《基因的表达与调控》课件

基因的表达与调控生命奥秘的分子机制课程介绍与学习目标课程介绍学习目标本课程旨在全面介绍基因表达与调控的分子机制，涵盖中心法则、•理解基因表达的基本概念和中心法则转录、翻译、加工、基因调控、表观遗传学等方面的内容我RNA•掌握转录、翻译等关键过程的分子机制们将深入剖析每个环节的生物化学过程和调控机制，帮助大家掌握•了解原核生物和真核生物基因表达调控的不同特点基因表达调控的基本原理和应用•理解表观遗传学在基因表达调控中的作用•了解基因表达异常与疾病的关系什么是基因表达基因表达的定义基因表达的意义基因表达的层次12基因表达是指细胞利用基因中编码的基因表达决定了细胞的类型、功能和信息合成功能性基因产物（通常是蛋生命周期不同细胞类型表达不同的白质或RNA）的过程它是细胞实现基因，从而执行不同的功能基因表其特定功能的基础，也是生命活动的达的调控对于细胞的正常发育、生长重要组成部分和适应环境变化至关重要基因表达的基本概念基因转录基因是分子上携带遗传信息的转录是指以为模板合成的DNA DNA RNA特定序列，是决定生物性状的基本过程，由RNA聚合酶催化转录过单位一个基因通常编码一个蛋白程将基因中的遗传信息转录到RNA质或RNA分子分子中翻译翻译是指以为模板合成蛋白质的过程，由核糖体催化翻译过程将mRNA分子中的遗传信息翻译成蛋白质的氨基酸序列RNA从到蛋白质的中心法则DNA蛋白质DNA RNADNA是遗传信息的载体，存储着生物体的所RNA是DNA的信使，将DNA中的遗传信息传蛋白质是生命活动的主要执行者，参与细胞有遗传信息DNA通过复制将遗传信息传递递给核糖体RNA参与蛋白质的合成和基因的各种生物化学反应和结构组成蛋白质的给子代细胞表达的调控功能决定了细胞的类型和功能中心法则描述了遗传信息从到再到蛋白质的传递过程，是分子生物学的核心概念中心法则解释了基因如何通过转录和翻译来实DNA RNA现其信息的表达转录过程详解起始1聚合酶与上的启动子序列结合，开始转录过程RNA DNA延长2聚合酶沿着模板移动，合成分子RNA DNA RNA终止3聚合酶到达上的终止信号，转录过程结束，分子释RNA DNA RNA放转录过程是将上的遗传信息复制到上的关键步骤聚合酶在转录过DNA RNA RNA程中发挥着核心作用，它能够识别启动子序列，解旋，并合成分子DNA RNA聚合酶的作用机制RNA结合聚合酶识别并结合到的启动子区域RNA DNA解旋聚合酶解旋双链，形成转录泡RNA DNA合成聚合酶利用模板合成分子RNA DNARNA释放聚合酶到达终止信号，释放分子并与分离RNA RNA DNA聚合酶是一种复杂的酶，它具有多种功能，包括识别启动子、解旋、合成RNADNA和终止转录聚合酶的作用机制是转录过程的核心RNA RNA启动子与转录因子转录因子转录因子是一类能够与上的特定序列DNA2结合，从而调控基因转录的蛋白质转录启动子因子可以激活或抑制基因的转录1启动子是上位于基因起始位点附近DNA的特定序列，是聚合酶结合的位点，RNA决定了转录的起始位置和方向调控转录因子通过与启动子区域的结合，DNA影响聚合酶的活性，从而调控基因的RNA3转录启动子和转录因子是基因转录调控的重要元件启动子决定了转录的起始，而转录因子则通过与启动子结合来调控转录的效率真核生物转录的特点染色质结构1真核生物的DNA存在于染色质中，需要进行染色质重塑才能进行转录多种聚合酶RNA2真核生物有三种聚合酶，分别负责不同类型的转录RNA RNA转录因子复杂3真核生物的转录因子种类繁多，调控机制复杂转录后加工4真核生物的需要经过转录后加工才能成为成熟的RNA mRNA真核生物的转录过程比原核生物复杂，受到多种因素的调控染色质结构、聚合酶种类、转录因子和转录后加工等都对基因表达产生重要RNA影响转录后加工RNA加帽1在的端添加帽子结构，保护免受降解mRNA5mRNA剪接2切除中的内含子，保留外显子，形成连续的编码序列mRNA加尾3在的端添加尾巴，增加的稳定性mRNA3PolyA mRNA转录后加工是真核生物基因表达的重要步骤通过加帽、剪接和加尾，分子变得更加稳定，能够有效地进行翻译RNA RNA剪接mRNAConstitutive AlternativemRNA剪接是指切除mRNA中的内含子，保留外显子的过程剪接过程由剪接体（spliceosome）催化mRNA剪接可以产生不同的mRNA异构体，从而增加蛋白质的多样性大约40%的人类基因发生可变剪接的修饰RNA甲基化假尿苷化腺嘌呤脱氨在分子上添加甲基基团，影响的结将尿嘧啶转化为假尿嘧啶，影响的结构将腺嘌呤转化为肌苷，改变的编码信息RNA RNA RNA RNA构和功能和稳定性的修饰是一种重要的基因表达调控机制的修饰可以影响的结构、稳定性、翻译和定位，从而调控基因的表达RNA RNA RNA翻译过程概述翻译的场所翻译的原料翻译的步骤翻译发生在核糖体上核糖体是细胞内负翻译需要mRNA、tRNA、氨基酸和各种酶翻译包括起始、延长和终止三个步骤在责蛋白质合成的细胞器，由和蛋白质的参与提供遗传信息，负责起始阶段，核糖体与结合在延长rRNA mRNAtRNA mRNA组成将氨基酸运送到核糖体，氨基酸是合成蛋阶段，核糖体沿着mRNA移动，将氨基酸白质的Building blocks连接成多肽链在终止阶段，核糖体到达终止密码子，翻译结束核糖体的结构与功能结构功能结合位点123核糖体由大小两个亚基组成每个亚核糖体是蛋白质合成的机器它能够核糖体上有三个结合位点A位点、P基都包含和蛋白质识别上的密码子，结合相应的位点和位点位点结合携带氨基酸rRNA mRNAE A，并将氨基酸连接成多肽链的，位点结合携带肽链的，tRNA tRNAP tRNA位点是离开核糖体的位点E tRNA核糖体是细胞内负责蛋白质合成的重要细胞器核糖体的结构和功能是蛋白质翻译的关键遗传密码密码子简并性通用性密码子是mRNA上由三个核苷酸组成的遗传密码具有简并性，即一个氨基酸可遗传密码具有通用性，即大多数生物使序列，编码一个氨基酸共有64个密码以由多个密码子编码这种简并性可以用相同的遗传密码这表明所有生物都子，其中61个编码氨基酸，3个是终止减少由于基因突变引起的蛋白质错误起源于共同的祖先密码子遗传密码是上的密码子与氨基酸之间的对应关系理解遗传密码是理解蛋白质翻译的关键mRNA的作用tRNA氨基酸反密码子核糖体负责携带特定的氨上的反密码子与将氨基酸运送到核tRNA tRNAtRNA基酸mRNA上的密码子互补糖体，参与蛋白质的合配对成是翻译过程中的重要分子，它能够识别上的密码子，并携带相应的氨tRNA mRNA基酸到核糖体，参与蛋白质的合成翻译起始结合mRNA1与核糖体小亚基结合mRNA起始结合tRNA2起始（携带甲硫氨酸）与上的起始密码子（）结tRNA mRNAAUG合核糖体大亚基结合3核糖体大亚基与小亚基结合，形成完整的核糖体翻译起始是蛋白质合成的第一步，它决定了翻译的起始位置和方向翻译起始需要多种起始因子的参与翻译延长密码子识别结合肽键形成转位tRNA核糖体识别mRNA上的下一个携带相应氨基酸的tRNA与核糖体催化肽键的形成，将氨核糖体沿着mRNA移动一个密密码子mRNA上的密码子结合基酸连接到肽链上码子的距离翻译延长是蛋白质合成的核心步骤，它将氨基酸逐个连接成多肽链翻译延长需要多种延长因子的参与翻译终止释放因子2释放因子识别终止密码子，并与核糖体结合终止密码子1核糖体到达上的终止密码子mRNA（、、）UAA UAGUGA多肽链释放释放因子催化多肽链从上释放，翻tRNA3译结束翻译终止是蛋白质合成的最后一步，它将多肽链从核糖体上释放翻译终止需要释放因子的参与蛋白质折叠一级结构1氨基酸序列二级结构2螺旋和折叠αβ三级结构3多肽链的整体三维结构四级结构4多个多肽链的组合蛋白质折叠是指多肽链形成特定的三维结构的过程蛋白质的正确折叠是其发挥功能的前提蛋白质折叠受到多种因素的影响，包括分子伴侣的辅助基因表达调控的重要性细胞分化1基因表达调控决定了细胞的类型和功能发育2基因表达调控控制了生物体的正常发育适应3基因表达调控使生物体能够适应环境的变化疾病4基因表达调控的异常会导致疾病的发生基因表达调控是生命活动的核心基因表达调控的正常进行对于细胞的正常功能、生物体的正常发育和适应环境变化至关重要基因表达调控的异常会导致疾病的发生原核生物基因表达调控原核生物基因表达调控主要发生在转录水平原核生物通过调节RNA聚合酶的活性和mRNA的稳定性来调控基因的表达转录调控占原核生物基因表达调控的80%乳糖操纵子模型无乳糖有乳糖阻遏蛋白与操纵序列结合，阻止聚合酶的结合，基因不表达乳糖与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白与操纵序列分离，聚合酶能够RNA RNA结合，基因表达乳糖操纵子是原核生物基因表达调控的经典模型乳糖操纵子通过阻遏蛋白的结合和分离来调控乳糖代谢相关基因的表达原核生物转录调控机制阻遏蛋白激活蛋白小分子阻遏蛋白与DNA上的特定序列结合，阻止激活蛋白与DNA上的特定序列结合，促进小分子可以与阻遏蛋白或激活蛋白结合，聚合酶的结合，抑制基因的转录聚合酶的结合，激活基因的转录影响其与的结合，从而调控基因的转RNA RNADNA录原核生物通过阻遏蛋白、激活蛋白和小分子的相互作用来调控基因的转录这些调控机制使原核生物能够快速适应环境的变化真核生物基因表达调控转录水平1通过调控转录因子的活性和染色质结构来调控基因的转录转录后水平2通过调控的加工、稳定性、翻译和定位来调控基因的表达RNA翻译水平3通过调控核糖体的活性和翻译起始因子来调控基因的表达蛋白水平4通过调控蛋白质的修饰、定位和降解来调控基因的表达真核生物基因表达调控比原核生物复杂，发生在多个水平上转录水平、转录后水平、翻译水平和蛋白水平的调控共同决定了基因的表达转录水平调控转录因子染色质结构转录因子与上的特定序列结合，染色质的紧密程度影响聚合酶DNARNA调控RNA聚合酶的活性，从而调控的结合，从而调控基因的转录基因的转录甲基化DNA甲基化可以抑制基因的转录DNA转录水平调控是真核生物基因表达调控的主要方式转录因子、染色质结构和甲基化等因素共同参与了转录水平的调控DNA染色质结构对基因表达的影响常染色质异染色质组蛋白修饰染色质结构松散，基因染色质结构紧密，基因组蛋白的修饰可以改变容易表达难以表达染色质的结构，从而影响基因的表达染色质结构对基因表达有重要影响常染色质结构松散，基因容易表达；异染色质结构紧密，基因难以表达组蛋白的修饰可以改变染色质的结构，从而影响基因的表达组蛋白修饰乙酰化1组蛋白乙酰化通常与基因的激活相关甲基化2组蛋白甲基化可以激活或抑制基因的表达，取决于甲基化的位点磷酸化3组蛋白磷酸化可以调控基因的转录、修复和细胞凋亡DNA组蛋白修饰是表观遗传调控的重要方式组蛋白的乙酰化、甲基化和磷酸化等修饰可以改变染色质的结构，从而影响基因的表达转录因子的多样性基本转录因子参与所有基因的转录，如、等TFIID TFIIB激活转录因子促进特定基因的转录，如、等AP-1NF-κB阻遏转录因子抑制特定基因的转录，如、等REST Sin3A转录因子是真核生物基因表达调控的重要元件转录因子种类繁多，功能各异，共同参与了基因表达的调控甲基化DNA岛CpG2甲基化主要发生在岛区域DNA CpG甲基转移酶1甲基化由甲基转移酶（）DNA DNADNMTs催化基因沉默甲基化通常与基因的沉默相关DNA3甲基化是指在分子上添加甲基基团的过程甲基化是一种重要的表观遗传修饰，可以抑制基因的转录DNA DNA DNA转录后调控机制剪接RNA1可变剪接可以产生不同的mRNA异构体编辑RNA2编辑可以改变的编码信息RNA RNA稳定性RNA3稳定性影响的寿命和翻译效率RNA RNA定位RNA4定位决定了的翻译场所RNA RNA转录后调控机制包括剪接、编辑、稳定性调控和定位调控这些调控机制可以精细地调控基因的表达RNA RNA RNARNA稳定性调控mRNA帽子51帽子可以保护免受降解5mRNA尾巴3PolyA2尾巴可以增加的稳定性3PolyA mRNA结合蛋白RNA3结合蛋白可以与结合，影响其稳定性RNA mRNA稳定性调控是指通过调节的寿命来调控基因的表达帽子、尾巴和结合蛋白等因素都对的稳定性产生重mRNA mRNA53PolyA RNAmRNA要影响的作用miRNAmRNA DegradationTranslation InhibitionmiRNA是一类小的非编码RNA，可以通过与靶mRNA结合，导致mRNA降解或抑制翻译，从而调控基因的表达miRNA参与了细胞的多种生物学过程，如发育、分化和凋亡60%的miRNA会导致mRNA的降解，40%会导致翻译的抑制蛋白水平调控蛋白质修饰蛋白质定位蛋白质降解蛋白质修饰可以改变蛋白质的活性、定位和蛋白质定位决定了蛋白质的功能场所蛋白质降解可以调节细胞内蛋白质的含量稳定性蛋白水平调控是指通过调节蛋白质的修饰、定位和降解来调控基因的表达蛋白水平调控是基因表达调控的重要组成部分蛋白质降解泛素蛋白酶体途径自噬-泛素-蛋白酶体途径是细胞内主要的蛋白质降解途径泛素是一种自噬是一种细胞自吞过程，可以降解细胞内的蛋白质和细胞器自小的蛋白质，可以标记需要降解的蛋白质蛋白酶体是一种蛋白酶噬在细胞的生长、发育和适应环境变化中发挥重要作用复合体，可以降解泛素化的蛋白质蛋白质降解是细胞内蛋白质稳态的重要组成部分泛素蛋白酶体途径和自噬是细胞内主要的蛋白质降解途径-蛋白质修饰磷酸化乙酰化12在蛋白质上添加磷酸基团，可以改变蛋白质的活性、定位和与其在蛋白质上添加乙酰基团，可以改变蛋白质的结构和功能他蛋白质的相互作用甲基化糖基化34在蛋白质上添加甲基基团，可以改变蛋白质的结构和功能在蛋白质上添加糖基，可以改变蛋白质的折叠、稳定性和与其他分子的相互作用蛋白质修饰是指在蛋白质分子上添加化学基团的过程蛋白质修饰可以改变蛋白质的活性、定位和稳定性，从而调控基因的表达表观遗传学概念定义机制表观遗传学是指不涉及序列改表观遗传调控机制包括甲基化、DNA DNA变，但能够影响基因表达的可遗传组蛋白修饰和非编码RNA等的改变表观遗传改变可以通过细胞分裂传递给子代细胞影响表观遗传改变可以影响细胞的分化、发育和疾病的发生表观遗传学是研究不涉及序列改变，但能够影响基因表达的可遗传的改变的DNA学科表观遗传改变在细胞的分化、发育和疾病的发生中发挥重要作用表观遗传调控机制甲基化组蛋白修饰非编码DNARNA在DNA分子上添加甲基组蛋白的修饰可以改变非编码RNA可以与DNA、基团，通常与基因的沉染色质的结构，从而影RNA或蛋白质结合，调默相关响基因的表达控基因的表达表观遗传调控机制包括甲基化、组蛋白修饰和非编码等这些调控机制DNARNA共同参与了基因表达的调控环境对基因表达的影响营养1营养可以影响基因的甲基化和组蛋白修饰，从而调控基因的表达环境毒素2环境毒素可以改变基因的表达，导致疾病的发生生活方式3生活方式如吸烟、饮酒和运动等可以影响基因的表达环境因素可以影响基因的表达营养、环境毒素和生活方式等都可以改变基因的甲基化和组蛋白修饰，从而调控基因的表达表观遗传遗传细胞分裂表观遗传改变可以通过细胞分裂传递给子代细胞跨代遗传在某些情况下，表观遗传改变可以通过生殖细胞传递给后代环境适应表观遗传遗传可以使生物体更好地适应环境的变化表观遗传遗传是指表观遗传改变可以通过细胞分裂传递给子代细胞，甚至可以通过生殖细胞传递给后代表观遗传遗传可以使生物体更好地适应环境的变化基因表达异常与疾病遗传病2某些遗传病是由于基因表达调控的缺陷引起的癌症1基因表达异常是癌症发生的重要原因自身免疫病基因表达异常可能导致自身免疫病的发生3基因表达异常与多种疾病的发生密切相关癌症、遗传病和自身免疫病等都可能与基因表达调控的缺陷有关癌症中的基因表达调控癌基因激活1癌基因的激活可以促进细胞的生长和增殖肿瘤抑制基因失活2肿瘤抑制基因的失活可以导致细胞的异常生长表观遗传改变3表观遗传改变可以影响癌基因和肿瘤抑制基因的表达癌症的发生与基因表达调控的异常密切相关癌基因的激活、肿瘤抑制基因的失活和表观遗传改变等都可能导致癌症的发生遗传病与基因表达基因突变1基因突变可以改变基因的表达水平基因拷贝数变异2基因拷贝数变异可以影响基因的表达水平表观遗传改变3表观遗传改变可以影响基因的表达水平某些遗传病是由于基因表达调控的缺陷引起的基因突变、基因拷贝数变异和表观遗传改变等都可能导致遗传病的发生表达调控研究技术研究基因表达调控需要多种技术的支持RNA测序、ChIP-seq、单细胞转录组分析和CRISPR基因编辑技术等都是常用的研究技术其中RNA测序技术使用最为广泛，占到40%测序RNA提取文库构建测序数据分析RNA从细胞或组织中提取RNA将RNA转化为cDNA，并构建测使用高通量测序技术对文库进行分析测序数据，确定基因的表达序文库测序水平测序是一种高通量测序技术，可以对细胞或组织中的所有分子进行测序，从而确定基因的表达水平测序是研究基因表达调RNARNARNA控的重要工具技术ChIP-seq染色质免疫沉淀测序数据分析DNA使用抗体富集与特定蛋白结合的片段对富集的片段进行测序分析测序数据，确定蛋白与的结合位DNA DNADNA点技术是一种研究蛋白质与相互作用的技术通过技术，可以确定转录因子、组蛋白修饰等蛋白与的结合位点，ChIP-seq DNAChIP-seq DNA从而研究基因表达的调控机制单细胞转录组分析单细胞分离提取与测序12RNA将细胞分离成单个细胞从单个细胞中提取RNA，并进行测序数据分析3分析测序数据，确定单个细胞的基因表达谱单细胞转录组分析是一种可以研究单个细胞基因表达谱的技术通过单细胞转录组分析，可以揭示细胞间的异质性，从而更深入地理解基因表达调控的机制基因编辑技术CRISPR蛋白修复Cas9guide RNADNA蛋白是一种可以切割的核酸酶可以引导蛋白到特定的细胞的修复机制可以修复蛋白切Cas9DNA guideRNA Cas9DNADNACas9序列割的DNA片段，从而实现基因的编辑基因编辑技术是一种可以精确编辑基因的技术通过基因编辑技术，可以实现基因的敲除、插入和替换，从而研究基因的CRISPR CRISPR功能和调控机制基因表达调控的前沿研究表观遗传学非编码单细胞技术RNA表观遗传学在疾病发生中的作用非编码RNA在基因表达调控中的功能单细胞技术在揭示细胞异质性中的应用基因表达调控是生命科学研究的热点领域表观遗传学、非编码和单细胞技术等是基因表达调控研究的前沿方向RNA精准医疗基因组测序基因表达谱分析12通过基因组测序了解个体的基通过基因表达谱分析了解个体因组信息的基因表达情况个体化治疗3根据个体的基因组信息和基因表达情况制定个体化的治疗方案精准医疗是指根据个体的基因组信息和基因表达情况制定个体化的治疗方案基因表达调控研究为精准医疗提供了重要的理论基础和技术支持个性化治疗药物选择剂量调整疗效预测根据个体的基因表达情况选择最有效的根据个体的基因表达情况调整药物的剂根据个体的基因表达情况预测治疗的疗药物量效个性化治疗是精准医疗的重要组成部分通过了解个体的基因表达情况，可以实现药物选择、剂量调整和疗效预测的个体化，从而提高治疗的有效性和安全性合成生物学生物传感器生物制造基因治疗利用合成生物学技术构利用合成生物学技术构利用合成生物学技术构建生物传感器，可以检建生物制造系统，可以建基因治疗载体，可以测环境中的污染物和疾生产药物、生物燃料和治疗遗传病和癌症病的生物标志物生物材料合成生物学是指利用工程学的原理设计和构建新的生物系统合成生物学在生物传感器、生物制造和基因治疗等领域具有广泛的应用前景基因表达调控是合成生物学的核心内容基因治疗新进展载体AAV1腺相关病毒（）载体是一种常用的基因治疗载体，具有安全性高、免AAV疫原性低等优点基因编辑CRISPR2基因编辑技术可以精确地编辑基因组，为基因治疗提供了新的策CRISPR略干扰RNA3干扰技术可以沉默特定基因的表达，为基因治疗提供了新的手段RNA基因治疗是指将外源基因导入细胞，以治疗疾病的方法载体、基因编辑技AAV CRISPR术和干扰技术是基因治疗领域的新进展基因表达调控是基因治疗的关键环节RNA课程总结中心法则基因表达调控表观遗传学疾病遗传信息从DNA到RNA再到蛋白细胞通过多种机制调控基因的表不涉及DNA序列改变，但能够影基因表达异常与多种疾病的发生质的传递过程达响基因表达的可遗传的改变密切相关本课程全面介绍了基因的表达与调控通过本课程的学习，大家应该掌握中心法则、基因表达调控和表观遗传学等基本概念，了解基因表达异常与疾病的关系，掌握基因表达调控的研究技术和应用基因表达调控的关键点转录转录后加工1聚合酶的活性和转录因子的结合剪接、编辑和稳定性RNARNARNARNA2蛋白水平翻译43蛋白质的修饰、定位和降解核糖体的活性和翻译起始因子的结合基因表达调控发生在多个水平上转录、转录后加工、翻译和蛋白水平的调控共同决定了基因的表达理解这些关键点对于理解基因表达调控的机制至关重要未来研究方向单细胞技术1利用单细胞技术揭示细胞间的异质性表观遗传学2研究表观遗传学在疾病发生中的作用非编码RNA3探索非编码在基因表达调控中的功能RNA合成生物学4利用合成生物学技术构建新的生物系统基因表达调控是生命科学研究的热点领域单细胞技术、表观遗传学、非编码和合成生物学等是未来基因表达调控研究的重要方向这些RNA研究将为我们更深入地理解生命现象和治疗疾病提供新的思路和方法思考与讨论基因表达调控1基因表达调控在生物学中的作用？表观遗传学2表观遗传学对人类健康的影响？未来展望3基因表达调控研究的未来方向？希望大家通过本课程的学习，能够对基因的表达与调控有更深入的理解，并积极思考和讨论相关问题欢迎大家提出自己的观点和问题，共同探讨基因表达调控的奥秘参考文献以下是一些与基因表达调控相关的参考文献，供大家参考•Alberts B,et al.Molecular Biologyof theCell.6th edition.New York:Garland Science;

2015.•Lodish H,et al.Molecular CellBiology.4th edition.New York:W.H.Freeman;

2000.•Krebs JE,et al.Lewins GENESXII.JonesBartlett Learning;

2017.这些参考文献涵盖了分子生物学、细胞生物学和基因学的基本概念和研究进展，可以帮助大家更深入地理解基因表达调控的机制和应用致谢感谢各位同学的参与和支持！感谢各位老师的指导和帮助！希望本课程能够对大家有所帮助，祝大家学习进步，科研顺利！。