Белорусский государственный университет

» июня 2011 г.

« 10

Регистрационный № УД-4259/уч.

Регуляторные механизмы клетки

Учебная программа для специальности:

1-31 01 01 Биология

специализаций 1-31 01 01-01 25 и 1-31 01 01-02 25 Молекулярная биология

2011

СОСТАВИТЕЛЬ:

Евгений Артурович Николайчик, доцент кафедры молекулярной биологии Белорусского государственного университета, кандидат биологических наук, доцент РЕЦЕНЗЕНТЫ:

Николай Александрович Картель, заведующий лабораторией молекулярной генетики Государственного научного учреждения «Институт генетики и цитологии Национальной академии наук Беларуси», доктор биологических наук, академик Национальной академии наук Беларуси Ольга Валентиновна Фомина, доцент кафедры микробиологии Белорусского государственного университета, кандидат биологических наук, доцент

РЕКОМЕНДОВАНА К УТВЕРЖДЕНИЮ В КАЧЕСТВЕ УЧЕБНОЙ:

Кафедрой молекулярной биологии Белорусского государственного университета (протокол № 13 от 20 мая 2011 г.);

Учебно-методической комиссией биологического факультета Белорусского государственного университета (протокол № 11 от 26 мая 2011 г.);

Научно-методическим советом Белорусского государственного университета (протокол № 4 от 31 мая 2011 г.) Ответственный за редакцию: Евгений Артурович Николайчик Ответственный за выпуск: Евгений Артурович Николайчик

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Жизнедеятельность клеток как одноклеточных, так и многоклеточных организмов протекает в постоянно изменяющихся условиях. Адаптация к меняющимся условиям определяет присутствие в клетке соответствующих метаболических путей, значительная часть которых может потребоваться только в определенных условиях и в течение только некоторой части жизненного цикла клетки. Ограниченность доступных клетке ресурсов определяет необходимость их строгой экономии для сохранения конкурентоспособности организма, поэтому значительная часть метаболических путей экспрессируется в клетке только в случае необходимости. Контроль за экспрессией соответствующих генов осуществляют разнообразные регуляторные системы, пониманию принципов организации и механизмов действия которых и должно способствовать изучение курса Регуляторные механизмы клетки.

Цель курса – сформировать у студентов целостную систему знаний о принципах контроля метаболических процессов в клетке.

В задачи дисциплины входит изучение общих принципов регуляции клеточных процессов на различных стадиях экспрессии геномной информации, молекулярных механизмов, определяющих перестройку метаболических процессов при стрессовых воздействиях, молекулярных механизмов межклеточных коммуникаций, а также механизмов контроля локализации белков внутри клетки и за ее пределами.

В результате изучения дисциплины обучаемый должен:

знать:

Общие принципы регуляции клеточных процессов;

1.

Молекулярные механизмы взаимодействия регуляторных белков с 2.

нуклеиновыми кислотами;

Особенности регуляторных процессов в клетках про- и эукариот;

3.

Принципы регуляции на стадии инициации и терминации транскрипции;

Механизмы контроля стабильности мРНК, в том числе принципы регуляции при помощи малых регуляторных РНК и механизм РНК-интерференции;

Механизмы контроля нативной структуры и деградации белков в 6.

клетках про- и эукариот, их транспорта в различные компартменты клетки и за ее пределы;

Принципы организации сенсорных систем и сигнальных каскадов;

7.

Основные принципы контроля клеточного цикла;

8.

Механизмы адаптации клетки к стрессовым условиям;

9.

уметь:

Предложить возможные пути повышения или понижения экспрессии определенных метаболических путей за счет воздействия на известные регуляторные процессы использовать знания о принципах регуляции метаболизма при создании организмов-продуцентов каких-либо соединений;

Оценить возможные последствия изменения условий культивирования для основных метаболических процессов модельных организмов Чтение лекционного курса рассчитано на использование большого количества иллюстративного материала в виде мультимедийных презентаций.

Теоретические положения лекционного курса развиваются и закрепляются на семинарских занятиях, во время которых проводится также контроль самостоятельной работы студентов.

При организации самостоятельной работы студентов по курсу следует использовать комплекс учебных и учебно-методических материалов в системе eUniversity (программу, методические пособия, список рекомендуемых источников литературы и информационных ресурсов, а также ключевые обзорные и жкспериментальные статьи).

Для общей оценки усвоения студентами учебного материала рекомендуется введение рейтинговой системы.

Программа учебного курса рассчитана на 102 часа, в том числе 40 часов аудиторных: 26 – лекционных, 10 – лабораторных занятий, 4 – контролируемой самостоятельной работы.

ПРИМЕРНЫЙ ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН

Принципы транскрипционной регуляции Транскрипционный контроль Посттрансляционная регуляция Межклеточные коммуникации Сенсорные системы стрессовым условиям Контроль локализации белков

СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА

Необходимость регуляции клеточного метаболизма. Значение контроля метаболизма клеток продуцентов в биотехнологических процессах. Уровни регуляции метаболизма. Дополнительные уровни регуляции метаболизма у эукариот.

Общая характеристика регуляторных механизмов.

Понятие о единице транскрипции. Опероны у про- и эукариот. Инициация и терминация транскрипции как процессы, в наибольшей степени подверженные контролю.

Регуляторные белки (транскрипционные факторы): cтруктура, связывание с ДНК, взаимодействие с РНК-полимеразой и между собой, механизм репрессии и активации транскрипции. Значение ди- и олигомеризации регуляторных белков.

Основные белковые домены, узнающие специфические последовательности ДНК (спираль-поворот-спираль, спираль-петля-спираль, гомеодомен, "лейциновая застежка", "цинковые пальцы"). Модули последовательностей ДНК, узнаваемые регуляторными белками (промоторы и энхансеры, операторы). Промоторы эукариот: размеры, положение, структура и механизм распознавания различными РНКполимеразами. Промоторные элементы, контролирующие точку инициации и интенсивность транскрипции.

Стадии инициации транскрипции. Различия механизмов инициации у про- и эукариот.

Опероны бактерий. Понятие об индуцибельных и репрессибельных оперонах. Негативная и позитивная регуляция оперонов бактерий на примере лактозного, арабинозного и триптофанового оперона. Понятие о регулоне. Регуляторная роль бактериальной фосфотрансферазной системы. Механизмы катаболитной репрессии.

Контроль утилизации галактозы у дрожжей. Модульная организация регуляторных белков. Дрожжевые двухгибридные системы.

Контроль терминации транскрипции. Антитерминация. Белки N и Q фага. nut-сайты и Nus-белки. bgl-оперон.

Контроль процессинга пре-мРНК (транс-сплайсинг, альтернативный сплайсинг, альтернативное полиаденилирование).

Регуляция стабильности мРНК. Факторы, влияющие на стабильность мРНК.

РНКазы, участвующие в деградации мРНК (РНКаза Е, РНКаза III, полинуклеотидфосфорилаза, РНКаза II). Мультибелковые комплексы деградации РНК. РНК-хеликазы в деградации РНК. Действие полиаденилирования на стабильность бактериальных и эукариотических мРНК.

Участие нетранслируемых молекул РНК в регуляции: контроль инициации репликации ДНК, процессинга РНК и ее трансляции. Антисмысловая РНК.

МикроРНК как регулятор. РНК-интерференция.

Фолдинг и деградация белков как компоненты регуляторных систем. Формирование нативной трехмерной структуры белков. Молекулярные шапероны семейств Hsp60 и Hsp70 у про- и эукариот. Рабочий цикл шаперонных комплексов GroELS и DnaKJ-GrpE. Участие молекулярных шаперонов в регуляторных процессах.

Деградация белков: АТФ-зависимые протеазы прокариот и 26S-протеасома эукариот. Механизм распознавания аномальных белков. Система убиквитинирования белков эукариот. Роль контролируемого протеолиза в регуляции метаболизма у про- и эукариот.

Автоиндукторы бактерий и их синтез. Роль АГСЛ-сигналов в экологии бактериальных популяций. Контроль биолюминесценции у Vibrio fischeri.

Регуляция синтеза экзоферментов и антибиотиков у Erwinia.

Рецепторы стероидных гормонов животных.

Общие принципы сенсорной регуляции. Передача информации через клеточную мембрану. Белковые каналы, транспортеры и рецепторы. Рецепторная функция воротных каналов. Роль киназ и G-белков в регуляции.

Двухкомпонентные сенсорные системы. Структура сенсоров и регуляторов и их функционирование. Архитектура регуляторных систем. Фосфотрансляционные системы. Работа двухкомпонентной системы EnvZ/OmpR при осморегуляции.

Распространение двухкомпонентных сенсорных систем у различных представителей про- и эукариот.

Хемотаксис у бактерий Устройство и принцип действия двигательного аппарата бактерий. Регуляция синтеза жгутикового аппарата. Белковый аппарат хемотаксиса. Рецепторы хемотаксиса. Цитоплазматические сигнальные белки и регуляторный механизм хемотаксиса. Метилазы хемотаксиса и сенсорная адаптация.

Сенсорные процессы и внутриклеточная регуляция у эукариот.

Сенсорные механизмы эукариот. Компоненты сигнальных путей (рецепторы, G-белки, адапторы, эффекторы, вторичные мессенджеры). Киназы как компоненты сигнальных путей. Типы протеинкиназ. Способы передачи сигнала через клеточную мембрану. Типы трансмембранных рецепторов и механизмы их активации. Тримерные и мономерные G-белки: структура и принцип действия. Способы передачи сигнала в ядро. Контроль специфичности сигнализации. Сигнальные пути cAMP-PKA, TGF-Smad, JAK-STAT и Ras-MAPK.

Особенности сенсорных процессов у растений. Различия сенсорных процессов растений и животных. Молекулярные механизмы действия основных фитогормонов и света на метаболизм клеток растений (на уровне транскрипционного контроля). Особенности строения мембранных рецепторов растений. LRR-домен.

Принцип детекции патогенов и активации защитных ответов растений. Молекулярный контроль пролиферации и дифференциации клеток меристемы.

VII Механизмы адаптации клетки к стрессовым условиям Контроль стрессовых регулонов бактерий при помощи альтернативных факторов РНК-полимеразы. Физиологические функции, находящиеся под контролем альтернативных сигма-факторов. Промоторы и регуляторные белки, участвующие во взаимодействии с альтернативными сигма-факторами.

Общий стресс: регулон RpoS.

Периплазматический стресс: регулон RpoE.

Температурный шок. Контроль регулона теплового шока у различных бактерий. Тепловой шок у дрожжей.

Холодовой шок.

Кислородный стресс и редокс контроль. Активные формы кислорода: их повреждающее действие и механизм инактивации. Причина кислородного стресса. Механизмы окислительных повреждений клетки. Защита от окислительного стресса. Регулоны SoxRS и OxyR. Адаптация к анаэробиозу.

Белок FNR как сенсор кислорода.

Утилизация азота. Детекция внутриклеточной концентрации азота, компоненты регуляторной системы. Структура и особенности функционирования белков RpoN и NtrC.

Взаимосвязь инициации репликации и деления клетки. Контроль эукариотического клеточного цикла. Циклины и циклинзависимые киназы. Роль протеолиза в контроле клеточного цикла.

Деление бактериальной клетки и его регуляция. Особенности организации генов, участвующих в делении клеток и их функции. Регуляция клеточного цикла у Escherichia coli и Caulobacter crescentus. Споруляция у Bacillus subtilis:

механизм принятия решения о начале споруляции и каскадная активация альтернативных сигма-факторов на разных стадиях споруляции.

Секреция белков. Сходство и различия секреторных аппаратов про- и эукариот. Сигналы секреции и внутриклеточной локализации: общие принципы.

Секреция белков у прокариот: Sec-аппарат, системы секреции I-IV типов (организация, субстратспецифичность, регуляция).

Распределение белков по компартментам клетки эукариот. Котрансляционная транслокация белков в полость эндоплазматического ретикулума. SRPчастица и ее рецептор. Модификации белков в полости ЭР и их последующая сортировка. Транспорт белков в митохондрии и хлоропласты, контроль локализации белков внутри этих органелл. Транспорт белков через ядерные поры и его контроль.

Николайчик Е.А. Регуляция метаболизма клетки / Е.А. Николайчик. Мн.: Издво БГУ, Патрушев Л. И. Экспрессия генов / Л. И. Патрушев. М.: Наука, Пташне М. Переключение генов / М. Пташне. М.: Мир, Льюин Б. Гены / Б. Льюин. М.: Мир, 1987.

Крутецкая З. И. Механизмы внутриклеточной сигнализации / З. И. Крутецкая, О. Е. Лебедев, Л. С. Курилова. СПб.: Изд-во С. Петерб. Ун-та, 1. Lewin B. Genes VIII. / B. Lewin. Prentice Hall, 2004.

2. Watson J. D. Molecular Biology of the Gene, Fifth Edition / J. D. Watson, T. A. Baker, S. P. Bell, A. Gann, M. Levine, R. Losick. CSH Laboratory Press, 3. Lodish H. Molecular Cell Biology (5th Edition) / H. Lodish, A. Berk, P.

Matsudaira, C. A. Kaiser, M. Krieger, M. P. Scott, L. Zipursky, J. Darnell. New York: W.H. Freeman & Company. 2004.

4. Alberts B. Molecular Biology of the Cell, Fourth Edition / B. Alberts, A.

Johnson, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, P. Walter. New York: Garland Publishing, Альбертс Б. Молекулярная биология клетки / Б. Альбертс, Д. Брей, Дж. Льюис, М. Рефф, К. Робертс, Дж. Уотсон. М.: Мир, 1994. Т. 1–3.

Молекулярная биология. Структура и биосинтез нуклеиновых кислот / под ред. А.С. Спирина. М.: Высшая школа. 1990.