原核生物基因表達(dá)調(diào)控課件

原核生物基因表達(dá)調(diào)控原核生物基因表達(dá)調(diào)控是生命科學(xué)領(lǐng)域的重要研究方向。原核生物的基因表達(dá)受到多種因素的調(diào)節(jié)，包括環(huán)境變化、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可用性、毒素存在等。課程導(dǎo)言課程目標(biāo)深入了解原核生物基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制。課程內(nèi)容涵蓋轉(zhuǎn)錄、翻譯、蛋白質(zhì)降解等方面的調(diào)控機(jī)制。學(xué)習(xí)方法課堂講授、課后練習(xí)、小組討論，以及文獻(xiàn)閱讀。評(píng)估方式平時(shí)作業(yè)、期中考試和期末考試。生物分子中的遺傳信息DNA脫氧核糖核酸，攜帶遺傳信息，決定生物性狀。RNA核糖核酸，參與遺傳信息的傳遞和蛋白質(zhì)合成。蛋白質(zhì)執(zhí)行生物體的多種功能，由氨基酸組成，結(jié)構(gòu)多樣。遺傳信息的中心法則11.DNA復(fù)制DNA作為遺傳物質(zhì)，能夠自我復(fù)制，保證遺傳信息的穩(wěn)定傳遞。22.RNA轉(zhuǎn)錄DNA中的遺傳信息被轉(zhuǎn)錄為RNA，作為蛋白質(zhì)合成的模板。33.蛋白質(zhì)翻譯RNA中的遺傳信息被翻譯成蛋白質(zhì)，執(zhí)行生物體內(nèi)的各種功能。DNA復(fù)制DNA復(fù)制是生物體遺傳信息傳遞的基礎(chǔ)過(guò)程。DNA復(fù)制過(guò)程十分精確，確保新形成的DNA分子與原DNA分子完全一致，保證遺傳信息的準(zhǔn)確傳遞。1解旋DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)解開2引物合成RNA引物引導(dǎo)DNA聚合酶3延伸DNA聚合酶催化DNA鏈的合成4校對(duì)DNA聚合酶檢查并修復(fù)錯(cuò)誤RNA轉(zhuǎn)錄1啟動(dòng)RNA聚合酶識(shí)別并結(jié)合到DNA模板的啟動(dòng)子上，打開DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。2延伸RNA聚合酶沿著模板鏈移動(dòng)，以核苷酸為原料合成與模板鏈互補(bǔ)的RNA鏈。3終止RNA聚合酶遇到終止信號(hào)，釋放RNA轉(zhuǎn)錄本并從DNA模板上脫落。轉(zhuǎn)錄調(diào)控的基本過(guò)程轉(zhuǎn)錄調(diào)控是原核生物基因表達(dá)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，涉及多種復(fù)雜的機(jī)制，包括轉(zhuǎn)錄抑制、轉(zhuǎn)錄激活和調(diào)控蛋白與DNA結(jié)合的競(jìng)爭(zhēng)等。1轉(zhuǎn)錄起始RNA聚合酶識(shí)別啟動(dòng)子序列，開始轉(zhuǎn)錄過(guò)程。2轉(zhuǎn)錄延伸RNA聚合酶沿模板鏈移動(dòng)，合成新的RNA鏈。3轉(zhuǎn)錄終止RNA聚合酶遇到終止子序列，停止轉(zhuǎn)錄。轉(zhuǎn)錄調(diào)控的這些基本過(guò)程，通過(guò)對(duì)RNA聚合酶的活性進(jìn)行精細(xì)調(diào)控，最終決定了基因表達(dá)的效率和特異性，從而影響細(xì)胞的生長(zhǎng)、代謝和應(yīng)激反應(yīng)等重要的生命活動(dòng)。轉(zhuǎn)錄抑制阻遏蛋白結(jié)合阻遏蛋白結(jié)合在啟動(dòng)子區(qū)域，阻礙RNA聚合酶結(jié)合，抑制轉(zhuǎn)錄起始。DNA結(jié)構(gòu)改變一些抑制因子通過(guò)改變DNA結(jié)構(gòu)，例如形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，阻止轉(zhuǎn)錄起始。RNA降解一些抑制因子能識(shí)別并降解RNA，導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物減少。轉(zhuǎn)錄激活正調(diào)節(jié)蛋白正調(diào)節(jié)蛋白與啟動(dòng)子區(qū)域結(jié)合，促進(jìn)RNA聚合酶的結(jié)合和轉(zhuǎn)錄。激活蛋白可以增強(qiáng)RNA聚合酶的活性，提高轉(zhuǎn)錄效率。激活因子激活因子可以與RNA聚合酶或其他轉(zhuǎn)錄因子相互作用，增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄復(fù)合物的形成。激活因子可以改變DNA結(jié)構(gòu)，使啟動(dòng)子區(qū)域更容易被RNA聚合酶識(shí)別和結(jié)合。谷氨酰胺合成酶的表達(dá)調(diào)控11.代謝物反饋抑制谷氨酰胺合成酶的活性受其產(chǎn)物谷氨酰胺的抑制，這是典型的負(fù)反饋調(diào)控機(jī)制。22.轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控谷氨酰胺合成酶基因的轉(zhuǎn)錄受多種因素影響，例如氮源的可用性，磷酸鹽濃度，以及其他信號(hào)分子。33.翻譯水平調(diào)控谷氨酰胺合成酶的翻譯過(guò)程也受到調(diào)控，例如通過(guò)mRNA二級(jí)結(jié)構(gòu)或順式作用元件。44.蛋白質(zhì)降解谷氨酰胺合成酶的降解速率也受調(diào)控，以確保其水平與細(xì)胞需求相匹配。lac操縱子的調(diào)控機(jī)制lac操縱子結(jié)構(gòu)lac操縱子由三個(gè)結(jié)構(gòu)基因組成，分別編碼β-半乳糖苷酶、透酶和轉(zhuǎn)乙酰酶。這些基因的表達(dá)受一個(gè)啟動(dòng)子、一個(gè)操縱子和一個(gè)調(diào)節(jié)基因的控制。調(diào)節(jié)基因編碼lac阻遏蛋白，該蛋白可以結(jié)合到操縱子上，阻斷RNA聚合酶與啟動(dòng)子的結(jié)合，從而抑制基因的表達(dá)。lac操縱子的調(diào)控機(jī)制當(dāng)培養(yǎng)基中存在乳糖時(shí)，乳糖會(huì)與lac阻遏蛋白結(jié)合，改變其構(gòu)象，使之不能與操縱子結(jié)合。此時(shí)，RNA聚合酶可以結(jié)合到啟動(dòng)子上，啟動(dòng)lac操縱子的轉(zhuǎn)錄，從而合成三種酶，將乳糖分解成葡萄糖和半乳糖，供細(xì)菌利用。細(xì)菌基因表達(dá)的其他調(diào)控機(jī)制轉(zhuǎn)錄后調(diào)控影響mRNA的穩(wěn)定性、翻譯效率和蛋白質(zhì)降解。翻譯水平調(diào)控通過(guò)調(diào)節(jié)核糖體結(jié)合位點(diǎn)或翻譯起始因子的活性來(lái)控制蛋白質(zhì)合成的效率。蛋白質(zhì)水平調(diào)控蛋白質(zhì)降解、折疊和修飾等過(guò)程也會(huì)影響基因表達(dá)的最終結(jié)果。RNA調(diào)控一些非編碼RNA分子，例如小RNA，可以調(diào)控基因表達(dá)。操縱子概念的擴(kuò)展多基因操縱子一些基因表達(dá)調(diào)控的復(fù)雜性可以用多基因操縱子來(lái)解釋。調(diào)控網(wǎng)絡(luò)多個(gè)操縱子之間相互作用形成調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的基因表達(dá)控制。級(jí)聯(lián)調(diào)控某些情況下，一個(gè)基因的表達(dá)產(chǎn)物可以作為另一個(gè)基因的調(diào)控因子，形成級(jí)聯(lián)調(diào)控機(jī)制。環(huán)境信號(hào)對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控環(huán)境變化細(xì)菌能夠感知周圍環(huán)境的變化，例如溫度、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和氧氣濃度等。信號(hào)傳導(dǎo)細(xì)菌通過(guò)特定的感受器蛋白感知環(huán)境信號(hào)，并將信號(hào)傳遞到細(xì)胞內(nèi)部。基因表達(dá)調(diào)節(jié)信號(hào)傳遞會(huì)啟動(dòng)一系列的基因表達(dá)調(diào)控，以適應(yīng)環(huán)境變化。二成分信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)傳感器激酶位于細(xì)胞膜上，感知環(huán)境信號(hào)，例如營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、溫度、滲透壓等。磷酸化傳感器激酶被激活后，將自身磷酸化。應(yīng)答調(diào)節(jié)蛋白位于細(xì)胞質(zhì)中，與磷酸化的傳感器激酶結(jié)合，并被磷酸化?；虮磉_(dá)調(diào)控磷酸化的應(yīng)答調(diào)節(jié)蛋白可以結(jié)合到靶基因的啟動(dòng)子上，調(diào)節(jié)基因表達(dá)。碳源代謝的調(diào)控碳源利用優(yōu)先級(jí)細(xì)菌優(yōu)先利用葡萄糖等易利用的碳源，當(dāng)葡萄糖耗盡時(shí)，才會(huì)利用其他碳源。碳源限制碳源缺乏時(shí)，細(xì)菌會(huì)啟動(dòng)應(yīng)激反應(yīng)，降低代謝活性，并激活相關(guān)基因。碳源利用調(diào)控機(jī)制細(xì)菌通過(guò)轉(zhuǎn)錄調(diào)控和代謝途徑調(diào)控，來(lái)適應(yīng)不同的碳源環(huán)境。細(xì)菌生長(zhǎng)時(shí)期的基因表達(dá)調(diào)控1延滯期細(xì)菌適應(yīng)環(huán)境，合成酶類。2對(duì)數(shù)期細(xì)菌快速繁殖，大量合成蛋白質(zhì)。3穩(wěn)定期細(xì)菌生長(zhǎng)速度減慢，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消耗。4衰亡期細(xì)菌死亡數(shù)量大于增殖數(shù)量。不同生長(zhǎng)時(shí)期，細(xì)菌的基因表達(dá)模式不同。延滯期，細(xì)菌合成適應(yīng)環(huán)境的酶類。對(duì)數(shù)期，細(xì)菌快速合成與繁殖相關(guān)的蛋白質(zhì)。穩(wěn)定期，細(xì)菌合成與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)利用相關(guān)的酶類。衰亡期，細(xì)菌合成與應(yīng)激反應(yīng)相關(guān)的蛋白質(zhì)。細(xì)菌細(xì)胞周期的基因表達(dá)調(diào)控1復(fù)制起始細(xì)菌細(xì)胞周期開始于DNA復(fù)制的起始。在特定的時(shí)間點(diǎn)，細(xì)菌會(huì)啟動(dòng)DNA復(fù)制，復(fù)制出新的染色體。2細(xì)胞分裂完成DNA復(fù)制后，細(xì)菌開始進(jìn)行細(xì)胞分裂，形成兩個(gè)子細(xì)胞。在這個(gè)過(guò)程中，細(xì)胞會(huì)合成新的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜。3基因表達(dá)細(xì)胞周期中，細(xì)菌會(huì)表達(dá)一系列與細(xì)胞周期相關(guān)基因，例如DNA復(fù)制基因、細(xì)胞分裂基因等。細(xì)菌毒力因子表達(dá)的調(diào)控1環(huán)境感應(yīng)細(xì)菌通過(guò)感應(yīng)外界環(huán)境，例如宿主細(xì)胞的存在，來(lái)啟動(dòng)毒力因子的表達(dá)。2調(diào)控網(wǎng)絡(luò)毒力因子表達(dá)受多種調(diào)控網(wǎng)絡(luò)控制，包括轉(zhuǎn)錄因子、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑和群體感應(yīng)系統(tǒng)。3時(shí)間控制毒力因子表達(dá)在感染過(guò)程中的特定時(shí)間點(diǎn)被激活，以最大程度地提高細(xì)菌的致病性。4抗生素作用某些抗生素通過(guò)抑制毒力因子表達(dá)來(lái)減輕細(xì)菌感染。細(xì)菌抗藥性基因的表達(dá)調(diào)控抗生素壓力抗生素的存在會(huì)誘導(dǎo)抗藥性基因的表達(dá)，增強(qiáng)細(xì)菌的抗藥性?；蛲蛔兓蛲蛔儗?dǎo)致抗生素靶點(diǎn)的改變，使細(xì)菌不再受抗生素的影響?；蛩睫D(zhuǎn)移細(xì)菌之間可以進(jìn)行基因水平轉(zhuǎn)移，將抗藥性基因傳播到其他細(xì)菌中。細(xì)菌二級(jí)代謝產(chǎn)物的表達(dá)調(diào)控生物合成途徑細(xì)菌的二級(jí)代謝產(chǎn)物通常是生物合成途徑的結(jié)果，這些途徑由多個(gè)基因控制。環(huán)境信號(hào)細(xì)菌通過(guò)感知環(huán)境變化，例如營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的可用性和種群密度，來(lái)調(diào)節(jié)二級(jí)代謝產(chǎn)物的合成。調(diào)控機(jī)制表達(dá)調(diào)控機(jī)制包括轉(zhuǎn)錄控制、翻譯控制以及蛋白降解控制。應(yīng)用了解二級(jí)代謝產(chǎn)物的表達(dá)調(diào)控對(duì)于開發(fā)新的抗生素和生物農(nóng)藥至關(guān)重要。原核生物基因工程中的表達(dá)調(diào)控表達(dá)水平的優(yōu)化基因工程中，提高目的蛋白的表達(dá)水平至關(guān)重要。優(yōu)化啟動(dòng)子序列提高核糖體結(jié)合位點(diǎn)的效率使用強(qiáng)啟動(dòng)子蛋白質(zhì)折疊和分泌的調(diào)控基因工程中，蛋白正確折疊和分泌是關(guān)鍵。引入伴侶蛋白優(yōu)化信號(hào)肽序列選擇合適的表達(dá)宿主表達(dá)水平的優(yōu)化優(yōu)化啟動(dòng)子選擇強(qiáng)啟動(dòng)子，提高基因轉(zhuǎn)錄效率，提升蛋白質(zhì)產(chǎn)量。優(yōu)化核糖體結(jié)合位點(diǎn)改善核糖體結(jié)合位點(diǎn)，提高翻譯效率，增強(qiáng)蛋白質(zhì)合成。優(yōu)化基因序列優(yōu)化密碼子使用頻率，提高基因翻譯效率，提升蛋白質(zhì)產(chǎn)量。優(yōu)化培養(yǎng)條件選擇最佳培養(yǎng)基，控制合適的溫度、pH、溶氧，提高蛋白質(zhì)表達(dá)水平。蛋白質(zhì)折疊和分泌的調(diào)控蛋白質(zhì)折疊蛋白質(zhì)折疊是一個(gè)復(fù)雜的生物過(guò)程，蛋白質(zhì)鏈會(huì)從線性結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樘囟ǖ娜S結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)其生物功能。蛋白質(zhì)分泌許多蛋白質(zhì)需要分泌到細(xì)胞外才能發(fā)揮作用，這需要通過(guò)特定的分泌途徑進(jìn)行。分子伴侶的作用分子伴侶是一類蛋白質(zhì)，它們可以幫助其他蛋白質(zhì)正確折疊，并防止它們錯(cuò)誤折疊或聚集。應(yīng)用實(shí)例:重組蛋白的高效表達(dá)重組蛋白的高效表達(dá)是生物技術(shù)領(lǐng)域的重點(diǎn)，在醫(yī)藥、工業(yè)和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。通過(guò)基因工程技術(shù)，將外源基因?qū)胨拗骷?xì)胞，可以實(shí)現(xiàn)重組蛋白的大量生產(chǎn)。為了提高重組蛋白的表達(dá)效率，需要優(yōu)化多種因素，例如基因表達(dá)載體、宿主菌株、培養(yǎng)條件等。例如，選擇強(qiáng)啟動(dòng)子、優(yōu)化基因序列、提高蛋白質(zhì)穩(wěn)定性等措施都可以顯著提高重組蛋白的產(chǎn)量。應(yīng)用實(shí)例:細(xì)菌代謝工程細(xì)菌代謝工程旨在通過(guò)基因工程技術(shù)，改造細(xì)菌的代謝途徑，以生產(chǎn)有用的化合物或提高產(chǎn)物產(chǎn)量。例如，利用基因工程技術(shù)改造大腸桿菌的代謝途徑，使其能夠高效地生產(chǎn)生物燃料、生物塑料、藥物等重要物質(zhì)。未來(lái)展望新技術(shù)新的基因編輯技術(shù)、合成生物學(xué)等技術(shù)的應(yīng)用，將為原核生物基因表達(dá)調(diào)控研究帶來(lái)更多可能性。數(shù)據(jù)分析大數(shù)據(jù)分析和人工智能技術(shù)的應(yīng)用將進(jìn)一步推動(dòng)對(duì)原核生物基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制的深入理解。生物醫(yī)藥對(duì)原核生物基因表達(dá)調(diào)控的研究將為生物醫(yī)藥領(lǐng)域帶來(lái)新的治療方法和藥物開發(fā)?？偨Y(jié)與思考1基因調(diào)控的多樣性原核生物基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制復(fù)雜多樣，體現(xiàn)了生命體系的精妙。2環(huán)境適應(yīng)的重要性基因表達(dá)調(diào)控使得原核生物能夠適應(yīng)不斷變化的環(huán)境，并發(fā)揮各種生理功能。3研究的應(yīng)用價(jià)值對(duì)原核生物基因表達(dá)調(diào)控的研究，在生物工程和醫(yī)藥領(lǐng)域具有重要意義。4未來(lái)展望未來(lái)需要更深入地研究復(fù)雜調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，并應(yīng)用于解決生物醫(yī)藥、環(huán)境等重大問(wèn)題。參考文獻(xiàn)Watson,J.D.,etal.(2008).分子生物學(xué).科學(xué)出版社.Lodish,H.,etal.(2016).分子細(xì)胞生物學(xué).高等教育出版社.Alberts