大肠杆菌基因型及遗传符号说明系列二

1、抗药性相关的基因型

gyrA（Gyrase）

功能：gyrA基因表达 DNA促旋酶 A亚基。DNA促旋酶在 DNA复制时具有使 DNA解旋和回旋的作用。萘啶酮酸 （Nalidixic acid）、4-喹啉（ 4-Quinoline）等抗生素抑制 DNA促旋酶的活性是通过与促旋酶复合体 （A2B2）中的 A亚基的结合实现的。gyrA基因的变异使 DNA促旋酶 A亚基不能正常表达，萘啶酮酸和荧光喹啉等失去结合目标，从而使该基因型的菌株具有了对萘啶酮酸（Nalr）和荧光喹啉的抗性。

rpsL（Ribosomal protein small subunit）

功能：细胞中的核糖体是蛋白质生物合成的场所，大肠杆菌细胞中的核糖体包含两个亚基，即 50S亚基（23SrRNA、5SrRNA、34种蛋白质）和 30S亚基 [16SrRNA、21种蛋白质（S1~S21）].rpsL基因就是表达核糖体 30S亚基中的 S12蛋白质，S12蛋白作用于翻译的开始阶段。链霉素（ Streptomycin）等抗生素的作用位点就是核糖体 30S亚基上的 S12蛋白质，正常情况下链霉素与 S12蛋白结合使蛋白质的生物合成不能进行，细胞停止生长。 rpsL基因的变异使链霉素失去结合位点，从而使该基因型的菌株具有了对链霉素的抗性（Str r）。

Tn5（Transposon）

功能：在原核生物和真核生物基因组中都存在有可移动的 DNA序列，一般称这段序列为转座子或转位基因，转座子上通常带有抗药性基因。 Tn5是载有卡那霉素（ Kanamycine）抗性基因的转座子，当Tn5转位到大肠杆菌基因组时，能使此菌株获得卡那霉素的抗性（Kmr）。

Tn10（Transposon）

功能：Tn10是载有四环素（ tetracycline）抗性基因的转座子。当 Tn10转位至大肠杆菌基因组时，能使此菌株获得四环素的抗性 （Tet r）。

2、能量代谢相关的基因型

lacZ（Lactose）

功能：lacZ基因是大肠杆菌中 lac操纵子的结构基因，表达β-半乳糖苷酶，分解乳糖为半乳糖苷。β-半乳糖苷酶是由四个相同的亚基组成的，每个亚基又包含两个片断，即α片断和ω片断，只有这两种片断同时存在时，β -半乳糖苷酶才表现出活性。lacZ基因的变异或缺失将直接导致β-半乳糖苷酶活性缺失，细胞在只有乳糖作为碳源的培养基中不能生长，由此可以进行菌株的筛选和纯化。

lacZ M15（Lactose）

功能：lacZM15是表达β -半乳糖苷酶α片断的一段基因，当 M15缺失（△ M15）时， lacZ基因虽然能表达ω片断，但不能表达α片断，β -半乳糖苷酶没有活性。当带有 lacZ（α片断）基因的 lac操纵子通过载体 DNA（如 pUC19 DNA）转化到 lacZ△M15基因型的细胞 （如 E.coli JM109）时，在有 IPTG （异丙基-β-D-1-硫代半乳糖苷） 存在的情况下， β-半乳糖苷酶表现出活性，它能分解 X-gal （半乳糖类似物），使其呈现蓝色。因此可以通过平板上的蓝白菌落进行克隆体的鉴定。

lacI q（Lactose）

功能：lacI是大肠杆菌中 lac操纵子（ Operon）的调节基因，它所表达的阻遏蛋白是 lac操纵基因（Operator）的抑制因子，这种阻遏蛋白能与过量的乳糖结合而失去对操纵基因的抑制，使 lac 操纵子上的结构基因 lacZ（β-半乳糖苷酶）、lacY（透性酶 ）、lacA（乙酰基转移梅）得以正常表达。IPTG（异丙基 -β-D-1-硫代半乳糖苷） 作为乳糖的类似物与 lacI阻遏蛋白结合而使操纵基因不被抑制，因此 IPTG经常作为 lac 操纵子的诱导剂而使用。基因型 lacIq是 lacI基因发生变异而使其大量（ quantity）的表达阻遏蛋白，从而使 lac操纵基因几乎完全被抑制。利用这种基因型的菌株进行基因表达时，可以使目的基因的表达得到更有效的人为控制。

ara（Arabinose）

功能：ara基因表达阿拉伯糖代谢所需的各种酶，包括： araA表达阿拉伯糖异构酶、 araB表达核酮糖激酶、araC表达阻遏蛋白（起调节作用）， araD表达 L-核酮糖-4-磷酸差向异构酶、araE表达低亲和型 L-阿拉伯糖转运蛋白、araF表达 L-阿拉伯糖结合蛋白、araG表达高亲和性的 L-阿拉伯糖转运蛋白。ara基因的变异，使细胞不能利用阿拉伯糖进行能量代谢，可以利用此特性进行菌株筛选。

mtl（Mannitol）

功能：mtl基因包括 mtlA、mtlC、mtlD三种基因。 mtlA表达磷酸转移酶、mtlC表达阻遏蛋白（起调节作用）、mtlD表达甘露醇 -1-磷酸脱氢酶。mtl基因的变异使甘露醇代谢不能进行，细胞在以甘露醇作为唯一碳源的培养基中不能生长。

xyl（Xylose）

功能：xyl基因包含 xylA、xylB、xylR三种基因。xylA表达 D-木糖异构酶、xylB表达木酮糖激酶、xylR作为调节基因表达阻遏蛋白。xyl基因的变异使细胞不能以木糖作为碳源进行能量代谢。

gal（Galactose）

功能：gal基因表达半乳糖代谢所需的各种酶类及调节蛋白，包括： galE（17 min）表达尿苷二磷酸（UDG）半乳糖-4-差向异构酶、galK（17 min）表达半乳糖激酶、galP（64 min）表达半乳糖透性酶、galR（62 min）表达半乳糖操纵子的阻遏蛋白、galT（17 min）表达半乳糖-1-磷酸尿苷酰转移酶、galU（27 min）表达葡萄糖-1-磷酸尿苷酰转移酶。大肠杆菌 K12株中通常出现的基因型是 galK和 galT,由于这两种基因的变异使细胞不能直接利用半乳糖作为碳源。因此通过在昀小培养基中添加半乳糖与否，进行菌株筛选和基因型确认。

srl（Sorbitol）

功能：srl基因包含 srlA、srlC、srlD、srlR等基因。srlA表达磷酸转移系统相关的酶（葡萄糖醇-山梨醇透性酶、磷酸转移酶 II等）、srlD表达山梨醇-6-磷酸-2-脱氢酶、 srlC、R都是调控基因，表达葡萄糖醇操纵子的阻遏蛋白。 Srl基因的变异使细胞对山梨醇的吸收和利用受到阻害，在以山梨醇作为唯一碳源的培养基中，此基因型的菌株不能生长。

8、氨基酸代谢相关的基因型

gpt （Guanine-hypoxanthine phosphoribosyl transferase）

功能：gpt基因表达鸟嘌呤-次黄嘌呤磷酸核糖转移酶，参与鸟嘌呤代谢。gpt基因的变异使鸟嘌呤不能生物合成，对菌株筛选有利。

thyA （Thymine）

功能：thyA基因表达胸苷酸合成酶，参与胸腺嘧啶的代谢。thyA基因的变异可以利用胸腺嘧啶进行菌株筛选。

asd （Aspartate-semialdehyde dehydrogenase）

功能：asd基因表达天门冬氨酸半醛脱氢酶，催化如下反应：L天门冬氨酸-4-半醛 + 磷酸盐 + NADP+ = L-4-磷酸天门冬氨酸 +NADPH，此反应是氨基酸共同合成路径的第二步。 asd基因的变异使天门冬氨酸合成受阻，用最小培养基进行细胞培养时，需特别添加天门冬氨酸。

leuB （Leucine）

功能：leuB基因表达 3（β）-异丙基苹果酸脱氢酶，作用于亮氨酸生物合成的第二步，催化反应如下：3-羧基-2-羟基-4-甲基戊烯 + NAD+→3-羧基-4-甲基-2-氧戊烯 + NADH。leuB基因的变异导致亮氨酸生物合成受阻，在用昀小培养基进行细胞培养时，需特别添加亮氨酸。

proA （Proline）

功能：proA基因表达γ-谷氨酸磷酸还原酶，作用于脯氨酸生物合成的第二步，反应如下：L-谷氨酸-5-半醛 + 磷酸 + NADP+→L-γ-谷氨酸-5-磷酸盐 + NADPH 。proA基因的变异或缺失，使脯氨酸的生物合成受阻，在用昀小培养基培养细胞时需要特别添加脯氨酸。

proB （Proline）

功能：proB基因表达谷氨酸岩-5-磷酸激酶，它能催化三磷酸盐与谷氨酸盐结合形成谷氨酸-5-磷酸盐，是脯氨酸合成的第一步，反应如下： ATP +L-谷氨酸盐→ADP + L-谷氨酸-5-磷酸。proB基因的变异或缺失，使脯氨酸合成受阻，在用昀小培养基培养时需特别添加脯氨酸。

trpR（Tryptophan）

功能：trpR基因表达”trp操纵子“的阻遏蛋白，但这种阻遏蛋白不能单独与操纵子上的操纵基因结合，只有在L-色氨酸存在的情况下，首先与L-色氨酸结合成复合体，然后这个复合体才能与操纵基因相结合，对trp操纵子起抑制作用。吲哚丙酸盐（IPA）作为 L-色氨酸的类似物也能与这种阻遏蛋白结合，但其形成的复合体没有活性，不能与操纵基因结合，因此可以把吲哚丙酸盐（IPA）作为 trp操纵子表达的诱导剂。trpR基因的变异，使trp操纵子的阻遏蛋白不能表达，有利于trp操纵子的蛋白表达。

lys （Lysine）

功能：lys基因分布于大肠杆菌基因组图的 17-191 min的 5个位置上，包括 lysA （61 min）、lysC （91 min）、lysP （46 min）、lysT （17 min）、lysX （60 min），它们的功能如下： lysA表达二氨基庚二酸脱羧酶、lysC表达天冬氨酸激酶、lysP是调节赖氨酸转运的基因、转录赖氨酸 tRNA、lysX负责赖氨酸排泄。lys基因的变异使赖氨酸的生物合成不能进行，用最小养基培养时需额外添加赖氨酸。

metB（Methionine）

功能：metB基因表达胱硫醚γ-合成酶，催化反应如下：0-琥珀酰-L-高丝氨酸 + L-半胱氨酸→胱硫醚 + 琥珀酸盐，是甲硫氨酸生物合成的第二步。 metB基因的变异使甲硫氨酸的生物合成受阻，用昀小培养基培养时需特别添加甲硫氨酸。

cysB （Cysteine）

功能：cysB基因表达一种阻遏蛋白，对半胱氨酸生物合成所需的各种酶的表达起调节作用。 cysB基因的变异有利于半胱氨酸的生物合成。

thr（Thronine）

功能：thr包含三种基因，即 thrA、thrB和 thrC。thrA表达天冬氨酸激酶及Ⅰ-高丝氨酸脱氢酶，thrB表达高丝氨酸激酶，thrC表述苏氨酸合成酶。thr基因的变异使细胞不能合成苏氨酸，用最小培养基培养时需添加苏氨酸。

9、维生素代谢相关的基因型

bioH（Biotin）

功能：bioH基因所表达的蛋白有两种功能：①催化前生物素到生物素的转化；②对庚二酰 CoA（辅酶 A）有优先的阻害作用。bioH基因的变异使细胞不能自身合成生物素，在昀小培养基中必须添加生物素，细胞才能正常生长。

thi（Thiamin）

功能：thi基因包含有 thiA、thiB、thiC、thiD、thiK、thiL等。thiA表达硫氨素噻唑转运蛋白、thiB表达硫氨素磷酸盐焦磷酸化酶、 thiC表达硫氨素嘧啶转运蛋白、thiD表达磷酸甲基化嘧啶激酶、thiK表达硫氨素激酶、 thiL表达硫氨素甲磷酸激酶。thi的变异使硫氨素的生物合成不能进行，最小培养基中必须添加硫氨素（VB1），细胞才能正常生长。

10、蛋白酶相关的基因型

lon（long form）

功能：lon基因表达 ATP依赖型蛋白分解酶（La），它对外源的异型蛋白质具有特异性的分解作用。lon基因的变异或缺失，使细胞中的这种异型蛋白质分解酶不能得到表达，这对于保持克隆体目的蛋白的稳定是非常有利的。

ompT（Outer membrane protein）

功能：ompT基因表达特异性的外膜蛋白分解酶，它特异性地分解与细胞膜结合的含铁肠菌素受体蛋白。ompT基因的变异使膜结合性蛋白分解酶活性缺失，有利于融合蛋白的表达。

11、物质转运结合相关的基因型

tonA（Transport）=fhuA（Ferric hydroxamateuptake）

功能：tonA和 fhuA基因处于基因组图同一位点，它们的作用也相同，都是表达外膜受体蛋白。这种受体蛋白与铁络合物结合，并与 tonB蛋白相互协调作用，把铁化合物运至细胞质中。另外 tonA、B受体蛋白还能与大肠杆菌素 M、噬菌体 T1、T5、φ80等进行不可逆结合，而使细胞具有一定的抗菌作用。 tonA和 fhuA基因的变异使细胞对铁离子的吸收受到阻害，同时使细胞对某些抗菌素及噬菌体更敏感，有利于质粒转化和菌体筛选。

tsx（T-six）

功能：tsx基因表达 T6噬菌体和大肠杆菌素 K的受体蛋白，它结合于细胞膜的外表面，对 T6噬菌体和大肠杆菌素 K进入细胞起关键作用。另外 tsx受体蛋白还有与核苷酸特异性结合的功能，是核苷酸特异性运输通道的第一步，在核苷酸的吸收方面也起重要作用。tsx基因的变异使外界某些噬菌体及大肠杆菌素等对细胞的侵噬变得困难，有利于细胞基因组的稳定。

cysA （Cysteine）

功能：cysA基因表达硫酸盐/硫代硫酸盐转移蛋白，参与细胞对硫酸盐的吸收与转运，通过cysA蛋白转运的硫酸盐将参与半胱氨酸的生物合成。 cysA基因的变异使半胱氨酸的生物合成受到影响，在培养此基因型的菌株时要注意添加半胱氨酸。

12、其他

deoR （Deoxyribose）

功能：deoR是大肠杆菌中deo操纵子的调节基因，它表达的阻遏蛋白对deo操纵子具有重要的调控作用。deo操纵子位于大肠杆菌基因图谱 100 min的位置，它含有 deoA、deoB、deoC和deoD等结构基因，分别表达DNA代谢所需的酶类，即胸腺嘧啶磷酸化酶、磷酸转位酶、脱氧核糖磷酸醛缩酶和嘌呤核苷磷酸化酶。deoR基因的变异，使deo操纵子的阻遏蛋白不能表达，宿主细胞合成大量的dCTP,可以选择性地改善大分子DNA的转化。

traD（Transmissibility）

功能：traD基因不属于大肠杆菌基因组DNA范围，它是存在于F因子上的一段基因 traD基因在大肠杆菌的结合及 F因子的传递方面发挥作用。traD基因的变异使大肠杆菌细胞虽然能够结合，但F因子不能在细胞间发生转移，从而保证了宿主细胞和导入质粒的稳定性。

hflC（High frequence of lysogenization）

功能：hflC基因表达一种高效溶原蛋白，它能使λ-噬菌体侵入大肠杆菌细胞后与基因组DNA发生溶原反应，导致噬菌体DNA插入到细胞基因组DNA中。hflC基因的变异能避免上述的溶原反应，可以保持宿主基因组及插入质粒的稳定。

minA、B （Minicell）

功能：minA、B基因是促进微细胞 （不含DNA） 形成的相关基因。minA、B 基因的变异阻害了微细胞的形成，可以提高克隆体的表达效率。

relA（Relaxed）

功能：relA是松弛调节基因，对 RNA的合成具有调节抑制作用。同时 relA基因还表达 ATP：GTP3'-焦磷酸转移酶，负责在氨基酸饥饿状态下鸟苷 3',5'-二磷酸 （ppGpp） 的合成，以适应饥饿环境。 relA基因的变异对目的基因的转录有利。

glnV（Glutamine）

功能：glnV基因专门负责转录谷氨酸 tRNA（转运 RNA），glnV基因的变异使以谷氨酸为主的蛋白质的合成受到阻害。

tyrT（Tyrosine）

功能：tyrT基因专门负责转录酪氨酸 tRNA（转运 RNA），tyrT基因的变异使以酪氨酸为主的蛋白质的合成受阻。

使用时注意：

1.基因工程中，经常使用的大肠杆菌几乎都来自于 K-12菌株，最近也经常使用由B株及C株来源的大肠杆菌。

2.大肠杆菌 B株原来就为 lon-,另外 MV1184株不具有琥珀抑制基因 （Amber supperssor free），由于这些都是原始菌株所不具备的基因，因此不在基因型中加以表示，要注意。