《原核基因表達(dá)調(diào)控》課件

原核基因表達(dá)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(dá)的精細(xì)調(diào)控機(jī)制課件大綱原核生物基因表達(dá)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(jī)制的生物學(xué)意義什么是基因表達(dá)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(shí)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(wú)核膜結(jié)構(gòu)DNA直接暴露在細(xì)胞質(zhì)中轉(zhuǎn)錄翻譯耦合邊轉(zhuǎn)錄邊翻譯的高效機(jī)制基因組緊湊高度精簡(jiǎn)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(dá)調(diào)控的意義維持細(xì)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?jī)?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(guò)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(xì)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?fù)錁?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(fù)超螺旋促進(jìn)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?fù)洚悩?gòu)酶作用DNA回旋酶引入負(fù)超螺旋DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶調(diào)節(jié)超螺旋張力精確控制基因表達(dá)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(dòng)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(shí)別特定DNA序列通過(guò)DNA結(jié)合域識(shí)別調(diào)控元件1正調(diào)控功能促進(jìn)RNA聚合酶結(jié)合負(fù)調(diào)控功能阻礙轉(zhuǎn)錄起始結(jié)合動(dòng)力學(xué)可逆結(jié)合實(shí)現(xiàn)精細(xì)調(diào)控操縱子理論歷史貢獻(xiàn)弗朗西斯·雅可比和雅克·莫諾基本概念基因表達(dá)調(diào)控的基本單元結(jié)構(gòu)組成啟動(dòng)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(wú)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(kāi)啟RNA聚合酶結(jié)合啟動(dòng)子合成乳糖代謝酶葡萄糖抑制CAP-cAMP激活雙重調(diào)控機(jī)制負(fù)調(diào)控機(jī)制抑制蛋白結(jié)合識(shí)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(shí)別精確調(diào)控特定基因正調(diào)控機(jī)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(qiáng)CAP蛋白介導(dǎo)的激活100倍協(xié)同激活效應(yīng)多個(gè)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(shí)別終止信號(hào)識(shí)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(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)沿RNA分子運(yùn)動(dòng)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(guò)程RNA降解選擇性降解調(diào)控基因表達(dá)水平小RNA調(diào)控非編碼RNA參與精細(xì)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(kāi)關(guān)作用機(jī)制配對(duì)封閉核糖體結(jié)合位點(diǎn)促進(jìn)mRNA降解激活基因表達(dá)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(shí)別翻譯效率起始密碼子環(huán)境影響表達(dá)水平翻譯后修飾蛋白質(zhì)功能精細(xì)調(diào)節(jié)核糖體招募機(jī)制1識(shí)別步驟16SrRNA識(shí)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(dòng)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(kāi)關(guān)調(diào)控活性甲基化改變蛋白質(zhì)互作特性乙?；绊懙鞍踪|(zhì)穩(wěn)定性蛋白質(zhì)降解調(diào)控標(biāo)記識(shí)別識(shí)別特定降解信號(hào)序列蛋白酶結(jié)合ATP依賴性蛋白酶識(shí)別蛋白質(zhì)展開(kāi)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(hào)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(yíng)養(yǎng)狀態(tài)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)向細(xì)胞內(nèi)傳遞信息基因表達(dá)重編程調(diào)整代謝酶表達(dá)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(dòng)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(jìn)行轉(zhuǎn)錄與翻譯同時(shí)進(jìn)行調(diào)控復(fù)雜性信息處理整合多種信號(hào)輸入動(dòng)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(dá)水平測(cè)定蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)表達(dá)譜分析生物信息學(xué)數(shù)據(jù)整合與分析單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分辨率提高單細(xì)胞水平解析基因表達(dá)異質(zhì)性分析揭示細(xì)胞群體中個(gè)體差異基因表達(dá)動(dòng)態(tài)捕獲轉(zhuǎn)錄時(shí)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(yàn)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(duì)識(shí)別保守調(diào)控元件轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)潛在調(diào)控位點(diǎn)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)重建構(gòu)建基因互作關(guān)系計(jì)算模擬預(yù)測(cè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為進(jìn)化視角70%啟動(dòng)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(jìn)化時(shí)間尺度基本調(diào)控機(jī)制保守時(shí)間細(xì)菌抗生素抵抗應(yīng)激響應(yīng)快速誘導(dǎo)耐藥基因表達(dá)激活應(yīng)急修復(fù)系統(tǒng)泵出機(jī)制表達(dá)外排泵蛋白減少細(xì)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(shí)別特異性識(shí)別宿主表面受體基因組注入病毒DNA進(jìn)入宿主細(xì)胞早期基因表達(dá)劫持宿主轉(zhuǎn)錄機(jī)器晚期基因表達(dá)合成結(jié)構(gòu)蛋白和包裝酶裂解釋放表達(dá)溶菌酶破壞宿主細(xì)胞壁代謝工程合成生物學(xué)人工基因回路設(shè)計(jì)生物邏輯門可預(yù)測(cè)性定量模型輔助設(shè)計(jì)功能設(shè)計(jì)構(gòu)建人工生物系統(tǒng)最小基因組精簡(jiǎn)基本生命功能極端環(huán)境微生物耐熱機(jī)制熱穩(wěn)定蛋白質(zhì)表達(dá)耐鹽策略滲透保護(hù)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(duì)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(cè)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(jī)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(xì)胞的整合模型調(diào)控邏輯解析揭示基因表達(dá)決策機(jī)制動(dòng)態(tài)調(diào)控模型時(shí)間點(diǎn)(小時(shí))基因A表達(dá)量基因B表達(dá)量基因C表達(dá)量隨機(jī)性與調(diào)控表達(dá)異質(zhì)性個(gè)體細(xì)胞表達(dá)水平差異表達(dá)噪聲隨機(jī)波動(dòng)與信號(hào)傳導(dǎo)群體多樣性表達(dá)差異促進(jìn)群體適應(yīng)調(diào)控信號(hào)通路環(huán)境感知感受器蛋白識(shí)別信號(hào)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)磷酸化級(jí)聯(lián)反應(yīng)效應(yīng)響應(yīng)調(diào)控因子活性改變基因表達(dá)調(diào)整轉(zhuǎn)錄組重編程代謝信號(hào)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?fù)浣Y(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(xì)胞功能異常基因表達(dá)失調(diào)表達(dá)水平或時(shí)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(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用識(shí)別復(fù)雜調(diào)控模式調(diào)控網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)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(jì)算模型模擬基因表達(dá)動(dòng)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(dá)譜蛋白質(zhì)組蛋白質(zhì)表達(dá)和修飾代謝組代謝物水平和通量未來(lái)研究方向單分子技術(shù)原子級(jí)精度觀察分子互作實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀測(cè)捕獲瞬時(shí)基因表達(dá)變化調(diào)控機(jī)制精細(xì)解析揭示分子相互作用細(xì)節(jié)功能預(yù)測(cè)基于序列預(yù)測(cè)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(dá)調(diào)控構(gòu)建定量預(yù)測(cè)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(dòng)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(dòng)技術(shù)挑戰(zhàn)高通量測(cè)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(jì)算復(fù)雜性非線性網(wǎng)絡(luò)分析難題算法創(chuàng)新開(kāi)發(fā)針對(duì)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(píng)估潛在風(fēng)險(xiǎn)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(jìn)多領(lǐng)域交叉創(chuàng)新國(guó)際合作全球研究網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建國(guó)際科研平臺(tái)開(kāi)放科學(xué)共享研究方法與成果數(shù)據(jù)共享建立國(guó)際數(shù)據(jù)庫(kù)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(jì)算機(jī)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(lái)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(jī)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(dòng)態(tài)平衡研究展望1深入機(jī)制解析揭示調(diào)控分子細(xì)節(jié)精確調(diào)控定向調(diào)控基因表達(dá)功能預(yù)測(cè)從序列預(yù)測(cè)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)人工設(shè)計(jì)構(gòu)建合成生物系統(tǒng)技術(shù)路線圖關(guān)