基因的表達(dá)與調(diào)控-原核基因的表達(dá)調(diào)控模式課件

原核基因的表達(dá)調(diào)控原核生物基因表達(dá)調(diào)控是指通過多種機(jī)制控制基因轉(zhuǎn)錄和翻譯的過程，以適應(yīng)環(huán)境變化，保證細(xì)胞正常生長和繁殖。緒論分子基礎(chǔ)基因表達(dá)是生命活動的基礎(chǔ)，從DNA到蛋白質(zhì)的復(fù)雜過程，涉及多個層次的調(diào)控機(jī)制。原核生物原核生物的基因表達(dá)調(diào)控模式相對簡單，主要以操縱子模型為代表，體現(xiàn)快速響應(yīng)環(huán)境變化的能力。真核生物真核生物的基因表達(dá)調(diào)控更加復(fù)雜，涉及轉(zhuǎn)錄、翻譯、蛋白質(zhì)加工和轉(zhuǎn)運(yùn)等多個環(huán)節(jié)，體現(xiàn)精細(xì)的調(diào)控機(jī)制。研究意義深入研究基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制對于理解生命現(xiàn)象，以及開發(fā)新的藥物和治療方法具有重要意義?；虮磉_(dá)的概念遺傳信息傳遞基因表達(dá)是遺傳信息從DNA傳遞到蛋白質(zhì)的過程，將基因中的遺傳信息轉(zhuǎn)化為具有特定功能的蛋白質(zhì)。生命活動基礎(chǔ)基因表達(dá)是所有生命活動的基礎(chǔ)，控制著生物體的生長、發(fā)育、繁殖和各種生理功能。中心法則基因表達(dá)遵循中心法則，即DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄生成RNA，RNA翻譯生成蛋白質(zhì)?；虮磉_(dá)的調(diào)控意義11.適應(yīng)環(huán)境變化細(xì)胞通過調(diào)控基因表達(dá)來適應(yīng)環(huán)境變化，例如溫度、營養(yǎng)物質(zhì)、壓力等。22.維持細(xì)胞功能基因表達(dá)調(diào)控確保細(xì)胞正常生長、發(fā)育和維持功能。33.響應(yīng)外界信號基因表達(dá)調(diào)控響應(yīng)外界信號，例如激素、生長因子，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞間的相互作用。44.細(xì)胞分化基因表達(dá)調(diào)控決定不同細(xì)胞類型，例如神經(jīng)細(xì)胞、肌肉細(xì)胞、皮膚細(xì)胞。原核細(xì)胞基因表達(dá)的特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單原核細(xì)胞缺乏核膜和復(fù)雜的細(xì)胞器，基因表達(dá)過程相對簡單。轉(zhuǎn)錄和翻譯耦聯(lián)原核細(xì)胞中，轉(zhuǎn)錄和翻譯同時進(jìn)行，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的mRNA在翻譯之前不需要加工。多順反子mRNA一個mRNA分子可以編碼多個蛋白質(zhì)，節(jié)省了細(xì)胞資源。調(diào)控機(jī)制多樣原核細(xì)胞基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制靈活多樣，包括操縱子模型、全局調(diào)控等。RNA聚合酶的結(jié)構(gòu)和功能原核生物中，RNA聚合酶是一種復(fù)雜的酶，負(fù)責(zé)催化DNA轉(zhuǎn)錄為RNA的過程。它由五個亞基組成，分別為α，β，β'，ω和σ。核心酶（α2ββ'ω）具有催化活性，而σ亞基負(fù)責(zé)識別啟動子序列，將核心酶引導(dǎo)到基因的起始位點(diǎn)。σ亞基在轉(zhuǎn)錄起始后會從核心酶上脫落，并被其他σ因子替代，以調(diào)控不同基因的表達(dá)。啟動子的識別和結(jié)合1識別RNA聚合酶識別啟動子序列2結(jié)合RNA聚合酶與啟動子序列結(jié)合3打開RNA聚合酶打開DNA雙螺旋RNA聚合酶識別啟動子序列，并與之結(jié)合。啟動子序列通常包含一個-10框和一個-35框，分別位于轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游10個堿基對和35個堿基對處。RNA聚合酶通過識別這些序列，并與之結(jié)合，開啟轉(zhuǎn)錄過程。啟動子活性的調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄因子是蛋白質(zhì)，可結(jié)合啟動子并調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄速率。它們可以是激活蛋白或阻遏蛋白。環(huán)境變化溫度、營養(yǎng)物質(zhì)可用性等因素會影響啟動子活性。例如，當(dāng)細(xì)菌暴露于高濃度的乳糖時，乳糖操縱子的啟動子活性增加。轉(zhuǎn)錄因子的識別和結(jié)合1識別位點(diǎn)轉(zhuǎn)錄因子識別并結(jié)合到DNA上的特定序列，稱為識別位點(diǎn)，通常位于基因的啟動子區(qū)域。2結(jié)合親和力轉(zhuǎn)錄因子與識別位點(diǎn)的結(jié)合親和力取決于轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)以及識別位點(diǎn)的序列和結(jié)構(gòu)。3結(jié)合模式轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合到DNA上后，可以改變DNA的結(jié)構(gòu)，從而影響RNA聚合酶與啟動子的結(jié)合，從而影響基因的轉(zhuǎn)錄效率。轉(zhuǎn)錄因子活性的調(diào)控11.結(jié)合位點(diǎn)轉(zhuǎn)錄因子與DNA結(jié)合的位點(diǎn)，可影響其活性。22.修飾轉(zhuǎn)錄因子的磷酸化、乙酰化等修飾，可調(diào)節(jié)其活性。33.蛋白相互作用與其他蛋白質(zhì)的相互作用，可以激活或抑制轉(zhuǎn)錄因子的活性。44.環(huán)境因素溫度、pH值等環(huán)境因素，也可影響轉(zhuǎn)錄因子的活性。轉(zhuǎn)錄延伸和終止的調(diào)控轉(zhuǎn)錄延伸是RNA聚合酶沿著DNA模板移動，合成RNA的過程，它受到多種因素的調(diào)控，包括蛋白質(zhì)、RNA、核苷酸等。1轉(zhuǎn)錄終止轉(zhuǎn)錄終止信號的識別和結(jié)合2轉(zhuǎn)錄延伸RNA聚合酶的穩(wěn)定性、速度和方向的調(diào)節(jié)3轉(zhuǎn)錄起始RNA聚合酶與啟動子的結(jié)合轉(zhuǎn)錄終止是RNA聚合酶從DNA模板上分離，結(jié)束轉(zhuǎn)錄的過程，它由終止信號識別和結(jié)合所驅(qū)動，在轉(zhuǎn)錄過程中起著重要的作用。翻譯的起始調(diào)控核糖體結(jié)合位點(diǎn)核糖體結(jié)合位點(diǎn)（RBS）位于起始密碼子AUG上游，與核糖體小亞基結(jié)合，起始翻譯過程。起始因子起始因子（IF）在翻譯起始中扮演重要角色，包括識別RBS、引導(dǎo)mRNA與核糖體結(jié)合以及起始密碼子AUG的識別。起始密碼子起始密碼子AUG是翻譯起始的信號，決定蛋白質(zhì)合成的起始氨基酸，通常為甲硫氨酸。翻譯起始復(fù)合物翻譯起始復(fù)合物由mRNA、核糖體、起始因子和起始密碼子組成，形成翻譯起始的平臺。翻譯效率的調(diào)控核糖體結(jié)合位點(diǎn)核糖體結(jié)合位點(diǎn)（Shine-Dalgarno序列）影響mRNA與核糖體的結(jié)合效率。序列越匹配，結(jié)合越緊密，翻譯效率越高。mRNA二級結(jié)構(gòu)mRNA的二級結(jié)構(gòu)，如莖環(huán)結(jié)構(gòu)，影響核糖體結(jié)合位點(diǎn)暴露程度。結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，結(jié)合越困難，翻譯效率越低。tRNA豐度tRNA的豐度直接影響對應(yīng)密碼子的翻譯速度。tRNA豐度越高，翻譯速度越快，效率越高。蛋白質(zhì)降解蛋白質(zhì)降解速率影響最終蛋白質(zhì)的產(chǎn)量。降解速度越快，蛋白質(zhì)產(chǎn)量越低，翻譯效率越低。蛋白質(zhì)加工和轉(zhuǎn)運(yùn)的調(diào)控蛋白質(zhì)折疊蛋白質(zhì)的正確折疊對于其功能至關(guān)重要，錯誤折疊會導(dǎo)致蛋白質(zhì)功能喪失或形成聚集體。翻譯后修飾蛋白質(zhì)在翻譯后會發(fā)生多種修飾，如磷酸化、糖基化和甲基化，這些修飾會影響蛋白質(zhì)的活性、穩(wěn)定性和定位。蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白質(zhì)被轉(zhuǎn)運(yùn)到其目的地需要特定的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制，例如通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-高爾基體途徑或通過蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)器。穩(wěn)定性調(diào)控蛋白質(zhì)降解蛋白質(zhì)降解是通過蛋白酶體進(jìn)行的，蛋白酶體通過識別和降解錯誤折疊或不再需要的蛋白質(zhì)來控制蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性。mRNA降解mRNA降解是通過核酸酶進(jìn)行的，核酸酶識別和降解不再需要的mRNA，從而控制蛋白質(zhì)的表達(dá)水平。小RNA調(diào)控小RNA，如miRNA和siRNA，通過結(jié)合mRNA并抑制翻譯或促進(jìn)降解來調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)穩(wěn)定性，從而影響蛋白質(zhì)的表達(dá)水平。操縱子模型操縱子模型是原核生物基因表達(dá)調(diào)控的一個基本模型，它描述了多個基因協(xié)同表達(dá)的機(jī)制。操縱子是一個基因簇，它包含了控制這些基因表達(dá)的所有元件，包括啟動子、操縱基因和結(jié)構(gòu)基因。操縱子模型揭示了原核生物基因表達(dá)的靈活性，例如，細(xì)菌可以通過調(diào)節(jié)操縱基因來控制多個基因的表達(dá)。正調(diào)控操縱子正調(diào)控蛋白正調(diào)控蛋白結(jié)合在啟動子區(qū)域，促進(jìn)RNA聚合酶的結(jié)合，提高基因轉(zhuǎn)錄效率。激活基因表達(dá)正調(diào)控操縱子中，調(diào)控蛋白的存在可以激活基因的表達(dá)，例如乳糖操縱子中，乳糖的存在激活了乳糖分解酶的合成。正調(diào)控作用正調(diào)控蛋白可以促進(jìn)啟動子的活性，使基因表達(dá)水平上升，從而滿足細(xì)胞的代謝需求。負(fù)調(diào)控操縱子抑制蛋白抑制蛋白與操縱子結(jié)合，阻斷RNA聚合酶結(jié)合到啟動子上，阻止基因轉(zhuǎn)錄。抑制蛋白通常由調(diào)節(jié)基因編碼。誘導(dǎo)劑誘導(dǎo)劑可以與抑制蛋白結(jié)合，改變其構(gòu)象，使其無法與操縱子結(jié)合，從而解除抑制，使基因轉(zhuǎn)錄。乳糖操縱子乳糖操縱子是負(fù)調(diào)控操縱子的經(jīng)典例子，乳糖作為誘導(dǎo)劑，使乳糖代謝相關(guān)基因表達(dá)。缺陷調(diào)控操縱子定義缺陷調(diào)控操縱子是指調(diào)控基因產(chǎn)物本身不能直接與操縱子結(jié)合，而是通過與其他蛋白質(zhì)或小分子物質(zhì)結(jié)合后改變構(gòu)象，進(jìn)而間接調(diào)控操縱子。特點(diǎn)缺陷調(diào)控操縱子通常涉及一種被稱為"缺陷調(diào)節(jié)因子"的蛋白質(zhì)，其活性受到其他因素的影響，如代謝產(chǎn)物或環(huán)境條件的變化。全局調(diào)控11.協(xié)調(diào)性全局調(diào)控涉及多種基因和蛋白質(zhì)，協(xié)調(diào)多種代謝途徑，維持細(xì)胞功能平衡。22.適應(yīng)性細(xì)胞能夠根據(jù)環(huán)境變化，調(diào)整基因表達(dá)模式，適應(yīng)不同的生存環(huán)境。33.復(fù)雜性全局調(diào)控通常涉及多種調(diào)控因子和信號通路，形成復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，調(diào)節(jié)基因表達(dá)。44.重要性全局調(diào)控對細(xì)胞生長、發(fā)育、繁殖、免疫等過程都至關(guān)重要。生物膜上的信號傳導(dǎo)信號分子結(jié)合信號分子與膜受體結(jié)合，觸發(fā)一系列信號傳遞事件。信號轉(zhuǎn)導(dǎo)膜受體激活下游信號通路，如G蛋白偶聯(lián)受體或酪氨酸激酶受體。信號放大信號在傳遞過程中被放大，確保細(xì)胞對信號的敏感性。細(xì)胞反應(yīng)信號通路最終導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生特定反應(yīng)，如基因表達(dá)變化或蛋白質(zhì)合成改變。二級信使的作用信號放大二級信使將信號放大，提高信號強(qiáng)度。信號傳遞二級信使負(fù)責(zé)傳遞信號，將信號傳遞至靶蛋白。調(diào)節(jié)細(xì)胞活動二級信使最終調(diào)節(jié)細(xì)胞的多種活動，如基因表達(dá)，細(xì)胞生長和代謝。蛋白質(zhì)磷酸化調(diào)控磷酸化磷酸基團(tuán)添加到蛋白質(zhì)上的過程，通常發(fā)生在絲氨酸、蘇氨酸或酪氨酸殘基上。激酶催化磷酸基團(tuán)添加到蛋白質(zhì)的酶。磷酸酶催化磷酸基團(tuán)從蛋白質(zhì)上移除的酶。調(diào)控機(jī)制磷酸化可以改變蛋白質(zhì)的構(gòu)象、活性、穩(wěn)定性和與其他蛋白質(zhì)的相互作用?；蛘{(diào)控網(wǎng)絡(luò)基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)是指細(xì)胞內(nèi)基因表達(dá)的相互作用關(guān)系，是一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，涉及各種分子之間的相互作用?；蛘{(diào)控網(wǎng)絡(luò)控制著生物體的生長發(fā)育、代謝、免疫等生命活動，在維持細(xì)胞和生物體的正常功能方面發(fā)揮著重要作用。細(xì)菌基因表達(dá)的特點(diǎn)多順反子轉(zhuǎn)錄一個啟動子控制多個基因的轉(zhuǎn)錄，形成多順反子mRNA。轉(zhuǎn)錄和翻譯耦聯(lián)細(xì)菌的轉(zhuǎn)錄和翻譯過程同時進(jìn)行，mRNA在翻譯的同時仍在進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。翻譯起始位點(diǎn)細(xì)菌mRNA上的翻譯起始位點(diǎn)通常位于Shine-Dalgarno序列附近，該序列與核糖體小亞基結(jié)合。大腸桿菌的基因表達(dá)調(diào)控乳糖操縱子乳糖操縱子是研究最深入的原核基因表達(dá)調(diào)控模型。該操縱子控制著乳糖代謝相關(guān)基因的表達(dá)，包括乳糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、β-半乳糖苷酶和轉(zhuǎn)乙酰酶。在乳糖存在的情況下，乳糖會結(jié)合到阻遏蛋白上，使阻遏蛋白失去與啟動子的結(jié)合能力，從而啟動乳糖代謝相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄。色氨酸操縱子色氨酸操縱子是另一個重要的原核基因表達(dá)調(diào)控模型，控制著色氨酸生物合成相關(guān)基因的表達(dá)。當(dāng)色氨酸水平較高時，色氨酸會結(jié)合到阻遏蛋白上，使阻遏蛋白與啟動子結(jié)合，從而抑制色氨酸生物合成相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄。真核細(xì)胞基因表達(dá)調(diào)控概述11.多層次調(diào)控真核細(xì)胞基因表達(dá)調(diào)控非常復(fù)雜，涉及多個層次，包