Задачи: Дать характеристику особенностям экспрессии генов прокариот Тема: «Экспрессия генов прокариот» Пименов А.В. - презентация

1 Задачи: Дать характеристику особенностям экспрессии генов прокариот Тема: «Экспрессия генов прокариот» Пименов А.В.

2 1.Б.Глик, Дж.Пастернак. Молекулярная биотехнология, принципы и применение. Москва «Мир» А.Я.Николаев. Биологическая химия. Москва «Медицинское информационное агентство» М.Сингер, П.Берг. Гены и геномы. Москва «Мир» Н.А.Шишкинская. Словарь биологических терминов. Саратов, издательство «Лицей», 2005 Литература

3 Экспрессия генов Центральная догма молекулярной биологии: ДНК РНК белок.

4 Генетическая информация, заключенная в каждой соматической клетке многоклеточного организма, практически идентична. Экспрессия генетической информации должна регулироваться. Клетки млекопитающих обладают объемом генетической информации в 1000 раз большим, чем клетки Escherichia соli. Экспрессия генов прокариот

5 Cуществуют лишь два типа регуляции экспрессии генов позитивная и негативная. Когда благодаря действию специфических регуляторных элементов уровень экспрессии генетической информации количественно возрастает, регуляция называется позитивной. Если уровень экспрессии благодаря действию иных регуляторных элементов понижается, говорят о негативной регуляции. Регуляторный элемент или молекулу, участвующие в качестве «посредников» в негативной регуляции, называют негативными регуляторами; элементы, осуществляющие позитивную регуляцию позитивными регуляторами. Экспрессия генов прокариот

6 Перед тем как обратиться к регуляции экспрессии, необходимо остановиться на некоторых терминах, принятых для прокариотических систем. Цистрон наименьшая единица генетической экспрессии. Некоторые ферменты и белки состоят из нескольких неидентичных субъединиц. Таким образом, известная формула «один ген один фермент» не является абсолютно строгой. Цистрон это минимальная экспрессируемая генетическая единица, кодирующая одну субъединицу белковой молекулы. Поэтому вышеупомянутую формулу можно перефразировать как «один цистрон одна субъединица». Экспрессия генов прокариот

7 Lac-оперон. В 1961 г. Франсуа Жакоб и Жак Моно описали ставшую теперь классической модель оперона. Их концепция в значительной мере была основана на изучении регуляции метаболизма лактозы у кишечной палочки Е. coli. Молекулярный механизм регуляции генов, участвующих в метаболизме лактозы, на сегодняшний день наиболее изучен. Экспрессия генов прокариот

8 Ген LacZ отвечает за синтез фермент β-галактозидазы, гидролизующего лактозу до галактозы и глюкозы. Ген LacY отвечает за синтез пермеазы, осуществляющей активный транспорт галактозы в клетку. Функциональное значение гена LacА неизвестно. Экспрессия генов прокариот

9 Структурные гены трех соответствующих ферментов связаны физически и образуют так называемый Lac-оперон. Такая генетическая компоновка структурных и соответствующих регуляторных генов обеспечивает скоординированную экспрессию всех трех ферментов метаболизма лактозы. Все три гена транскрибируются в виде общей молекулы мРНК, содержащей независимые кодоны начала трансляции (AUG) и стоп- кодоны (UAA) для каждого цистрона. Экспрессия генов прокариот

10 Такой тип мРНК называется полицистронной мРНК. Образование полицистронных мРНК характерно главным образом для прокариотических организмов. У прокариот синтез всех видов РНК (мРНК, рРНК, тРНК) осуществляется единственным видом ферментов – ДНК-зависимой РНК-полимеразой. Экспрессия генов прокариот

11 Транскрипция – синтез РНК на матрице ДНК. РНК-полимераза может присоединиться только к промотору, который находится на 3'-конце матричной цепи ДНК, и двигаться только от 3'- к 5'-концу этой матричной цепи ДНК. Промотор имеет два сайта связывания для РНК-полимеразы. Один из ник обычно представляет собой нуклеотидную последовательность ТАТААТ АТАТТА ТАТА-бокс, или бокс Прибнова (аналог бокса Хогнесса эукариот) состоит из 6 или 7 пар оснований и расположен на расстоянии примерно 10 нуклеотидов до того нуклеотида, с которого начинается транскрипция. Экспрессия генов прокариот

12 Вторая последовательность ТТGAC ААCТG расположена на расстоянии примерно 35 нуклеотидов до сайта инициации (-35-последовательность). -35-последовательность участвует в связывании РНК-полимеразы, которое предшествует перемещению фермента в Прибнов-бокс. Экспрессия генов прокариот

13 Когда клетки Е. coli выращивают в среде, содержащей смесь лактозы и глюкозы, в качестве единственных источников углерода, то в первую очередь метаболизируется глюкоза. После исчерпания глюкозы в среде рост клеток временно приостанавливается, пока не пройдет индукция лактозного оперона. Экспрессия генов прокариот

14 Физиология индукции Lac-оперона в настоящее время хорошо изучена. Экспрессия нормального гена-регулятора Lac-оперона проявляется в наработке с постоянной скоростью субъединиц белка- penpeccopa. Белковая молекула Lac-репрессора состоит из четырех идентичных субъединиц. Репрессор продукт гена-репрессора обладает высоким сродством к соответствующему операторному локусу. Операторный локус это определенный участок последовательности двуцепочечной ДНК, участвующий в регуляции транскрипции структурных генов. Экспрессия генов прокариот

15 Операторный локус находится между промотором, к которому перед началом транскрипции присоединяется ДНК-зависимая РНК- полимераза, и началом гена Z структурного гена (3-галактозидазы. Присоединившись к оператору, репрессор препятствует транскрипции операторного локуса и дистальных структурных генов Z, Y и А. Таким образом, репрессор является негативным регулятором; в его присутствии подавляется экспрессия Z, Y и А-генов. Экспрессия генов прокариот

16 Молекулы репрессора, как связанные с операторным локусом, так и находящиеся в свободном виде в цитоплазме, обладают сродством к молекулам индуктора – лактозы, поступающей в клетку. Связывание индуктора с молекулой репрессора, прикрепленной к операторному локусу, вызывает конформационные изменения структуры репрессора и приводит к диссоциации его комплекса с ДНК. Экспрессия генов прокариот

17 Для связывания РНК-полимеразы с последовательностью промотора необходимо наличие комплекса белка-активатора САР с сАМР. Экспрессия генов прокариот

18 Накопление сАМР происходит независимым образом только при недостатке в питательной среде глюкозы. В присутствии глюкозы концентрация сАМР в бактерии оказывается недостаточной для образования комплекса с САР и ДНК-зависимая РНК-полимераза не может начать транскрипцию Lac-оперона. Транскрипция начинается только при наличии комплекса САР-сАМР, связанного с промотором. Экспрессия генов прокариот

19 Комплекс САР-сАМР действует как позитивный регулятор, поскольку его присутствие необходимо для обеспечения экспрессии генов. Таким образом, Lac-оперон является объектом как позитивной, так и негативной регуляции. Экспрессия генов прокариот

20

21

22 Трансляция у прокариот Прокариотические рибосомы мельче эукариотических, содержат 3 молекулы рРНК и 52 молекулы белка.

23 Трансляция у прокариот В малой субъединице рибосомы расположен функциональный центр (ФЦР) с двумя участками пептидильным (Р-участок) и аминоацильным (А-участок). В ФЦР может находиться шесть нуклеотидов иРНК, три - в пептидильном и три - в аминоацильном участках. Различают три этапа в трансляции: инициацию, элонгацию и терминацию. Инициация. Трансляция инициируется метиониновой инициаторной тРНК. Последовательность Шайна-Дальгарно (Ш-Д), находящаяся вблизи 5-конца мРНК связывается с комплементарной 3- последовательностью рРНК.

24 Трансляция у прокариот. При участии белковых факторов антикодон 3-UAG-5' инициаторной тРНК связывается с кодоном 5-АUG-3 мРНК, образующий комплекс с малой рибосомной субъединицей. К образовавшемуся комплексу присоединяется большая субъединица рибосомы и начинается элонгация.

25

26 Трансляция у прокариот Элонгация. В А-участок ФЦР поступает вторая тРНК, чей антикодон комплементарно спаривается с кодоном иРНК, находящимся в А-участке. Пептидилтрансферазный центр большой субъединицы за счет ГТФ катализирует образование пептидной связи между метионином и второй аминокислотой.

27 Трансляция у прокариот Как только образовалась пептидная связь, метиониновая тРНК отсоединяется от метионина, а рибосома передвигается на следующий кодовый триплет иРНК, который оказывается в А-участке рибосомы, а метиониновая тРНК выталкивается в цитоплазму. На один цикл расходуется 2 молекулы ГТФ. В А-участок заходит третья тРНК, и образуется пептидная связь между второй и третьей аминокислотами. Синтез полипептида идет от N-конца к С-концу, то есть пептидная связь образуется между карбоксильной группой первой и аминогруппой второй аминокислоты.

28 Трансляция у прокариот Терминация. Когда в А-участок попадает кодон-терминатор (УАА, УАГ или УГА), с которым связывается особый белковый фактор освобождения, полипептидная цепь отделяется от тРНК и покидает рибосому. Происходит диссоциация, разъединение субъединиц рибосомы. А так как мРНК прокариот часто полицистронны, то на общей мРНК может быть несколько инициирующих и терминирующих участков.

29 Репрессия синтеза белков. Триптофановый и гистидиновый опероны Снижение концентрации фермента может осуществляться путем репрессии синтеза фермента. Если в среде есть аминокислоты, например триптофан или гистидин, то клетка перестает вырабатывать весь набор ферментов, необходимых для синтеза этих аминокислот. Такая репрессия называется репрессией конечным продуктом.

30 Репрессия синтеза белков. Триптофановый и гистидиновый опероны При отсутствии аминокислот Гис или Три регуляторный белок репрессор не имеет сродства к оператору и происходит синтез ферментов, осуществляющих синтез этих аминокислот. Когда в среде избыток аминокислоты, то эта молекула, получившая название «корепрессор» связывается с репрессором, который приобретает сродство к оператору и синтез ферментов прекращается.

31 Каждый структурный ген эукариот имеет промоторный участок (ТАТА-бокс, или бокс Хогнесса) из 8 нуклеотидов, включающий последовательность ТАТА. Последовательности ССААТ (САТ-бокс), участок из повторяющихся нуклеотидов GC (GC-бокс), энхансеры и сайленсеры участвуют в регуляции экспрессии генов. Транскрипция у эукариот

32 В регуляции эволюции генов иногда происходит амплификация (увеличение числа) генов. В результате может образоваться большое число повторяющихся генов. Мутации в дополнительных копиях могут приводить к появлению новых функций, которые попадут под контроль отбора. Транскрипция у эукариот

33 В регуляции генной экспрессии иногда участвует запрограммированная амплификация (увеличение числа) специфических сегментов ДНК. В результате образуется огромное число генных копий, синтезируется большое количество данного генного продукта. Сайт начала репликации активируется второй, третий и т,д, раз, в результате образуется множество копий данной области. Транскрипция у эукариот

34 Словарь-справочник Позитивная регуляция – Если уровень экспрессии генетической информации количественно возрастает, регуляция называется позитивной. Негативная регуляция – Если уровень экспрессии благодаря действию иных регуляторных элементов понижается, говорят о негативной регуляции. Цистрон – это минимальная экспрессируемая генетическая единица, кодирующая одну субъединицу белковой молекулы. Оперон – Участки молекулы ДНК, содержащие информацию о группе функционально связанных структурных белков и регуляторную зону, контролирующую транскрипцию этих генов. Общая молекула иРНК, образованная на структурных генах Lac- оперона содержит кодонов инициаторов …, кодонов терминаторов …. Три кодона инициатора и три кодона терминатора

35 Словарь-справочник Операторный локус – Определенный участок последовательности двуцепочечной ДНК, участвующий в регуляции транскрипции структурных генов. Регуляторный локус – Участок молекулы ДНК, кодирующий информацию о белке- репрессоре. Репрессор – Белок, присоединяющийся к оператору и блокирующий возможность присоединения к промотору РНК-полимеразы. Индуктор Lac-оперона – Молекулы лактозы, которые дерепрессируют Lac-оперон связываясь с репрессором и вызывая его уход с операторного участка. Негативный регулятор в работе Lac-оперона – Белок-репрессор. Позитивный регулятор в работе Lac-оперона – Лактоза; САР-белок в комплексе с сАМР.

36 Словарь-справочник Амплификация – Многократное копирование гена в связи с повышенной потребностью организма в его продукте. Примером служат гены, кодирующие структуру рРНК. Бокс Прибнова – Промотор имеет два сайта связывания для РНК-полимеразы. Один из ник обычно представляет собой нуклеотидную последовательность ТАТААТ АТАТТА (ТАТА-бокс, или бокс Прибнова состоит из 6 или 7 пар оснований и расположен на расстоянии примерно 10 нуклеотидов до того нуклеотида, с которого начинается транскрипция (+1). Последовательность Шайна – Дальгарно – Последовательность нуклеотидов, находящаяся вблизи 5-конца мРНК связывающаяся с комплементарной 3- последовательностью рРНК.