Презентация на тему Нанобиотехнологии прокариот. Экпрессия генов

прокариоты в качестве организма-хозяина для клонирования генов и их

экспресии.
Основной целью экспериментов по клонированию генов является подбор условий для эффективной экспрессии в нужном организме. Причем сам факт встраивания того или иного гена в клонирующий вектор еще не означает, что этот ген будет экспрессирован.
В то же время для экономической целесообразности – уровень синтеза продукта должен быть достаточно высоким.

из двух антипараллельных полинуклеотидных цепей, образующих двойную спираль. Индивидуальными

генетическими элементами со строго специфичной нуклеотидной последовательностью, кодирующими определенные продукты, являются гены. Одни из них кодируют белки, другие – только молекулы РНК.
Информация, содержащаяся в генах, которые кодируют белки (структурных генах), расшифровывается в ходе двух последовательных процессов: синтеза РНК (транскрипции) и синтеза белка (трансляции).

участке ДНК как на матрице синтезируется матричная РНК (мРНК).

Затем в ходе согласованной работы многокомпонентной системы при участии транспортных РНК (тРНК), мРНК, ферментов и различных белковых факторов осуществляется синтез белковой молеклы. Все эти процессы обеспечивают правильный перевод зашифрованной вДНК генетической информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот.

нерегулярными полимерами, мономеры которых называются нуклеотидами. В нуклеиновых кислотах

встречаются 5 нуклеиновых (азотистых оснований), 3 пиримидиновых – урацил, тимин, цитозин и 2 пуриновых – аденин и гуанин.

Строение нуклеиновых
оснований

гликозиды, в которых D-рибофураноза (в рибонуклеозидах), либо дезокси-D-рибофураноза (в

дезоксирибонуклеозидах) связана гликозидной связью с атомом N1 пиримидиновых или атомом N9 пуриновых оснований.

состав рибонуклеиновых кислот (РНК), а дезоксирибонуклеозиды – в состав

дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК).
Нуклеотиды являются фосфорными эфирами нуклеозидов. Фосфорная кислота присоединена к одному из гидроксилов рибозного (или дезоксирибозного остатка). В зависимости от места присоединения различают 2’-, 3’- и 5’-нуклеотиды. Символ «’» (произносится как «штрих» или «прим») показывает, что соответствующий номер нумерует атомы пентозного кольца; атомы азотистого основания нумеруются без штриха.

– рибоза; в - дезоксирибоза

с другом в полимерную цепочку с помощью фосфодиэфирных связей.

Азотистые основания не принимают участия в соединении нуклеотидов одной цепи.

остаток фосфорной кислоты всегда связывает 3’- и 5’-гидроксигруппы соседних

нуклеозидов. Таким образом, полинуклеотидные цепи имеют определенную направленность, и каждая полинуклеотидная цепь имеет 5’- и 3’-концы.
Ковалентный сахарофосфатный остов нуклеиновой кислоты состоит из монотонно чередующихся фосфатных и пентозных групп. Нуклеиновые основания можно рассматривать как боковые радикалы, присоединенные к остову на равных расстояниях.

кислоты несет отрицательный заряд, поскольку фосфатные остатки ионизованы при

рН 7.
Комплементарные друг другу одноцепочные молекулы нуклеиновой кислоты способны образовывать двухцепочную спиральную структуру. Внутри этой спирали аденин образует пару с тимином (двумя водородными связями), а гуанин - с цитозином (тремя водородными связями).

модель двойной спирали ДНК в виде винтовой лестницы, в

которой поперечные «ступеньки» - это комплементраные пары оснований, а «боковины» - сахарофосфатный остов.

Строение тетрадезоксинуклеотида
5’-d (TACG)

удвоения ДНК.
Множество различных белков принимают участие, но прежде

всего ДНК-полимеразы. Каждая мономерная единица, присоединяющаяся к растущей цепи, находится в форме дезоксирибонуклеозид-5’-трифосфата.

Структурная формула
дезоксирибонуклео-
зидтрифосфата

ДНК служит матрицей для синтеза комплементарной цепи.
Комплементарность оснований противоположных

цеаей гарантирует идентичность новосинтезированной и исходной ДНК.

У бактерий репликация ДНК начинается в особой точке молекулы, которая называется ориджин (точка начала или сайт инициации репликации).
В ДНК эукариот имеется несколько таких сайтов, и репликация может начинаться в каждом из них. Образующиеся при этом сегменты эукариотической ДНК сшиваются друг с другом с помощью особых ферментов. Кроме того, у эукариот есть специальный фермент теломераза, который достраивает концы (теломеры) хромосом.

– полипептид, состоящий из аминокислот, которые соединены друг с

другом пептидными связями. Существует 20 стандартных аминокислот. Соединяясь друг с другом пептидными связями, аминокислоты образуют полипептидную цепь. Пептидная связь образуется между карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой.

Пептидная связь. Межатомные расстояния даны в ангстремах

белковой молекулы имеет свободную аминогруппу, а последняя – свободную

карбоксильную группу.
Последовательность аминокислот в белке определяется последовательностью нуклеотидов в ДНК. В синтезе белков учавствуют РНК, ферменты и белковые факторы.

Пептидная связь. Межатомные расстояния даны в ангстремах

это линейная полинуклеотидная молекула, отличающаяся от ДНК в двух

отношениях:
моносахаридом в РНК является рибоза, содержащая не одну, а две гидроксильные группы; они связаны с 2’ и 3’-атомами углерода;
Одним из четырех оснований в РНК.
Большинство молекул РНК одноцепочные, хотя в них часто имеются взаимно комплементарные участки, образующие двухцепочные структуры – «шпильки».

ДНК как на матрице – транскрипция.
У большинства прокариот транскрипция

всех РНК осуществляется с помощью одной и той же РНК-полимеразы.
У эукариот мРНК, рРНК и тРНК транскрибируются разными РНК-полимеразами.
Транскрипция во многом сходна с репликацией. Матрицей при синтезе РНК служит определенный участок одной из цепей ДНК. РНК-полимераза копирует этот участок, последовательно соединяя друг с другом с помощью 3’-5’-фосфодиэфирных связей рибонуклеотиды в соответствии с правилом комплементарности.

молекула РНК отсоединяется от ДНК, и двойная спираль ДНК

восстанавливается.

Схематическое изображение транскрипции. Стрелкой указано направление

ее начало и завершение в нужных сайтах, обеспечивают специфические

нуклеотидные последовательности в ДНК и белковые факторы.

нуклеотидную последовательность, транскрибируемую в РНК. Подавляющее большинство транскрибируемых последовательностей

ДНК составляют так называемые структурные гены, на которых синтезируются мРНК.
Сигнал инициации обычно располагается перед кодирующей последовательностью, а сигнал терминации – вслед за ней. Участок ДНК, предшествующий транскрибируемому гену, называется 5’-фланкирующей последовательностью, а расположенный за ним – 3’-фланкирующей.

является белок.
У прокариот структурный ген – непрерывный участок молекулы

ДНК. Транскрипция начинается со связывания РНК-полимеразы с промотором, и далее последовательно копируется весь структурный ген (кодирующая область) от первого нуклеотида до последнего с образованием функциональной мРНК.

гена

(р), сайт инициации транскрипции и ее направление (горизонтальная стрелка),

область терминации транскрипции (t), узнаваемая РНК-полимеразой. Сначала на ДНК, как на матрице, синтезируется мРНК (транскрипция), а затем осуществляется синтез белковой цепи (трансляция).

роль играют молекулы тРНК и рРНК. В клетке существует

более 50 разных тРНК, каждая строго специфически связывается своим 3’-концом с одной из 20 аминокислот. На другом конце молекулы тРНК (на так называемой антикодоновой петле) находится последовательность из трех нуклеотидов (антикодон), обеспечивающая связывание тРНК с комплементарным участком из трех нуклеотидов в молекуле мРНК, который называется кодоном.

трансляции. аа- обозначение аминокислот, R – обозначение аминокислотных остатков

разновидности рРНК: малая и большая. Они формируют соответственно малую

и большую субъединицы рибосомы – особой структуры, в которой и протекает синтез белка. У прокариот молекулы рРНК имеют меньший размер, чем у эукариот. У прокариот трансляция начинается со связывания мРНК с малой рибосомной субъединицей.

молекулы рРНК и 52 молекулы белка.
Молекулярные механизмы считывания генетической

информации

клетке начинается с того, что последовательность Шайна-Дальгарно (Ш-Д) (последовательность

из 8 нуклеотидов), находящаяся вблизи 5’-конца мРНК, связывается с комплементраной 3’-концевой последовательностью рРНК, образующей комплекс с малой рибосомной субъединицей.
Антикодон (UAC) инициаторной fMet-тРНКfMet спаривается со старт-кодоном (AUG) мРНК.

комплексу присоединяется большая рибосомная субъединица, и образуется комплекс инициации.
Аминогруппа

метионина, связанного с инициаторной тРНК, формилирована (группа Н-С=О).
После трансляции формилметионин отщепляется от белковой цепи

Структурная схема формилметионина

(например, CUG) в мРНК связывается с соответствующим антикодоном (GAC)

Leu-тРНКLeu
Метионин образует пептидную связь с лейцином, доставленным тРНКLeu , освободившаяся от аминокислоты инициаторная тРНК отсоединяется.
Происходит транслокация комплекса пептидил-тРНК-мРНК с экспонированием следующего (третьего) кодона (например, UUU).
Третий кодон (UUU) спаривается с соответствующим антикодоном ААА Phe-тРНКPhe .
Лейцин образует пептидную связь с фенилаланином, доставленным тРНКPhe, освободившаяся от аминокислоты тРНКLeu отсоединяется от рибосомы.
Происходит транслокация комплекса пептидил-тРНК-мРНК с экспонированием следующего кодона и т.д.
Эти события повторяются до тех пор, пока рибосома не дойдет до стоп-кодона. Антикодона, который был бы комплементарен стоп-кодону, нетни у одной из тРНК.

трансляции, так же как инициация и элонгация, требует специфических

молекулярных сигналов, которые превращают стоп-сигнал стоп-кодона в диссоциацию комплекса мРНК-рибосома-тРНК-полипетид.

2 особых белковых фактора терминации, которые называются факторами высвобождения

(или отделения) полипептидной цепи от рибосомы (release factors, RF). У бактерий 2 ФАКТОРА ВЫСВОБОЖДЕНИЯ: RF1 и RF2 и GTP-связанный фактор RF3.
После высвобождения из рибосомы вновь синтезированный белок с помощью специальных белков шаперонов сворачивается в свою нативную трехмерную конформацию.

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

соответственно синтез белка должны строго регулироваться, поскольку у клетки

недостаточно ресурсов для одновременной транскрипции и трансляции всех структурных генов.
И прокариоты, и эукариоты ПОСТОЯННО синтезируют только те мРНК, которы необходимы для выполнения основных клеточных функций.
Экспрессия остальных структурных генов осуществляется под строгим контролем регуляторных систем, запускающих транскрипцию только в том случае, когда возникает потребность в определенном белке.

инициируется связыванием РНК-полимеразы с последовательностями ТАТА и TTGAC промоторной

области структурного гена или оперона.
В промоторе большинства структурных генов E.coli имеются 2 сайта связывания для РНК-полимеразы. Один из них (ТАТА-бокс или бокс Прибнова):
ТАТААТ
АТАТТА
А второй –
TTGAC
AACTG
TATA-бокс и последовательность TTGAC расположены за 10 и 35 нуклеотидами до сайта инициации транскрипции соответственно.

(о) между ТАТА-боксом и нуклеотидом +1 во многом зависит,

будет ли происходить транскрипция данного оперона.
В зависимости от способа регуляции транскрипции оперона этот участок называется оператором или активатором.

Схема прокариотического оперона

некоторых оперонов осуществляется при участии эффектора, который изменяет конформацию

белка-репрессора и препятствует блокированию транскрипции.
При уменьшении концентрации эффектора в клетке репрессор связывается с оператором (о) и препятствует перемещению РНК-полимеразы вдоль молекулы ДНК, блокируя таким образом транскрипцию.

с оператором (о) связывается белок-активатор, который увеличивает скорость транскрипции.

Связывание эффектора с активатором может снижать скорость транскрипции. ДНК-белковые взаимодействия, ответственные за регуляцию транскрипции, строго специфичны в отношении определенных структурных генов или оперонов.

оперона.
Репрессор (R) связывается с оператором и блокирует транскрипцию. Связывание

эффектора (Е) с репрессором изменяет его конформацию, и он не может связаться с оператором. РНК-полимераза беспрепятстсвенно перемещается вдоль молекулы ДНК, осуществляя транскрипцию.

оперона.
Связывание корепрессора (С) с неактивным репрессором (IR) изменяет конформацию

последнего. Комплекс корепрессор-репрессор (С-IR) связывается с оператором и блокирует транскрипцию

(Act) связан с участком между ТАТА-боксом и сайтом инициации

транскрипции, скорость транскрипции повышена. Эффектор связывается с активатором и препятстсвует его соединению с ДНК; скорость транскрипции уменьшается.

в качестве организма-хозяина для клонирования генов и их экспресии.
Основной

целью экспериментов по клонированию генов является подбор условий для эффективной экспрессии в нужном организме. Причем сам факт встраивания того или иного гена в клонирующий вектор еще не означает, что этот ген будет экспрессирован.
В то же время для экономической целесообразности – уровень синтеза продукта должен быть достаточно высоким.

много специфических векторов; для этого проводились манипуляции с целым

рядом генетических элементов, контролирующих процессы транскрипции и трансляции, стабильность белков, секрецию продуктов из клетки-хозяина и т.д.
Молекулярно-биологические свойства систем экспрессии:
Тип промотора и терминатора транскрипции;
Прочность связывания мРНК с рибосомой;
Число копий клонированного гена и его локализация (в плазмиде или в хромосоме клетки-хозяина);

синтезируемого продукта;
Эффективность трансляции в организме хозяина;
Стабильность продукта в клетке-хозяине.
Не

существует универсальной стратегии оптимизации экспрессии клонированных генов. Большинство генов имеют уникальные молекулярные свойства, и оптимальные системы экспрессии для каждого из них приходится подбирать всякий раз заново.
Эффективность экспрессии любого чужеродного гена зависит также от его родства с организмом-хозяином.

представители как прокариотических, так и эукариотических организмов способны к

экспрессии чужеродных генов, для получения важных в коммерческом отношении продуктов с помощью технологии рекомбинантных ДНК используют в основном Escherichia coli. Это связано с тем, что генетические, молекулярно-биологические, биохимические и физиологические свойства этого микроорганизма детально изучены. Также используются дрожжи, сенная палочка и др.
Для эффективной экспрессии любого гена совершенно необходимо наличие сильного регулируемого промотора, расположенного перед данным геном. Такой промотор имеет высокое сродство к РНК-полимеразе, поэтому прилегающие к нему последовательности эффективно (с высокой частотой) транскрибируются. Регулируемость промотора позволяет клетке (и исследователю) осуществлять строгий контроль транскрипции.

используется промотор lac (лактозного) оперона кишечной палочки. Однако есть

и другие промоторы, обладающие полезными для контроля экспрессии свойствами.
Для их идентификации перед геном-репортером, кодирующим легко регистрируемый продукт, но лишенным промотора, встраивают случайные фрагменты ДНК.
Хромосомную ДНК разрезают рестрицирующей эндонуклеазой и встраивают фрагменты в плазмиду. Если в результате такой вставки ген-репортер эффективно экспрессируется, то делают вывод, что клонированный фрагмент содержит функциональный промотор.
Большинство генов-репортеров кодируют либо продукты, обуславливающие устойчивость к антибиотикам, либо фермент, который идентифицируется с помощью достаточно простого колориметрического теста.

так, чтобы он находился под контролем постоянно функционирующего сильного

промотора, не всегда приводит к оптимальной экспрессии гена.
Непрерывная экпрессия чужеродного гена может оказаться гибельной для клетки-хозяина, поскольку приводит к истощению ее энергетических ресурсов и нарушению метаболизма (метаболическая перегрузка).
Кроме того, плазмиды, несущие постоянно (конститутивно) экспрессирующийся ген, нередко утрачиваются после нескольких клеточных циклов, поскольку содержащие их клетки растут медленнее и со временем в культуре становятся преобладающими клетки, не содержащие рекомбинантных плазмид.

проблема, мешающая получению продукта – гена, локализованного в плазмиде,

- в промышленных масштабах. Для ее решения нужно научиться контролировать экспрессию таким образом, чтобы клонированный ген экспрессировался только в определенной фазе клеточного цикла и только в течение определенного времени, а для этого нужно использовать сильные регулируемые промоторы. Плазмиды, разработанные для этих целей, называются экспрессирующими векторами.
Сильные регулируемые промоторы:
промотор lac-оперона E.coli;
промотор trp-оперона E.coli;
специально сконструированный tac-промотор, включающий (-10)-область lac-промотора и (-35)-область trp-промотора (участки, находящиеся на расстоянии 10 и 35 bp до сайта инициации транскрипции);
левый, или рL, промотор бактериофага λ;
промотор гена 10 бактериофага Т7.

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.

ПРИМЕНЕНИЕ СИЛЬНЫХ РЕГУЛИРУЕМЫХ ПРОМОТОРОВ

соответствующие белковые репрессоры, которые включают или выключают транскрипцию специфических

генов.
Кроме того, каждый из этих промоторв узнается РНК-полимеразой – холоферментом E. coli , в который входит основной сигма-фактор, присутствующий в клетке в значительно больших количествах, чем другие, минорные сигма-факторы. Благодаря этому транскрипция не останавливается по причине недостатка свободных сигма-факторов.

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 – группа генов, транскрибируемых в составе одной РНК; регулируются совместно и часто обладают общей функцией.
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.