孢杆菌的 σᴬ ）、应激响应型（如大肠杆菌的 σˢ、枯草芽孢杆菌的 σᴮ ）和胞外功能（ECF）型等亚类。σ⁵⁴家族则相对独特，在结构和功能上与 σ⁷⁰家族有明显区别。

2.2 革兰氏阴性菌中的 Sigma 因子

σ⁷⁰（管家型）：作为大肠杆菌等革兰氏阴性菌中最主要的 sigma 因子，识别典型的启动子 -10 区（TATAAT）和 -35 区（TTGACA），负责维持细胞基础代谢相关基因的转录，如参与碳源代谢、能量产生等过程的基因，确保细胞正常生长和存活。

σˢ（RpoS）：在对数生长后期及稳定期发挥重要作用，响应多种环境应激，如营养匮乏、氧化应激等。其识别的启动子 -10 区为 “CATAAT”， -35 区保守性较低。在应激条件下，σˢ大量表达，取代 σ⁷⁰与核心酶结合，启动一系列应激响应基因表达，帮助细菌适应不利环境，增强细胞在饥饿、高渗透压等条件下的生存能力。

σᴱ（RpoE）：属于 ECF sigma 因子，主要应对胞外膜相关应激，如外膜蛋白错误折叠、高温、洗涤剂等对细胞膜造成的损伤。识别的启动子 -10 区为 “GAACTT”， -35 区为 “TTGAA” 。激活后调控参与外膜蛋白修复、折叠及膜稳态维持的基因，如 ompC 等基因，以保护细胞膜完整性。

FliA（σ²⁸）：特异性调控细菌鞭毛合成相关基因转录，其识别的启动子 -10 区为 “CTAAA T”， -35 区为 “CCGATAA” 。在细菌运动性及趋化性中至关重要，通过精准调控鞭毛蛋白基因 fliC 等表达，控制鞭毛组装，使细菌能够响应环境信号进行移动。

2.3 革兰氏阳性菌中的 Sigma 因子

σᴬ（管家型）：类似于革兰氏阴性菌的 σ⁷⁰，在枯草芽孢杆菌等革兰氏阳性菌中负责看家基因转录，维持细胞基本生理功能，确保细胞正常生长、分裂及基础代谢活动。

σᴮ：是革兰氏阳性菌应对多种环境应激的关键 sigma 因子，如热休克、氧化应激、高渗透压等。识别的启动子 -10 区为 “CGTTG”， -35 区为 “GTGGAAT” 。当细菌遭遇应激时，σᴮ被激活，启动一系列应激响应基因表达，如调控渗透保护相关基因 opuCA，增强细胞对环境胁迫的耐受性。

ECF sigma 因子：

σᴹ：在枯草芽孢杆菌中，σᴹ响应细胞壁抗生素（如万古霉素）刺激，识别的启动子 -10 区为 “GTTT”， -35 区为 “TTGAAA” 。激活后调控青霉素结合蛋白基因 ponA，参与细胞壁修复与合成，以对抗抗生素对细胞壁的破坏。

σⱽ：特异性针对溶菌酶压力，识别的启动子 -10 区含 “GTTTA” 核心序列。激活肽聚糖 O - 乙酰转移酶基因 oatA 表达，增加细胞壁 O - 乙酰化修饰，增强细胞壁对溶菌酶的抗性。

σˢ：在金黄色葡萄球菌等革兰氏阳性菌中，σˢ在稳定期发挥作用，参与生物膜形成、毒力调控等过程。识别的启动子 -10 区为 “AT - rich” 序列， -35 区保守性较低。调控荚膜多糖基因 cap 和黏附蛋白基因 clfA 等，影响细菌在宿主体内的定植与感染能力。

三、启动子结构差异与 Sigma 因子识别

3.1 启动子核心结构

启动子是位于基因上游的一段 DNA 序列，是 RNA 聚合酶结合并起始转录的位点。对于 σ⁷⁰家族识别的启动子，核心结构包括 -10 区和 -35 区。 -10 区通常富含 AT 碱基，在革兰氏阴性菌中典型序列为 TATAAT，在革兰氏阳性菌中为 TAATAT 。 -35 区序列为 TTGACA，与 -10 区间隔约 17bp，二者共同构成 sigma 因子识别的关键元件。此外，部分启动子还存在扩展 -10 区，如枯草芽孢杆菌中一些启动子含 TGN 序列，可增强 RNAP 与启动子结合。

3.2 Sigma 因子 - 启动子识别特异性

不同 sigma 因子对启动子的识别具有高度特异性，这取决于 sigma 因子结构域与启动子特定序列的精确互作。例如，σ⁷⁰家族中，区域 2.4 负责识别启动子 -10 区，区域 4.2 识别 -35 区。在革兰氏阴性菌中，大肠杆菌的 σ⁷⁰精准识别典型的 -10 区和 -35 区序列启动管家基因转录；而其 σˢ因识别的启动子序列有别于 σ⁷⁰，在特定应激条件下，能引导 RNAP 启动应激基因转录。

革兰氏阳性菌中，枯草芽孢杆菌的 σᴮ识别的启动子序列与大肠杆菌 σ⁷⁰识别序列不同，这种差异使得 σᴮ仅在相应应激信号刺激下，激活特定的应激响应基因。对于 σ⁵⁴家族，识别 -24/-12 区（ consensus 序列为 GG - N₁₀ - GC），且需要特定激活蛋白协助，与 σ⁷⁰家族识别机制明显不同，如在霍乱弧菌中，σ⁵⁴参与氮代谢基因转录调控，识别相应特殊启动子序列。

四、革兰氏阳性菌与阴性菌差异总结

4.1 Sigma 因子种类与功能侧重

革兰氏阴性菌拥有较为多样的 sigma 因子，功能涵盖多种环境应激及复杂生理过程，如 σˢ、σᴱ、FliA 等分别应对不同类型应激及调控鞭毛合成等。而革兰氏阳性菌的 sigma 因子虽也参与应激响应，但在功能上相对更侧重细胞壁相关保护及芽孢形成等过程，如枯草芽孢杆菌的 σᴮ、σᴹ、σⱽ等在应对不同环境对细胞壁损伤及芽孢形成调控中起关键作用。

4.2 启动子结构与识别特点

革兰氏阴性菌启动子 -10 区和 -35 区序列相对保守，sigma 因子与启动子识别依赖典型的 -10 区和 -35 区序列互作。革兰氏阳性菌启动子 -35 区保守性较低，部分启动子依赖扩展 -10 区增强与 sigma 因子结合，如枯草芽孢杆菌中部分启动子通过 TGN motif 与 RNAP 稳定结合。

五、常见σ因子识别的启动子

σ⁷⁰家族

大肠杆菌的 σ⁷⁰：识别典型的 σ⁷⁰依赖型启动子，这类启动子广泛存在于大肠杆菌众多管家基因中。如参与细胞基础代谢、生长与分裂等基本生命活动基因的启动子，其 -10 区为 TATAAT， -35 区为 TTGACA 。比如tac、lac启动子。

枯草芽孢杆菌的 σᴬ：识别与大肠杆菌 σ⁷⁰类似的管家基因启动子，虽然具体序列上可能存在种属差异，但均具备 -10 区和 -35 区的典型结构，比如Pgrac启动子。

大肠杆菌的 σˢ（RpoS）：识别的启动子属于应激响应型，其 -10 区为 “CATAAT” ， -35 区保守性较低。这类启动子调控的基因参与应对营养匮乏、氧化应激等环境压力，如在对数生长后期及稳定期激活相关应激基因表达。

大肠杆菌的 σᴱ（RpoE）：识别的启动子属于 ECF（胞外功能）型启动子， -10 区为 “GAACTT”， -35 区为 “TTGAA” 。相关启动子控制的基因主要参与应对外膜蛋白错误折叠、高温、洗涤剂等对细胞膜造成损伤的情况，如 ompC 基因的启动子。

枯草芽孢杆菌的 σᴮ：识别的启动子为应对环境胁迫的应激型启动子， -10 区为 “CGTTG”， -35 区为 “GTGGAAT” 。当枯草芽孢杆菌遭受热休克、氧化应激、高渗透压等环境压力时，此类启动子被激活，启动相应应激响应基因表达。

金黄色葡萄球菌的 σˢ：识别的启动子在细菌稳定期发挥作用，参与生物膜形成、毒力调控等过程。其 -10 区为 “AT - rich” 序列， -35 区保守性较低，如荚膜多糖基因 cap 和黏附蛋白基因 clfA 的启动子。

沙门氏菌的 FliA（σ²⁸）：识别的启动子属于鞭毛合成相关启动子， -10 区为 “CTAAA T”， -35 区为 “CCGATAA” 。该类启动子调控鞭毛蛋白基因 fliC 等表达，对沙门氏菌运动性及趋化性至关重要。

σ⁵⁴家族

霍乱弧菌的 σ⁵⁴：识别的启动子具有 -24/-12 区（ consensus 序列为 GG - N₁₀ - GC）。此类启动子控制的基因参与霍乱弧菌氮代谢过程，与 σ⁷⁰家族识别的启动子结构截然不同，且转录起始依赖特定激活蛋白。

喜温嗜酸硫杆菌中与 sox 硫氧化途径相关的 σ⁵⁴：识别包含转录起始位点、 -12 和 -24 区、调控蛋白 Tspr 结合序列 UAS 的启动子。在喜温嗜酸硫杆菌中，该启动子控制 sox 基因转录，在其独特的硫代谢过程中起关键作用。

其他特殊 sigma 因子

热纤梭菌的 σᴵ：识别的启动子结构较为特殊，其 C 端结构域（SigIC）与启动子 -35 元件通过独特的螺旋 - 转角 - 螺旋（HTH）及保守组氨酸与 DNA 大小沟相互作用，N 端结构域（SigIN）与 -10 元件的 CGWA 形成保守相互作用。此类启动子调控热纤梭菌纤维小体基因转录，在其利用木质纤维素过程中发挥关键转录调控作用。

天蓝色链霉菌的 sigma66（sigma hrdB）：识别 rrnD p2 和 dagA p4 启动子，这些启动子优先由指数相 RNAP 转录。

天蓝色链霉菌的 sigma46（sigma hrdD）：识别 actII - orf4 p 和 whiB p2 启动子，同样优先被指数相 RNAP 转录。

天蓝色链霉菌的 sigma52：识别 dagA p3 和 actIII px1 启动子，优先由固定相 RNAP 转录。

天蓝色链霉菌的 Sigma28（sigma sigE）：识别 hrdD p1、whiB p1 和 dagA p2 启动子，被指数相和固定相 RNAP 均等转录。

天蓝色链霉菌的一种新型 31 kDa 特异性因子：识别 actIII px2、glnR p2 和 hrdD p2 启动子，由静止期 RNAP 优先转录。

链霉菌 A3（2）的 σG：识别 PG45 和 PG54 启动子，其序列与枯草芽孢杆菌中一般应激反应 σ 因子 σB 识别的启动子共有序列相似。

Souce: 纽普生物 2025-07-23