《基因表达与调控》课件

基因表达与调控生物学核心机制概述基因信息流动及调控网络从DNA到功能蛋白质的完整过程课程概述基因表达中心法则DNA到蛋白质的信息传递路径分子机制转录与翻译的精确过程调控网络多层次控制系统生物学意义发育与疾病中的关键作用第一部分：基因表达概述基因表达定义遗传信息从DNA转化为功能分子的过程信息流动DNA→RNA→蛋白质的精确传递生物学意义生命活动的分子基础中心法则回顾1提出Crick于1958年首次提出2核心内容DNA→RNA→蛋白质3现代扩展逆转录与RNA干扰基因表达的生物学意义细胞分化组织特异性表达模式发育调控时空表达精确控制环境适应对刺激的分子响应稳态维持生物体平衡的基础从基因组到功能组1基因组约20,000个编码基因转录组细胞特异RNA表达谱蛋白质组功能执行单位网络第二部分：基因结构与组成启动子基因表达的起始区域外显子编码氨基酸序列内含子剪接中被移除调控元件表达精确控制典型真核基因结构启动区TATA盒、CAAT盒、GC盒5'UTR翻译调控位点编码区外显子与内含子3'UTR稳定性调控启动子与调控元件核心启动子RNA聚合酶结合位点近端启动子50-200bp范围内元件增强子远端正向调控沉默子负向调控元件外显子-内含子组成8.8平均外显子数人类基因的外显子数量90%内含子比例占基因总长度95%选择性剪接人类基因发生率非编码区域的重要性调控元件富集转录因子结合位点非编码RNAmiRNA和lncRNA来源染色质构象三维结构影响表达ENCODE发现功能复杂性揭示第三部分：转录过程转录起始RNA合成的起点转录延伸RNA链的合成转录终止RNA合成完成转录后加工RNA修饰与成熟真核生物转录概述3RNA聚合酶种类I、II、III类不同功能6基础转录因子TFIIA、B、D、E、F、H100+辅因子数量介导调控信号传递RNA聚合酶II介导的转录合成种类mRNA、大多数snRNA和miRNACTD修饰C末端结构域磷酸化共转录加工RNA同步修饰处理转录工厂高效RNA合成中心转录起始机制启动子识别转录因子结合特异序列基础因子组装TFIIA-H的有序募集复合物转变预起始到起始构象变化启动子逃逸聚合酶开始移动转录延伸过程RNA聚合酶II延伸速率约25-50nt/s延伸因子辅助功能暂停与重启精确调控转录终止机制聚腺苷酸化信号AAUAAA序列识别切割位点确定终止因子募集多蛋白复合物组装RNA的释放与处理聚合酶解离与DNA模板分离酶复合物回收利用RNA前体的加工修饰5'端加帽7-甲基鸟苷帽结构RNA剪接内含子精确切除RNA编辑碱基修饰与置换3'端加尾多聚腺苷酸化RNA剪接机制5主要snRNPU1,U2,U4,U5,U62反应步骤两步转酯化过程100+剪接因子精确调控剪接过程选择性剪接与蛋白多样性外显子跳跃特定外显子被整体跳过竞争性剪接位点5'或3'端选择变化互斥性外显子二选一的外显子使用转录后调控网络mRNA降解半衰期精确控制非编码调控miRNA与lncRNA作用RNA修饰表观转录组调控定位调控亚细胞区域定向第四部分：翻译过程密码子系统遗传信息的蛋白质语言核糖体功能蛋白质合成工厂翻译步骤起始、延伸与终止蛋白质修饰功能完善与调控遗传密码子回顾编码氨基酸终止密码子起始密码子密码子简并性：多个密码子编码同一氨基酸摇摆假说：tRNA第三位配对灵活性物种间密码子使用偏好差异翻译机器：核糖体结构组成真核生物80S核糖体大亚基（60S）与小亚基（40S）rRNA催化功能：核糖核酸酶核糖体装配与成熟过程多核糖体转录效率提升tRNA的结构与功能结构特点三叶草二级结构L型三维空间构型功能特性反密码子与密码子配对氨基酰化：携带特定氨基酸翻译起始过程起始复合物形成eIF因子组装起始密码子识别AUG序列定位核糖体亚基结合60S与40S联合翻译起始第一个氨基酸（甲硫氨酸）结合翻译延伸机制tRNA进入A位点eEF1A介导精确定位肽键形成rRNA催化氨基酸连接移位eEF2介导核糖体前移循环持续添加氨基酸链翻译终止与核糖体循环1终止密码子识别UAA、UAG或UGA位点2释放因子结合eRF1和eRF3功能协同3多肽链释放最终蛋白质产物完成4核糖体解离亚基分离为下次翻译做准备翻译后蛋白质修饰磷酸化蛋白质活性开关糖基化分泌蛋白修饰泛素化蛋白质降解标记第五部分：基因表达调控机制1转录调控基因开关控制转录后调控RNA加工与稳定性翻译调控蛋白质合成效率表观遗传调控DNA与染色质修饰转录水平调控概述DNA结合模块序列特异性识别1激活域转录机器募集抑制域转录阻遏协同作用复合调控效应真核转录因子家族锌指结构C2H2与C4类型螺旋-转角-螺旋bHLH蛋白亮氨酸拉链bZIP结构域染色质结构与基因表达1核小体DNA缠绕组蛋白组蛋白修饰染色质开放状态调控染色质重塑ATP依赖性复合体作用高级结构三维空间基因互作表观遗传调控机制DNA甲基化CpG位点修饰组蛋白修饰乙酰化、甲基化等组蛋白变体H2A.Z、H3.3等替换非编码调控RNA参与染色质修饰转录后RNA调控RNA结合蛋白多功能调控因子影响RNA加工与寿命miRNA调控基因沉默作用靶点识别与抑制RNA修饰甲基化等化学修饰编辑改变碱基身份miRNA介导的基因沉默miRNA生物合成从基因转录到成熟miRNARISC复合体组装miRNA与Argonaute蛋白结合靶点识别种子序列与3'UTR配对效应执行翻译抑制或mRNA降解长非编码RNA调控网络染色质修饰引导组蛋白修饰复合物骨架功能核仁与核小体组织X染色体失活XistRNA引导表观沉默转录调控增强子RNA功能翻译水平调控5'UTR结构二级结构影响翻译效率IRES元件非依赖帽结构的翻译起始上游ORF主ORF翻译的调控元件miRNA作用翻译抑制机制蛋白质水平调控泛素-蛋白酶体降解途径修饰调控蛋白活性相互作用网络与功能关联第六部分：基因调控网络组织原理模块化网络结构反馈环路网络稳定性控制时空特异性精确的表达调控系统生物学整体研究方法4调控网络基本原理模块化组织调控元件功能单元网络结构层次性尺度无关特性少数节点高度连接多数节点连接度低网络稳健性对扰动的抵抗能力冗余机制确保稳定反馈与前馈环路负反馈回路系统稳定性维持正反馈回路双稳态开关机制前馈环路信号滤波功能发育过程中的基因调控形态发生梯度位置信息建立调控级联主调控基因激活3细胞命运决定分化途径选择4器官发育组织形成调控网络环境应答的调控网络压力应答激活保护机制热休克反应HSF转录因子活化缺氧应答HIF信号通路营养感知代谢调控网络第七部分：基因表达研究技术表达检测RNA与蛋白质定量技术功能研究基因干扰与编辑方法组学分析高通量大数据技术合成生物学人工基因线路构建基因表达检测技术PCR技术RT-PCR与实时定量PCR芯片技术基因表达谱分析3测序技术全转录组与单细胞分析原位杂交组织中表达可视化基因组功能注释技术ChIP-seq染色质免疫沉淀测序转录因子结合位点图谱ATAC-seq转座酶可及性分析染色质开放区域鉴定Hi-C技术染色质构象捕获三维基因组结构解析第八部分：医学与应用疾病机制基因表