Особенности регуляции транскрипции у прокариот и...
TRANSCRIPT
![Page 1: Особенности регуляции транскрипции у прокариот и эукариот](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a292241a28ab35348b45c5/html5/thumbnails/1.jpg)
Регуляция транскрипцииу прокариот и эукариот
Лаборатория молекулярной генетики микроорганизмовИнститут молекулярной генетики РАН
А.В. Кульбачинский
![Page 2: Особенности регуляции транскрипции у прокариот и эукариот](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a292241a28ab35348b45c5/html5/thumbnails/2.jpg)
пары оснований
аденин-тимин
гуанин-цитозин
Структура ДНК
сахаро-фосфатная цепь
![Page 3: Особенности регуляции транскрипции у прокариот и эукариот](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a292241a28ab35348b45c5/html5/thumbnails/3.jpg)
Каждая цепь ДНК имеетнаправление
Структура ДНК
Т
С
А
![Page 4: Особенности регуляции транскрипции у прокариот и эукариот](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a292241a28ab35348b45c5/html5/thumbnails/4.jpg)
ДНК-белковые взаимодействия
Узнавание пар нуклеотидов аминокислотами
Узнавание специфической ДНК регуляторными белками
helix-turn-helixT - A
C - G
![Page 5: Особенности регуляции транскрипции у прокариот и эукариот](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a292241a28ab35348b45c5/html5/thumbnails/5.jpg)
Расположение генов в геноме
Плазмида pBR322 Геном Pseudomonas aeruginosa
• Гены располагаются в разных цепях ДНК
• Между генами есть промежутки
![Page 6: Особенности регуляции транскрипции у прокариот и эукариот](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a292241a28ab35348b45c5/html5/thumbnails/6.jpg)
ДНК РНК белоктранскрипция трансляция
репликация
Структура РНК
![Page 7: Особенности регуляции транскрипции у прокариот и эукариот](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a292241a28ab35348b45c5/html5/thumbnails/7.jpg)
• Начало и окончание синтеза в специальных участках – промоторах и терминаторах
• Инициация синтеза РНК без затравки
• Использование рибонуклеозидтрифосфатов
• Копирование одной из цепей ДНК (матричная цепь)
• Направление синтеза от 5’- к 3’-концу РНК
• Синтез всей молекулы РНК сразу
нематричная ДНК
матричная ДНКРНК
5’
3’ 5’5’ 3’3’
РНК-полимераза
Особенности транскрипции
![Page 8: Особенности регуляции транскрипции у прокариот и эукариот](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a292241a28ab35348b45c5/html5/thumbnails/8.jpg)
Транскрипционный цикл
Регуляторные факторы действуют на всех стадиях транскрипции
ТерминацияИнициация
Элонгация
![Page 9: Особенности регуляции транскрипции у прокариот и эукариот](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a292241a28ab35348b45c5/html5/thumbnails/9.jpg)
-10-35
Кор-ферментα2ββ′ω σ2
TATAAT
σ4σ3
σ1
TTGACATATAAT
σ2
РНК-полимераза бактерий
Холофермент
Основные элементы промотора (-10 и -35) узнаются σ-субъединицей
Плавление ДНК осуществляется за счет контактов σ -субъединицы с нематричной цепью ДНК в районе старта транскрипции
![Page 10: Особенности регуляции транскрипции у прокариот и эукариот](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a292241a28ab35348b45c5/html5/thumbnails/10.jpg)
Активный центр
-35σ4
-10σ2
Главный канал
Murakami et al., 2002
ДНК
РНКП T. aquaticus
σ1
Структурная модель промоторного комплекса
σ3
• РНК-полимераза по форме напоминает клешню
• ДНК связывается в главном канале
• Активный центр – в глубине молекулы
![Page 11: Особенности регуляции транскрипции у прокариот и эукариот](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a292241a28ab35348b45c5/html5/thumbnails/11.jpg)
Трехмерная структура РНК-полимеразы
Nudler, 2008
РНК-полимераза – сложная молекулярная машина, состоящая из многих структурно-функциональных элементов:
- взаимодействие с ДНК и РНК
- синтез РНК (присоединение нуклеотидов)
- связывание регуляторных факторов
•Регуляторные белки•Малые молекулы•Антибиотики
![Page 12: Особенности регуляции транскрипции у прокариот и эукариот](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a292241a28ab35348b45c5/html5/thumbnails/12.jpg)
σ70 – гены “домашнего хозяйства”σ32 – тепловой шокσ38 – стрессовые условия
σ54 – азотный обмен
Большинство бактерий содержат несколько σ-субъединиц, которые отвечают за узнавание разных типов промоторов и транскрипцию различных групп генов (регулон).
Escherichia coli:
Регуляция инициации транскрипции у прокариотОперон - группа генов, транскрибируемых в составе одной РНК; регулируются совместно и обычно обладают общей функцией.
![Page 13: Особенности регуляции транскрипции у прокариот и эукариот](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a292241a28ab35348b45c5/html5/thumbnails/13.jpg)
оператор
Репрессиярепрессор
индуктор
оператор
Активация
Оператор – участок связывания регуляторного белка
Индуктор – молекула (клеточный метаболит - лактоза, галактоза), контролирующая связывание активаторов и репрессоров с операторами
Активаторы обычно привлекают РНКП к промотору Репрессоры – мешают связыванию РНКП с промотором
Белок-регулятор – связывается в промоторной области и влияет на инициацию транскрипции
активатор
индуктор
Регуляция инициации транскрипции у прокариот
![Page 14: Особенности регуляции транскрипции у прокариот и эукариот](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a292241a28ab35348b45c5/html5/thumbnails/14.jpg)
Pazos et al., 2012
Примеры транскрипционных факторов
Helix-Turn-Helix Номеодомен
bZip Zn-finger
![Page 15: Особенности регуляции транскрипции у прокариот и эукариот](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a292241a28ab35348b45c5/html5/thumbnails/15.jpg)
Взаимодействие с α-субъединицей
РНКП
СAP – catabolite activator protein
Активация катаболитных
оперонов
cAMP (синтезируется
в отсутствие глюкозы)
TGTGAACACT
TCACA AGTGT
Регуляция инициации транскрипции у прокариот
![Page 16: Особенности регуляции транскрипции у прокариот и эукариот](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a292241a28ab35348b45c5/html5/thumbnails/16.jpg)
R
R
R
Регуляция инициации транскрипции у прокариот
Активация специфического оперона
СAP
индуктор
1. Связывание белка-активатора2. Удаление белка-репрессора
![Page 17: Особенности регуляции транскрипции у прокариот и эукариот](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a292241a28ab35348b45c5/html5/thumbnails/17.jpg)
Регуляция элонгации транскрипции у прокариот
Паузы и скорость транскрипции:
- узнавание специфических сигналов в РНК и ДНК
- действие регуляторных факторов
• Воздействие на активный центр РНК-полимеразы
• Закрывание-открывание главного канала РНК-полимеразы
![Page 18: Особенности регуляции транскрипции у прокариот и эукариот](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a292241a28ab35348b45c5/html5/thumbnails/18.jpg)
тРНК
Синтезируемая РНК способна образовывать различные вторичные структуры, что имеет важное регуляторное значение
Регуляция элонгации транскрипции у прокариот
![Page 19: Особенности регуляции транскрипции у прокариот и эукариот](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a292241a28ab35348b45c5/html5/thumbnails/19.jpg)
Механизмы терминации транскрипции
ρ-независимая терминация ρ-зависимая терминация
Паузы, Терминация
![Page 20: Особенности регуляции транскрипции у прокариот и эукариот](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a292241a28ab35348b45c5/html5/thumbnails/20.jpg)
Регуляция транскрипции у прокариот: аттенюация
гены биосинтеза Trp
Мало Trp:нет Trp-tRNA,
пауза трансляции
Много Trp:есть Trp-tRNA,
нет паузы трансляции
РНКПРибосома
Промотор
Аттенюатор
![Page 21: Особенности регуляции транскрипции у прокариот и эукариот](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a292241a28ab35348b45c5/html5/thumbnails/21.jpg)
Регуляция транскрипции у прокариот:рибопереключатели (riboswitches)
происходит синтез полноразмерной РНК
В отсутствие метаболита
Vitreschak et al., 2002
образуется структура терминатора транскрипции
В присутствии метаболита
![Page 22: Особенности регуляции транскрипции у прокариот и эукариот](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a292241a28ab35348b45c5/html5/thumbnails/22.jpg)
Регуляция транскрипции у прокариот: рибозимы
Консервативный элемент в 5’-концевой области гена glmS B. subtilis:
В присутствии метаболита происходит активация рибозима и расщепление РНК
Рибозимы – молекулы РНК, обладающие каталитической активностью
![Page 23: Особенности регуляции транскрипции у прокариот и эукариот](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a292241a28ab35348b45c5/html5/thumbnails/23.jpg)
5’ 3’библиотека
NNNNNN ConstConst
связывание
ампл
ифик
ация
разделение
Аптамеры
Искусственный отбор функциональных молекул РНК и ДНК
![Page 24: Особенности регуляции транскрипции у прокариот и эукариот](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a292241a28ab35348b45c5/html5/thumbnails/24.jpg)
Сравнение транскрипции у прокариот и эукариот
Про- Эу-
-Одна РНК-полимераза (5 субъединиц)
-Уровень транскрипции определяется промотором
-Связь с трансляцией
-Гены непрерывны
-Каждая мРНК обычно кодирует несколько белков
-Три РНК-полимеразы (10-14 субъединиц)
-Уровень транскрипции определяется регуляторными участками (энхансеры)
-Трансляция независима от транскрипции
-Гены состоят из экзонов и интронов, процессинг РНК
-Каждая мРНК обычно кодирует один белок
-ДНК организована в хроматин
РНК-полимераза I – синтез рРНК
РНК-полимераза II – синтез мРНК
РНК-полимераза III – синтез тРНК
![Page 25: Особенности регуляции транскрипции у прокариот и эукариот](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a292241a28ab35348b45c5/html5/thumbnails/25.jpg)
Промоторы РНКП II эукариот
Три типа промоторных элементов:
– Основные промоторные элементы (-45 to +40)• Связывание главных транскрипционных факторов (GTF)
– Проксимальные промоторные элементы (-1 kb to +200)• Связывание белков-регуляторов, участвующих в активации
или репрессии транскрипции (для больших групп генов)
– Энхансеры/сайленсеры (десятки тыс.п.н.)• Связывание белков-регуляторов, участвующих в активации
/репрессии транскрипции (уникальны для данного промотора)
![Page 26: Особенности регуляции транскрипции у прокариот и эукариот](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a292241a28ab35348b45c5/html5/thumbnails/26.jpg)
Taatjes et al., 2004
Классы активаторов транскрипции:
3. Взаимодействуют с ДНК.4. Передают активационный сигнал на РНК-полимеразу.5. Изменяют структуру хроматина.
энхансеры (сайленсеры)
основной промотор
проксимальные элементы
Промоторы РНКП II эукариот
![Page 27: Особенности регуляции транскрипции у прокариот и эукариот](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a292241a28ab35348b45c5/html5/thumbnails/27.jpg)
Ввод Выход
Создание синтетических регуляторных систем
- химические индукторы- регуляторные РНК- свет- механические воздействия
- окраска - флуоресценция
- морфология клеток- жизнеспособность клеток
![Page 28: Особенности регуляции транскрипции у прокариот и эукариот](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a292241a28ab35348b45c5/html5/thumbnails/28.jpg)
Nandagopal and Elowitz, 2011
Создание синтетических регуляторных систем
![Page 29: Особенности регуляции транскрипции у прокариот и эукариот](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a292241a28ab35348b45c5/html5/thumbnails/29.jpg)
Weber et al., 2012
Создание синтетических регуляторных систем
Системы с репрессорами / активаторами
![Page 30: Особенности регуляции транскрипции у прокариот и эукариот](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a292241a28ab35348b45c5/html5/thumbnails/30.jpg)
Weber et al., 2012
Создание синтетических регуляторных систем
Изменение структуры / стабильности РНК
![Page 31: Особенности регуляции транскрипции у прокариот и эукариот](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a292241a28ab35348b45c5/html5/thumbnails/31.jpg)
Silva-Rocha et al., 2008
Создание синтетических регуляторных систем
Логические операции
![Page 32: Особенности регуляции транскрипции у прокариот и эукариот](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a292241a28ab35348b45c5/html5/thumbnails/32.jpg)
Shetty et al., 2008
Создание синтетических регуляторных систем
Попытки создания стандартных функциональных элементов
![Page 33: Особенности регуляции транскрипции у прокариот и эукариот](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a292241a28ab35348b45c5/html5/thumbnails/33.jpg)
Shetty et al., 2008
Создание синтетических регуляторных систем
Попытки создания стандартных функциональных элементов
![Page 34: Особенности регуляции транскрипции у прокариот и эукариот](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a292241a28ab35348b45c5/html5/thumbnails/34.jpg)
Canton et al., 2008
![Page 35: Особенности регуляции транскрипции у прокариот и эукариот](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a292241a28ab35348b45c5/html5/thumbnails/35.jpg)
Larson et al., 2011
Изучение отдельных молекул РНК-полимеразы
![Page 36: Особенности регуляции транскрипции у прокариот и эукариот](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a292241a28ab35348b45c5/html5/thumbnails/36.jpg)
Изучение отдельных молекул РНК-полимеразы
Larson et al., 2011
• Свойства единичных молекул РНК-полимеразы различаются
• Можно исследовать паузы, терминацию в реальном времени
![Page 37: Особенности регуляции транскрипции у прокариот и эукариот](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a292241a28ab35348b45c5/html5/thumbnails/37.jpg)
Pomerantz et al., 2005
РНК-полимераза – молекулярная машина
![Page 38: Особенности регуляции транскрипции у прокариот и эукариот](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052206/55a292241a28ab35348b45c5/html5/thumbnails/38.jpg)
Итак:
РНК-полимераза – основная мишень для регуляции экспрессии генов на стадии транскрипции различными факторами: - белками, - регуляторными РНК,- малыми молекулами, - антибиотиками
1.
2. Использование существующих и создание новых регуляторных элементов позволяет контролировать активность РНК-полимеразы и уровень экспрессии генов в клетке и в бесклеточных системах
3. РНК-полимераза может быть использована в качестве молекулярной машины для перемещения объектов на наноуровне