《基因的表达与调控》课件

基因的表达与调控探索生命的密码揭示调控网络理解分子生物学核心基因表达的重要背景分子生物学革命1双螺旋结构发现DNA人类基因组计划2年完成测序2003表观遗传学3非序列的遗传信息传递DNA基因结构基础原核生物基因真核生物基因结构简单含内含子与外显子无内含子启动子复杂多顺反子结构和非编码区53基因的类型和功能结构基因编码功能蛋白调控基因控制其他基因表达非编码基因RNA转录但不翻译成蛋白家族基因同源基因群基因表达的分子机制总览蛋白质DNA RNA基因组信息存储信息转录与加工生物功能执行者转录基础DNA终止1释放RNA延长2链合成RNA起始3启动子识别结合原核生物的转录过程操纵子调控因子作用σ乳糖操纵子实现多基因协同表达启动子识别特异性识别启动子序列聚合酶结合和区RNA-10-35真核生物的转录机制基本转录因子复合体核心启动子等组装盒、始发子等关键元件TFIIA,TFIIB,TFIID TATA增强子激活远距离调控基因表达包装与转录调控DNA染色质结构缠绕组蛋白八聚体形成核小体DNA组蛋白修饰甲基化抑制转录，乙酰化促进表达染色质重塑依赖的核小体重排ATP的剪接与加工RNA内含子切除外显子连接识别剪接位点形成成熟mRNA加尾加帽35添加多聚尾保护免受降解A mRNA的稳定性调控mRNA降解起始脱腺苷酸化反应结合miRNA靶向降解特定mRNA富集元件AU3介导快速降解的运输与定位mRNA核输出通过核孔复合体转运细胞质运输蛋白复合物定向移动mRNA-局部翻译肌动蛋白在细胞前沿翻译β-mRNA翻译的分子机制翻译起始调控依赖翻译Cap扫描机制寻找起始密码子起始复合体识别帽子结构eIF4F5依赖翻译IRES内部核糖体进入，病毒常用翻译延长和终止调控阶段关键因子调控机制延长水解提供能量EF-Tu,EF-G GTP暂停稀有密码子稀有缺乏导致tRNA停顿终止释放因子识别终止密码子翻译后修饰磷酸化泛素化修饰p53激酶添加磷酸基团标记蛋白质降解决定稳定性与功能非编码的调控作用RNA的生物合成与靶向miRNA~22nt60%~1000长度靶基因保守性人类miRNA miRNA典型长度范围进化中保守程度已发现数量与干扰技术siRNA RNA设计siRNA针对目标基因序列特异性转染细胞导入合成siRNA基因敲低评估靶基因表达减少在转录调控中的角色lncRNA转录抑制转录激活招募染色质修饰复合物与激活蛋白互作染色体失活X包裹整条染色体Xist lncRNA基因表达调控常见元件1启动子转录起始位点附近2增强子可远距离调控3沉默子抑制基因表达4绝缘子阻断增强子作用顺式作用元件和反式作用因子顺式作用元件反式作用因子上的调控序列可移动的调控蛋白DNA启动子序列转录因子••增强子区域转录抑制物••结合位点辅助调节蛋白••增强子的功能与机制染色质环化形成环状结构增强子识别1转录因子结合启动子接触激活转录起始抑制子的结构与功能沉默子元件抑制机制结合转录抑制因子阻止转录激活复合物形成组织特异性维持基因表达模式绝缘子的作用边界形成分隔染色质区域阻断作用阻止增强子影响邻近基因结合CTCF珠蛋白基因区绝缘子蛋白结合位点β-表观遗传调控基础甲基化组蛋白修饰表观遗传遗传DNA岛甲基化抑制基因影响染色质结构与基因非序列变化的遗传CpG DNA表达可及性现象甲基化与基因沉默DNA组蛋白修饰的多样性染色质重塑机制核小体识别重塑复合体结合水解ATP提供构象变化能量染色质开放暴露序列使转录因子进入DNA单细胞水平的基因表达调控细胞分离测序异质性分析RNA微流控技术单细胞捕获和平台鉴定细胞亚群与状态Smart-seq10x Genomics空间转录组与新技术组织切片固定保留空间位置信息位置编码空间条形码标记3原位测序检测空间位置表达RNA应用实例脑区亚结构基因表达图谱多组学视角下的基因调控转录组蛋白质组基因表达水平蛋白表达与修饰基因组代谢组序列与变异信息细胞代谢产物1基因表达调控的经典实验方法方法检测对象优势杂交特异性高Northern RNA定量精确RT-qPCR RNA全转录组高通量RNA-seq蛋白相互作用识别结合位点ChIP-DNA报告基因系统与功能验证报告基因类型应用绿色荧光蛋白启动子活性测定•GFP-•半乳糖苷酶表达定位观察•LacZ-β-•荧光素酶转录因子结合验证••切除实验与基因敲除技术功能验证表型分析基因修饰2敲除或点突变设计CRISPR靶向序列选择药物与信号通路调控基因表达激素调控雌激素受体转位入核调控基因细胞因子信号激活通路IFN-γJAK-STAT药物敏感性基因变异影响药物反应细胞分化中的基因表达调控全能干细胞Oct4,Nanog高表达谱系决定特异转录因子激活终末分化组织特异基因开启Hox基因网络控制胚胎发育轴向模式哺乳动物性别决定的基因调控SRY基因表达1Y染色体上性别决定基因2SOX9激活引导睾丸发育X染色体失活3女性细胞中随机沉默一条X染色体印记基因表达4父源或母源特异性表达基因表达的时间调控夜间白天基因表达表达Per,Cry Clock,Bmal1生理影响反馈调节调节睡眠、代谢和免疫蛋白质水平周期性变化基因表达的空间调控器官特异性组织特异启动子细胞类型特异性转录因子组合局部信号形态发生素梯度胰岛素表达胰腺细胞特异性表达β病理状态下的基因表达异常12830%癌基因抑癌基因病毒诱导平均激活数量平均失活数量肿瘤病毒因素占比遗传病的分子基础突变类型表达异常案例点突变功能缺失肌营养不良•••DMD-缺失功能获得地中海贫血•••插入剂量不足囊性纤维化•••重复扩增显性负效应••癌症与基因调控异常基因表达调控的前沿技术激活沉默CRISPR/融合转录激活或抑制结构域dCas9单分子成像RNA实时观察单个分子smFISH RNA空间组学整合空间位置的多组学数据分析基因治疗中的表达调控基因开关载体AAV四环素诱导表达系统高效、低免疫原性基因递送临床应用脊髓性肌萎缩症基因治疗合成生物学中的基因表达模块基因表达调控与进化调控序列进化形态变异基础人类与黑猩猩比编码区进化更快表达时空变化蛋白质相似度99%物种特异性表达模式调控网络重组基因表达差异显著大数据与驱动的基因调控研究AI预测模型预测基因调控网络机器学习识别调控元件特征大数据整合多组学数据资源库现代基因表达调控面临的挑战数据整合伦理问题海量异质数据分析挑战基因编辑技术应用边界复杂性社会影响多层级调控网络难以全面理解个体基因信息隐私保护总结与展望知识回顾从中心法则到多层次调控技术进步单细胞、空间组学与基因编辑未来方向个体化医疗与基因网络解析。