《原核基因表達調(diào)控》課件

原核基因表達調(diào)控分子生物學(xué)前沿研究領(lǐng)域揭示生命信息傳遞的基本原理探索基因表達的精細調(diào)控機制課件大綱原核生物基因表達概述轉(zhuǎn)錄前調(diào)控轉(zhuǎn)錄調(diào)控轉(zhuǎn)錄后調(diào)控調(diào)控機制的生物學(xué)意義什么是基因表達遺傳信息DNA中編碼的分子指令1轉(zhuǎn)錄DNA信息轉(zhuǎn)錄為RNA翻譯RNA信息翻譯為蛋白質(zhì)功能實現(xiàn)蛋白質(zhì)執(zhí)行生物學(xué)功能4原核生物的特殊性無核膜結(jié)構(gòu)DNA直接暴露在細胞質(zhì)中轉(zhuǎn)錄翻譯耦合邊轉(zhuǎn)錄邊翻譯的高效機制基因組緊湊高度精簡的基因組結(jié)構(gòu)快速環(huán)境響應(yīng)迅速調(diào)整代謝適應(yīng)環(huán)境變化基因表達調(diào)控的意義維持細胞穩(wěn)態(tài)保持內(nèi)環(huán)境平衡精準(zhǔn)控制蛋白質(zhì)合成按需生產(chǎn)功能分子節(jié)約能量優(yōu)化資源分配適應(yīng)環(huán)境變化快速響應(yīng)外界條件調(diào)控層次概覽轉(zhuǎn)錄前調(diào)控DNA結(jié)構(gòu)和可及性調(diào)控轉(zhuǎn)錄調(diào)控RNA合成過程中的精確控制轉(zhuǎn)錄后調(diào)控RNA穩(wěn)定性和加工調(diào)節(jié)翻譯調(diào)控蛋白質(zhì)合成效率控制蛋白質(zhì)后修飾調(diào)控蛋白功能和降解的精細調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄前調(diào)控DNA結(jié)構(gòu)調(diào)控DNA物理結(jié)構(gòu)影響基因可及性染色質(zhì)壓縮DNA-蛋白質(zhì)復(fù)合體形成與解離核酸修飾DNA甲基化影響基因活性超螺旋結(jié)構(gòu)DNA拓撲構(gòu)象影響轉(zhuǎn)錄起始DNA超螺旋結(jié)構(gòu)超螺旋定義DNA雙螺旋圍繞自身軸線額外扭曲影響DNA解鏈和蛋白質(zhì)結(jié)合負超螺旋促進轉(zhuǎn)錄有利于DNA解鏈降低轉(zhuǎn)錄起始能量屏障增加RNA聚合酶結(jié)合效率拓撲異構(gòu)酶作用DNA回旋酶引入負超螺旋DNA拓撲異構(gòu)酶調(diào)節(jié)超螺旋張力精確控制基因表達區(qū)域結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)錄起始調(diào)控RNA聚合酶結(jié)合核心酶與σ因子形成全酶啟動子結(jié)構(gòu)-10區(qū)和-35區(qū)關(guān)鍵序列轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合調(diào)節(jié)蛋白招募RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄因子識別特定DNA序列通過DNA結(jié)合域識別調(diào)控元件1正調(diào)控功能促進RNA聚合酶結(jié)合負調(diào)控功能阻礙轉(zhuǎn)錄起始結(jié)合動力學(xué)可逆結(jié)合實現(xiàn)精細調(diào)控操縱子理論歷史貢獻弗朗西斯·雅可比和雅克·莫諾基本概念基因表達調(diào)控的基本單元結(jié)構(gòu)組成啟動子、操作子、結(jié)構(gòu)基因和調(diào)節(jié)基因乳糖操縱子詳解無乳糖狀態(tài)抑制蛋白結(jié)合操作子阻斷轉(zhuǎn)錄乳糖誘導(dǎo)乳糖與抑制蛋白結(jié)合抑制蛋白構(gòu)象改變轉(zhuǎn)錄開啟RNA聚合酶結(jié)合啟動子合成乳糖代謝酶葡萄糖抑制CAP-cAMP激活雙重調(diào)控機制負調(diào)控機制抑制蛋白結(jié)合識別操作子序列阻斷RNA聚合酶物理阻礙轉(zhuǎn)錄起始降低轉(zhuǎn)錄效率調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄速率特異性識別精確調(diào)控特定基因正調(diào)控機制2-3倍基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄率提升RNA聚合酶結(jié)合效率增加10-20倍激活因子增強CAP蛋白介導(dǎo)的激活100倍協(xié)同激活效應(yīng)多個激活因子共同作用全局轉(zhuǎn)錄調(diào)控rho因子終止轉(zhuǎn)錄識別終止信號識別富C區(qū)域結(jié)合新生RNA六聚體環(huán)狀結(jié)構(gòu)ATP驅(qū)動轉(zhuǎn)運沿RNA分子運動解鏈復(fù)合物RNA與DNA模板分離轉(zhuǎn)錄后調(diào)控mRNA穩(wěn)定性控制信息分子壽命RNA剪接RNA分子成熟過程RNA降解選擇性降解調(diào)控基因表達水平小RNA調(diào)控非編碼RNA參與精細調(diào)控mRNA穩(wěn)定性小RNA調(diào)控小RNA類型反義RNA調(diào)控性小RNA核糖開關(guān)作用機制配對封閉核糖體結(jié)合位點促進mRNA降解激活基因表達生物學(xué)功能應(yīng)激響應(yīng)毒力調(diào)控代謝調(diào)節(jié)翻譯調(diào)控翻譯起始mRNA與核糖體結(jié)合核糖體招募Shine-Dalgarno序列識別翻譯效率起始密碼子環(huán)境影響表達水平翻譯后修飾蛋白質(zhì)功能精細調(diào)節(jié)核糖體招募機制1識別步驟16SrRNA識別SD序列2復(fù)合物形成30S亞基結(jié)合mRNA3起始因子作用IF-1、IF-2、IF-3協(xié)助定位4啟動翻譯50S亞基加入形成完整核糖體翻譯后修飾磷酸化可逆開關(guān)調(diào)控活性甲基化改變蛋白質(zhì)互作特性乙酰化影響蛋白質(zhì)穩(wěn)定性蛋白質(zhì)降解調(diào)控標(biāo)記識別識別特定降解信號序列蛋白酶結(jié)合ATP依賴性蛋白酶識別蛋白質(zhì)展開ATP水解提供能量肽鍵水解蛋白質(zhì)降解為氨基酸調(diào)控網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)錄因子網(wǎng)絡(luò)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)RNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)其他調(diào)控方式代謝適應(yīng)調(diào)控環(huán)境感知感受外界營養(yǎng)狀態(tài)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)向細胞內(nèi)傳遞信息基因表達重編程調(diào)整代謝酶表達譜壓力響應(yīng)調(diào)控共轉(zhuǎn)錄調(diào)控轉(zhuǎn)錄起始RNA聚合酶結(jié)合啟動子RNA合成新生RNA鏈延伸核糖體結(jié)合翻譯起始復(fù)合物形成同步進行轉(zhuǎn)錄與翻譯同時進行調(diào)控復(fù)雜性信息處理整合多種信號輸入動態(tài)平衡維持系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)協(xié)同作用多因子協(xié)作調(diào)控多層次調(diào)控從DNA到蛋白質(zhì)的全程控制技術(shù)方法基因組學(xué)全基因組序列分析轉(zhuǎn)錄組學(xué)RNA表達水平測定蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)表達譜分析生物信息學(xué)數(shù)據(jù)整合與分析單細胞轉(zhuǎn)錄組分辨率提高單細胞水平解析基因表達異質(zhì)性分析揭示細胞群體中個體差異基因表達動態(tài)捕獲轉(zhuǎn)錄時間序列變化系統(tǒng)水平洞察整合多維度數(shù)據(jù)CRISPR技術(shù)基因編輯精確修改DNA序列功能驗證基因功能研究工具調(diào)控元件修飾改變調(diào)控元件活性生物信息學(xué)工具序列比對識別保守調(diào)控元件轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合預(yù)測發(fā)現(xiàn)潛在調(diào)控位點調(diào)控網(wǎng)絡(luò)重建構(gòu)建基因互作關(guān)系計算模擬預(yù)測系統(tǒng)動態(tài)行為進化視角70%啟動子區(qū)保守度近緣物種間調(diào)控元件相似性30%轉(zhuǎn)錄因子保守度調(diào)控蛋白在不同物種間同源性5億年進化時間尺度基本調(diào)控機制保守時間細菌抗生素抵抗應(yīng)激響應(yīng)快速誘導(dǎo)耐藥基因表達激活應(yīng)急修復(fù)系統(tǒng)泵出機制表達外排泵蛋白減少細胞內(nèi)抗生素濃度酶促失活產(chǎn)生降解抗生素的酶修飾抗生素分子結(jié)構(gòu)噬菌體與宿主吸附識別特異性識別宿主表面受體基因組注入病毒DNA進入宿主細胞早期基因表達劫持宿主轉(zhuǎn)錄機器晚期基因表達合成結(jié)構(gòu)蛋白和包裝酶裂解釋放表達溶菌酶破壞宿主細胞壁代謝工程合成生物學(xué)人工基因回路設(shè)計生物邏輯門可預(yù)測性定量模型輔助設(shè)計功能設(shè)計構(gòu)建人工生物系統(tǒng)最小基因組精簡基本生命功能極端環(huán)境微生物耐熱機制熱穩(wěn)定蛋白質(zhì)表達耐鹽策略滲透保護物質(zhì)積累耐寒適應(yīng)膜脂組成調(diào)整抗輻射能力高效DNA修復(fù)系統(tǒng)元組學(xué)研究研究對象自然環(huán)境中的微生物群落土壤微生物組海洋微生物組人體微生物組研究技術(shù)不依賴培養(yǎng)的分析方法宏基因組測序宏轉(zhuǎn)錄組分析宏蛋白質(zhì)組學(xué)研究意義揭示微生物群落功能與調(diào)控生態(tài)系統(tǒng)功能疾病發(fā)生機制新功能基因發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)生物學(xué)網(wǎng)絡(luò)層面分析構(gòu)建基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型整體性理解超越單一基因研究多尺度建模從分子到細胞的整合模型調(diào)控邏輯解析揭示基因表達決策機制動態(tài)調(diào)控模型時間點(小時)基因A表達量基因B表達量基因C表達量隨機性與調(diào)控表達異質(zhì)性個體細胞表達水平差異表達噪聲隨機波動與信號傳導(dǎo)群體多樣性表達差異促進群體適應(yīng)調(diào)控信號通路環(huán)境感知感受器蛋白識別信號信號轉(zhuǎn)導(dǎo)磷酸化級聯(lián)反應(yīng)效應(yīng)響應(yīng)調(diào)控因子活性改變基因表達調(diào)整轉(zhuǎn)錄組重編程代謝信號全球調(diào)控因子調(diào)控因子調(diào)控基因數(shù)量主要功能CRP>200碳源代謝調(diào)控FNR>100氧氣水平感應(yīng)Lrp~50氨基酸代謝調(diào)控IHF~30DNA拓撲結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)調(diào)控異常疾病發(fā)生病理狀態(tài)形成功能紊亂細胞功能異?；虮磉_失調(diào)表達水平或時序異常4調(diào)控元件突變DNA序列或結(jié)構(gòu)變化人工智能與調(diào)控機器學(xué)習(xí)應(yīng)用識別復(fù)雜調(diào)控模式調(diào)控網(wǎng)絡(luò)預(yù)測推斷基因間相互作用大數(shù)據(jù)分析整合多組學(xué)數(shù)據(jù)計算模型模擬基因表達動力學(xué)跨組學(xué)整合基因組DNA序列和結(jié)構(gòu)1轉(zhuǎn)錄組RNA表達譜蛋白質(zhì)組蛋白質(zhì)表達和修飾代謝組代謝物水平和通量未來研究方向單分子技術(shù)原子級精度觀察分子互作實時動態(tài)觀測捕獲瞬時基因表達變化調(diào)控機制精細解析揭示分子相互作用細節(jié)功能預(yù)測基于序列預(yù)測調(diào)控功能理論創(chuàng)新調(diào)控模型數(shù)學(xué)描述基因表達調(diào)控構(gòu)建定量預(yù)測框架復(fù)雜性理論解析涌現(xiàn)行為理解系統(tǒng)整體特性非線性動力學(xué)描述基因網(wǎng)絡(luò)行為解釋系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與波動技術(shù)挑戰(zhàn)高通量測序數(shù)據(jù)產(chǎn)出與質(zhì)量平衡數(shù)據(jù)處理海量信息有效管理計算復(fù)雜性非線性網(wǎng)絡(luò)分析難題算法創(chuàng)新開發(fā)針對性分析工具倫理與應(yīng)用基因編輯技術(shù)改變生物基因組生物安全考量評估潛在風(fēng)險倫理邊界探討技術(shù)應(yīng)用的道德限制教育與傳播專業(yè)教育培養(yǎng)專業(yè)研究人才科學(xué)普及提升公眾科學(xué)素養(yǎng)跨學(xué)科融合促進多領(lǐng)域交叉創(chuàng)新國際合作全球研究網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建國際科研平臺開放科學(xué)共享研究方法與成果數(shù)據(jù)共享建立國際數(shù)據(jù)庫協(xié)同創(chuàng)新匯聚全球智慧解決科學(xué)難題跨學(xué)科融合4+核心學(xué)科生物學(xué)、計算機科學(xué)、物理學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)10+應(yīng)用領(lǐng)域醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、能源、環(huán)境50%創(chuàng)新來源跨學(xué)科邊界的突破性發(fā)現(xiàn)科學(xué)哲學(xué)思考還原論與整體論分子機制與系統(tǒng)行為微觀解析與宏觀理解生命復(fù)雜性多層次交互網(wǎng)絡(luò)涌現(xiàn)特性與基本規(guī)律自組織與適應(yīng)系統(tǒng)秩序自發(fā)形成系統(tǒng)動態(tài)平衡研究展望1深入機制解析揭示調(diào)控分子細節(jié)精確調(diào)控定向調(diào)控基因表達功能預(yù)測從序列預(yù)測調(diào)控網(wǎng)絡(luò)人工設(shè)計構(gòu)建合成生物系統(tǒng)技術(shù)路線圖關(guān)