《细胞周期与基因表达》课件

细胞周期与基因表达欢迎来到《细胞周期与基因表达》课程本课程将深入探讨细胞周期的各个阶段及其精密调控机制，以及基因表达调控的多层面过程我们将揭示细胞如何通过周期性变化实现增殖、分化与稳态维持，以及基因表达如何在不同阶段被精确调控通过本课程，您将了解从复制到细胞分裂的整个过程中所涉及的分子机DNA制，以及细胞周期与基因表达网络之间复杂而精妙的互作关系这些知识对于理解生命科学的基本原理以及疾病发生机制至关重要单元目标与学习目标知识掌握理解细胞周期的基本阶段及其调控机制，掌握基因表达的多层次调控过程，建立细胞周期与基因表达互作关系的系统认知实验技能熟悉细胞周期与基因表达研究的常用实验技术，能够设计基本实验验证相关假设分析能力培养分析复杂生物学调控网络的能力，能够从分子水平解释细胞行为及相关疾病机制应用转化了解细胞周期与基因表达异常与疾病的关系，为药物研发与临床应用奠定理论基础细胞周期的概念与意义细胞周期定义生物学意义细胞周期是指一个细胞从形成到细胞周期是多细胞生物体发育和分裂为两个子细胞的整个过程稳态维持的核心机制，通过精确这是生物体生长、发育、组织修的复制和细胞分裂实现生物DNA复和生殖的基础过程，确保遗传体的生长和组织更新，同时保持物质准确复制并平均分配给子细遗传信息的稳定传递胞医学意义细胞周期紊乱与多种疾病密切相关，尤其是癌症的发生与发展深入理解细胞周期有助于开发针对细胞增殖失控疾病的诊断和治疗策略细胞周期的基本阶段期期G1S第一生长期合成期DNA细胞体积增长复制••DNA合成和蛋白质染色体数量加倍•RNA•准备复制组蛋白合成•DNA•期期M G2有丝分裂期第二生长期染色体分离细胞继续生长••细胞质分裂合成分裂所需蛋白••形成两个子细胞检查复制••DNA细胞周期的调控机制总览检查点机制监控细胞周期进程，确保每个阶段完成后才进入下一阶段周期蛋白与激酶和形成复合物驱动细胞周期进程Cyclins CDKs抑制因子抑制活性，阻止细胞周期不当进行CKIs CDK信号通路外部和内部信号共同调控细胞周期的启动与停止细胞周期调控是一个多层次、高度协调的过程，涉及众多分子机制的精密配合这种复杂调控确保了细胞分裂的精确性和可控性，是细胞正常功能的关键保障调控异常将导致细胞增殖失控或死亡，引发多种疾病期细胞活动G1细胞体积增长细胞质量增加，为后续分裂做准备线粒体数量增加•蛋白质合成加速•与蛋白合成RNA大量转录与蛋白质翻译RNA核糖体数量增加•代谢酶合成增强•限制点通过决定细胞是否继续周期或进入期G0生长因子信号整合•营养状态评估•复制准备DNA合成复制所需酶类与蛋白DNA聚合酶合成•DNA前复制复合物组装•期复制S:DNA复制起始前复制复合物激活，解旋，复制起始点开放DNA核心复制过程聚合酶延伸新链，引物酶合成引物，冈崎片段形成DNA RNA错误检查与修复校对功能纠正错配碱基，修复酶系统修复异常染色质重组组蛋白合成与沉积，染色质结构恢复期是细胞周期中复制的关键阶段，细胞需要精确复制整个基因组，确保遗传信S DNA息的准确传递这一过程涉及数百个蛋白质的协同作用，形成复杂的复制机器同时，细胞还需合成大量组蛋白以包装新合成的，并维持表观遗传修饰模式DNA期准备进入有丝分裂G2:完整性检查DNA细胞检测是否完全复制，以及是否存在损伤如发现问题，将启动修复机制或诱导细胞凋亡，防止损伤传递给子代细胞DNA DNA分裂蛋白合成大量合成有丝分裂所需的蛋白质，包括微管蛋白、动力蛋白和与染色体分离相关的蛋白质这些蛋白质是构建纺锤体和实现染色体分离的关键能量储备积累细胞积累等高能分子，为即将到来的有丝分裂过程提供充足能量有丝分裂是细胞周期中能量消耗最高的阶段，需要大量支持ATP ATP期是细胞进入分裂前的最后准备阶段，细胞在此期间确保复制的完整性，并为即将到来的有丝分裂做好各种准备期的长度可能因细胞类型而异，但其G2DNA G2关键功能是确保细胞只有在完全准备好的情况下才进入期M期有丝分裂M:前期染色体凝聚，核膜解体，纺锤体形成染色质在组蛋白磷酸化等修饰下高度浓缩，H3形成可见的染色体结构着丝粒区域开始组装动粒蛋白复合物，为染色体与纺锤丝连接做准备中期染色体排列在赤道板上，每条染色体的姐妹染色单体通过动粒与纺锤丝相连这一排列确保后续染色体能平均分配到两个子细胞此时纺锤体检查点确保所有染色体都正确连接到纺锤丝后期姐妹染色单体分离，向细胞两极移动分离蛋白酶切断凝聚素环，解除姐妹染色单体的连接，同时动力蛋白驱动染色体沿纺锤丝向两极移动细胞开始在赤道面收缩，为胞质分裂做准备末期染色体解凝聚，核膜重建，纺锤体解体伴随着胞质分裂完成，形成两个独立的子细胞，每个子细胞含有完整的染色体组这标志着一个完整细胞周期的结束细胞周期的内稳态与调控点内稳态维持细胞周期速率与环境条件平衡关键调控点多个检查点保障周期进程质量同步化机制组织中细胞周期协调进行细胞周期内稳态是指细胞在不同环境条件下维持适当细胞周期速率的能力这种动态平衡依赖于复杂的反馈机制和多重检查点系统，确保细胞分裂既不过快也不过慢，符合组织和机体的需要内稳态调控涉及多种信号通路的整合，包括生长因子信号、营养感应、代谢状态和细胞间通讯等这种多层次调控使细胞能够根据内外环境变化灵活调整其周期进程，维持组织功能和整体平衡细胞周期检测点Checkpoints检查点损伤检查点G1/S DNA确保细胞准备好进行复制，检查营监测期复制中的错误，防止受损DNA S DNA养充足性、细胞大小和完整性继续复制DNA DNA纺锤体组装检查点检查点G2/M确保所有染色体正确连接到纺锤丝，准确保完全复制且无损伤，细胞大小DNA备平均分配适合分裂细胞周期检查点是细胞内的质量控制系统，能够感知异常并暂停细胞周期进程，直到问题解决或启动细胞凋亡这些检查点共同构成一个监控网络，确保细胞分裂过程中遗传信息的准确传递和细胞功能的正常维持检查点G1/S限制点点分子机制损伤响应RDNA期中的关键决策点，细胞在此确定是限制点通过涉及多种分子，核心是检查点也响应损伤，防止携G1Rb-G1/S DNA否进入期或进入休眠期通过此点调控轴蛋白在未磷酸化状态下带损伤的进入复制阶段在此S G0E2F RbDNA p53后，细胞不再依赖外部生长因子信号，抑制转录因子，阻止期基因表达过程中扮演关键角色E2F S将完成整个细胞周期复合物磷酸化激酶感知损伤•Cyclin D-CDK4/6Rb•ATM/ATR DNA生长因子信号整合•解除对的抑制稳定化与激活•E2F•p53细胞大小评估•启动期基因表达表达上调，抑制活性•S•p21CDK核糖体合成情况•检查点G2/M复制完成监测DNA确保完全复制，防止遗传信息缺失DNA损伤检测DNA识别并响应双链断裂和其他损伤DNA周期暂停触发通过抑制活性阻止进入有丝分裂Cyclin B-CDK1修复或凋亡决策根据损伤程度决定修复或启动凋亡检查点确保细胞只有在完全复制且无明显损伤的情况下才进入有丝分裂当检测到问G2/M DNA题时，检查点激活和激酶级联反应，最终导致磷酸酶失活，无法ATM/ATR Chk1/Chk2Cdc25去磷酸化，从而阻止期入口CDK1M此检查点的主要效应分子是复合物，它的活性决定了细胞是否进入分裂期许Cyclin B-CDK1多抗癌药物通过干扰检查点，迫使携带损伤的癌细胞进入分裂而死亡G2/M DNA纺锤体组装检查点期检查点M机制与功能关键分子参与者异常与疾病关联纺锤体组装检查点监控染色体与纺的核心组件包括、、功能异常会导致染色体不均等分离，SAC SACMad1Mad2SAC锤丝的连接状态，确保所有染色体都通过、和等蛋白质这些引起非整倍体，这与多种癌症和先天性疾Bub1BubR1Mps1动粒正确连接到来自两极的纺锤丝只有蛋白在未连接的动粒处富集，形成有丝分病密切相关某些抗癌药物如紫杉醇通过当所有染色体都实现双向连接，检查点才裂检查点复合物，抑制后期促进复稳定微管，干扰正常纺锤体功能，激活MCC会被解除，允许细胞进入后期合物的活性导致癌细胞分裂阻滞APC/C SAC纺锤体组装检查点是有丝分裂中最后一道质量控制机制，确保染色体的准确分配这一机制高度保守，从酵母到人类都存在相似组分，突显其在维持基因组稳定性中的关键作用细胞周期检测点的调控分子检查点感应器转导器效应器结果阻止磷酸G1/S ATM/ATR Chk2/Chk1p53,p21Rb化复制减慢复制速DNA ATR,ATRIP Claspin,Cdc25A率Chk1抑制G2/M ATM/ATR Chk2/Chk1Cdc25C,CDK1活性Wee1纺锤体阻止后期启Mad1,Mps1Mad2,CDC20,动BubR1APC/C检查点调控网络依赖于精密的蛋白质修饰级联反应，主要包括磷酸化、泛素化等翻译后修饰这些修饰可以迅速改变蛋白质的活性、定位和相互作用，实现对细胞周期的快速调控值得注意的是，不同检查点之间存在信号交叉和整合，构成一个复杂的网络，确保细胞周期的各个阶段都受到严格监控这种多重保障机制是维持基因组稳定性的关键细胞周期调控因子:Cyclins4~30%主要类型周期内水平变化Cyclin哺乳动物细胞中表达的主要周期蛋白类型，包括周期蛋白在细胞周期中的典型浓度波动幅度、、和Cyclin DE AB分钟10-30半衰期多数周期蛋白的平均代谢半衰期，表明其快速周转特性周期蛋白是细胞周期中关键的调控蛋白，其特点是浓度随细胞周期阶段周期性变化不同类Cyclins型的在特定周期阶段合成和降解，通过与细胞周期依赖性激酶结合形成活性复合物，Cyclin CDKs推动细胞周期进程主要响应外部生长信号，在期表达；在转换期达到峰值；在Cyclin DG1Cyclin EG1/S Cyclin A S期和期起作用；而主要调控转换和早期有丝分裂过程周期蛋白的精确时空表达G2Cyclin BG2/M对细胞周期的有序进行至关重要细胞周期调控因子:CDKs激酶结构特征活化机制底物特异性属于丝氨酸苏氨的完全活化需要三不同复合CDKs/CDK CDK-Cyclin酸蛋白激酶家族，含有个步骤与特定物磷酸化不同的底物蛋Cyclin高度保守的催化域在结合、激活性位点的磷白，识别特定的磷酸化没有结合时，酸化通常由激活基序CyclinCDK S/T-P-X-K/R的活性中心被环激酶完成，以及底物特异性部分由CDK TCAK阻挡，处于失活状态抑制性磷酸化的去除由决定，它包含与Cyclin结合后引起构象磷酸酶介导底物结合的疏水口袋结Cyclin Cdc25变化，暴露活性位点构哺乳动物细胞中有多种参与细胞周期调控驱动早CDK CDK4/6-Cyclin D期进程；控制转换；和G1CDK2-Cyclin EG1/S CDK2-Cyclin ACDK1-调控期和期；负责期入口和早期进程这Cyclin AS G2CDK1-Cyclin BM种多样化使细胞能实现对不同阶段的精细调控复合物的作用Cyclin-CDK期G1:Cyclin D-CDK4/6磷酸化蛋白，部分解除对的抑制，启动早期基因Rb E2F G1/S表达转换G1/S:Cyclin E-CDK2进一步磷酸化，完全激活，促进复制起始蛋白的Rb E2F DNA表达，激活前复制复合物期S:Cyclin A-CDK2促进复制，防止复制起始的重复，磷酸化组蛋白以协调染DNA色质结构期G2:CyclinA/B-CDK1准备细胞进入分裂，激活细胞骨架重组，促进中心体分离期M:Cyclin B-CDK1驱动核膜崩解，染色体凝聚，纺锤体形成和早期染色体分离细胞周期负调控因子:CKI家族家族INK4Cip/Kip特异性抑制活性，阻断期进程广谱抑制剂，可影响多个细胞周期阶段CDK4/6G1CDK衰老和肿瘤抑制调控，损伤响应•p16INK4a:•p21Cip1:p53DNA信号响应接触抑制，生长因子缺乏•p15INK4b:TGF-β•p27Kip1:细胞分化相关胚胎发育与分化•p18INK4c:•p57Kip2:细胞周期振荡•p19INK4d:通过结合复合物，干扰结合或底物识别，抑制CDK-Cyclin ATP激酶活性通过直接与结合，阻止结合，导致保持抑CDK4/6Cyclin DRb制状态E2F细胞周期抑制因子是细胞周期负调控的关键执行者，在应激条件、分化信号或生长抑制因素存在时上调表达的异常常与CKIs CKIs癌症发生密切相关，如基因在多种肿瘤中发生突变或甲基化沉默理解功能有助于开发靶向细胞周期的抗癌策略p16CKI细胞周期与信号转导信号感知信号通路激活细胞通过膜受体感知外部信号分子，如生触发多条通路如、、MAPK PI3K-Akt长因子、细胞因子和激素等，通过级联放大信号Wnt细胞周期响应转录调控周期蛋白与表达变化，推动或抑制信号通路最终调控转录因子活性，影响细CDKs细胞周期进程胞周期相关基因表达细胞周期与信号转导网络紧密整合，使细胞能够根据微环境条件调整其增殖状态这种整合是通过多层次的相互作用实现的，包括信号分子对周期蛋白表达的调控，以及细胞周期组分对信号通路的反馈调节信号转导网络的复杂性确保细胞只在适当条件下增殖，同时也提供了多个潜在的干预点，可用于治疗与异常细胞增殖相关的疾病生长因子与细胞周期启动生长因子结合、、等因子与特异性膜受体结合EGF PDGFIGF受体二聚化•酪氨酸激酶活性激活•信号级联放大激活多条下游信号通路通路•Ras-Raf-MEK-ERK通路•PI3K-Akt-mTOR通路•JAK-STAT早期应答基因激活诱导转录因子如、、表达c-Fos c-Jun c-Myc转录调控功能•促进转换•G0/G1周期蛋白D表达启动细胞周期机器复合物形成•Cyclin D-CDK4/6磷酸化•Rb激活•E2F损伤与细胞周期阻滞DNA损伤识别感应蛋白识别异常DNA信号转导激酶激活下游效应ATM/ATR周期阻滞活性抑制导致周期停止CDK修复或凋亡根据损伤严重程度选择命运损伤响应是保护基因组完整性的关键防御机制，能够检测各种类型的损伤并协调细胞反应当检测到损伤时，细胞会激活检查点，暂停细胞周DNA DDRDNA DNA期，为修复提供时间，或在损伤严重时启动凋亡程序DNA是的核心调节因子，被称为基因组守护者在正常情况下，水平较低且半衰期短；损伤后，被磷酸化并稳定化，激活多个靶基因，包括细p53DDRp53DNA p53胞周期抑制因子和凋亡相关蛋白功能丧失是人类癌症最常见的分子异常之一p21p53应激反应与细胞周期调控氧化应激营养缺乏活性氧水平上升触发细胞保护反氨基酸、葡萄糖等营养物质缺乏触发ROS应，通常导致或期阻滞氧化和信号通路改变，抑制G1G2AMPK mTOR应激通过激活和信号蛋白质合成和细胞生长营养感应通p38MAPK JNK通路，上调和等表达，路与细胞周期紧密连接，确保在资源p21p16CKI同时也可能导致损伤，间接激活不足时暂停细胞分裂，优先维持基本DNA依赖的检查点生存ATM/ATR内质网应激未折叠蛋白累积触发未折叠蛋白响应，减缓蛋白质翻译并上调分子伴侣持续UPR的应激通过轴和通路影响细胞周期进程，严重时可ER PERK-eIF2αATF4-CHOP引发细胞凋亡细胞对各种应激因素的反应是一个复杂的适应过程，旨在维持细胞内稳态并保护细胞免受损伤暂时性细胞周期阻滞是应激反应的重要组成部分，为细胞提供恢复平衡的时间然而，长期或过度的应激可能导致细胞不可逆转的损伤和死亡衰老、凋亡与细胞周期细胞衰老细胞凋亡细胞衰老是细胞进入不可逆的生长停滞状态，不再对生长因子刺细胞凋亡是一种程序性细胞死亡方式，涉及一系列精确调控的分激产生增殖反应它可由以下因素诱导子事件，导致细胞的有序解体主要途径包括端粒缩短复制性衰老外在途径死亡受体激活••持续损伤内在途径线粒体介导•DNA•致癌基因激活•关键调控分子家族蛋白蛋白酶凋:•Bcl-2•Caspase•IAPs氧化应激•亡抑制蛋白在损伤后促进凋亡•p53DNA衰老细胞特征和表达上调衰老相关半乳糖苷:•p16p21•β-酶活性衰老相关分泌表型SA-β-gal•SASP细胞衰老和凋亡是两种重要的肿瘤抑制机制，防止受损细胞或潜在癌变细胞的增殖然而，衰老细胞的累积可能通过促进组织SASP炎症和衰老，而凋亡调控异常则与自身免疫疾病和神经退行性疾病相关理解这些过程对开发治疗策略具有重要意义细胞周期紊乱与疾病如癌症疾病表现肿瘤形成器官功能障碍,细胞水平异常不受控增殖基因组不稳定,分子机制失调3周期蛋白过表达抑制因子失活,基因突变积累原癌基因激活抑癌基因失活,细胞周期调控异常是癌症发生的核心特征之一常见的分子改变包括和的过表达或基因扩增；活性增强；蛋白功能丧失；突变导Cyclin DE CDK4/6Rb p53致损伤检查点失效；以及和等表达下降这些变化共同导致细胞忽略正常的增殖信号控制，持续进行细胞分裂DNA p16p27CKI癌细胞中的细胞周期失调也为靶向治疗提供了机会目前已开发多种针对细胞周期调控分子的药物，如抑制剂如已成功用于治疗某些类CDK4/6palbociclib型的乳腺癌理解细胞周期调控与疾病的关系对开发新型治疗策略具有重要意义基因表达调控的重要性遗传信息流动控制基因表达调控是细胞将遗传信息转化为功能性和蛋白质的核心过程精确控制DNA RNA基因表达使细胞能够根据需要合成特定蛋白质，维持细胞功能和响应环境变化细胞分化实现尽管机体所有细胞含有相同，但通过差异化基因表达实现不同的细胞命运基因表DNA达模式决定了细胞是成为神经元、肌肉细胞还是免疫细胞，这是多细胞生物发育的基础环境适应性基因表达调控使细胞能够对内外环境变化作出适当反应，包括营养变化、激素刺激、应激反应和免疫激活等这种动态调节是生物体维持稳态和适应环境的关键机制基因表达调控的异常与多种疾病密切相关，包括癌症、代谢疾病、神经退行性疾病和免疫紊乱等不同于序列改变的基因突变，表达调控异常通常涉及基因表达水平、时间或空间模式的改变，DNA影响蛋白质功能网络和细胞行为随着组学技术的发展，我们对基因表达调控网络的理解日益深入，为精准医疗提供了新视角和治疗靶点靶向基因表达调控的药物，如表观遗传修饰剂，已成为治疗某些疾病的有效策略基因表达概述染色质重塑染色质结构通过组蛋白修饰和甲基化等表观遗传机制改变，使转录因子能够接触到序列这一层面调控决定哪些基因区域处于活跃状态，是基DNA DNA因表达的首要控制点转录调控聚合酶在启动子区域结合并合成分子这一过程受转录因子、辅助因子和染色质修饰的精细调控，决定基因是否被转录以及转录效率，是基RNA RNA因表达的核心控制层面加工RNA初级转录产物经过一系列修饰，包括帽子加成、剪接、多聚腺苷酸化等可变剪接产生不同变体，增加蛋白质多样性这些过程为基因53mRNA表达提供额外的调控层次转运与稳定性RNA成熟从细胞核转运到细胞质，其稳定性受结合蛋白和非编码如的调控降解速率决定了可用于翻译的时mRNA RNA RNA miRNA RNA mRNA长，是调节基因表达量的重要机制翻译与翻译后修饰核糖体将序列翻译成蛋白质序列，翻译效率受多因素影响新合成的蛋白质常需要翻译后修饰才能获得完全功能蛋白质降解速率也是调mRNA控其丰度的关键因素转录水平调控转录起始复合物组装染色质可及性聚合酶及基础转录因子在启动子处组装RNA染色质结构决定序列对转录机器的可及性DNA转录起始聚合酶开始合成分子RNA RNA转录终止转录延伸聚合酶到达终止序列，释放产物RNA聚合酶沿模板链移动，延伸链RNA RNA转录水平调控是基因表达控制的主要层面，由多种因素协同作用顺式作用元件是上的特定序列，如启动子、增强子、沉默子和绝缘子，它们为反DNA式作用因子提供结合位点反式作用因子主要是转录因子和辅助调控蛋白，它们通过与顺式元件结合来激活或抑制基因转录基因转录通常由多个转录因子协同调控，形成复杂的组合控制，提高了调控的特异性和灵活性转录因子活性可通过多种机制调节，包括浓度变化、翻译后修饰、细胞内定位改变和与辅因子相互作用等，实现对基因表达的动态精确调控转录因子与顺式元件顺式作用元件转录因子结构调控机制序列中的调控元件，决定基因如何模块化蛋白质，包含多个功能域转录因子通过多种机制影响基因表达DNA被表达结合域识别特定序列招募聚合酶和辅助因子•DNA•RNA核心启动子聚合酶结合位点•RNA转录激活域招募转录机器调节染色质结构招募修饰酶••近端启动子元件位于起始位点附近•配体结合域响应信号分子形成环路增强子启动子连接••DNA-二聚化域蛋白质互作竞争性阻断其他因子结合••远端增强子可位于数千碱基外•调节域接受修饰促进或阻碍转录延伸••沉默子负调控元件•绝缘子阻隔增强子作用•转录因子根据其结合结构域可分为多个家族，如锌指蛋白、螺旋转角螺旋、亮氨酸拉链和高迁移率族蛋白等不同家族的转录DNA--因子识别不同的序列模式一个基因的表达通常受多个转录因子的组合控制，形成复杂的调控网络，确保基因在合适的时间和位DNA置以适当水平表达表观遗传学修饰甲基化组蛋白修饰DNA在上添加甲基基团，常发生在二核苷酸上高度甲基化通组蛋白尾部可接受多种翻译后修饰，形成组蛋白密码常见修饰DNA CpG常与基因沉默相关，特别是在启动子区域这种修饰可以抑制转录包括甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等不同修饰可能促进染色因子结合或招募甲基结合蛋白，进一步压制转录活性质开放或压缩，影响基因表达活性染色质重塑非编码介导调控RNA依赖性复合物可改变核小体位置，使特定序列暴露或隐藏长非编码和小非编码参与表观遗传调控，可招募表观修ATP DNARNA RNA这些复合物通过核小体滑动、置换或移除，改变染色质的物理可及饰酶或直接与基因组区域相互作用，形成特定的染色质结构，调控性，影响转录因子结合大规模的基因表达模式甲基化与基因表达DNA甲基化反应甲基转移酶催化腺苷甲硫氨酸的甲基转移到胞嘧啶位DNA DNMTsS-SAM5维持甲基化•DNMT1从头甲基化•DNMT3A/3B甲基化分布哺乳动物基因组中主要在二核苷酸处发生甲基化CpG岛启动子区富集•CpG基因体区域转录单位中•散在位点全基因组分布•CpG转录抑制机制甲基化通过以下机制抑制基因表达直接阻碍转录因子结合•招募甲基结合蛋白•CpG引导组蛋白修饰酶导致染色质压缩•生物学功能甲基化参与多种重要生物学过程DNA基因组印记•染色体失活•X转座子沉默•细胞分化与发育•组蛋白修饰对基因表达的影响修饰类型位置示例相关酶类功能影响乙酰化染色质开放，转录激H3K9ac,H3K27ac HATs,HDACs活甲基化视位点可激活或抑制H3K4me3,HMTs,HDMsH3K9me3磷酸化激酶磷酸酶染色体凝聚，转录调H3S10ph,H3S28ph,节泛素化连接酶多为转录抑制H2AK119ub E1/E2/E3化连接酶转录抑制SUMO H2AK126su SUMO组蛋白修饰作用于染色质结构和功能的方式主要有两种一是直接影响核小体间相互作用，改变染色质的物理结构例如，乙酰化中和组蛋白正电荷，减弱与负电荷的相互作用，使染色质结构松DNA散化二是提供特异性结合位点，招募效应蛋白不同修饰可被特定的结构域识别，如溴结构域识别乙酰赖氨酸，染色结构域识别甲基赖氨酸组蛋白修饰常以组合形式出现，形成所谓的组蛋白密码例如，与共存于活H3K4me3H3K27ac跃基因启动子，而与标记活跃增强子这种组合模式增加了调控的复杂性和精H3K4me1H3K27ac确性，是细胞类型特异性基因表达的重要基础非编码在基因表达中的作用RNA长非编码环状microRNA miRNA RNA lncRNARNA circRNA约长的小分子，通过与靶长度超过的非编码转录物，通过多种分具有共价闭合环状结构的分子，由特殊的22nt RNA mRNA200nt RNA区域互补配对，引导诱导沉默复子机制调控基因表达可作为分子骨反向剪接形成因缺乏自由末端而高度稳定，3UTR RNA lncRNA合物，导致降解或翻译抑制架招募染色质修饰复合物，如招募抵抗酶降解可作为海RISC mRNAHOTAIR RNAcircRNA miRNA每个可调控数十至数百个靶基因，形导致基因沉默；也可作为分子诱饵结合绵，结合并隔离，减少其对靶基因的miRNA PRC2miRNA成复杂的调控网络参与几乎所有生或蛋白质，如形成核旁斑，参抑制；也可与结合蛋白相互作用，调节其miRNA miRNANEAT1RNA物学过程，包括细胞周期、分化、代谢和疾病与加工展现高度组织特异性表功能部分可被翻译产生小肽RNAlncRNAcircRNA发生达模式非编码调控网络为基因表达提供了新的调控维度，增加了基因组复杂性而无需增加编码基因数量这些分子可参与转录前、转录和转录后各阶段的调RNARNA控，与蛋白质调控因子形成协同网络非编码的异常与多种疾病相关，包括癌症、神经退行性疾病和心血管疾病等RNA可变剪接Alternative Splicing可变剪接是增加蛋白质组复杂性的主要机制，使单个基因能够产生多个功能不同的蛋白质异构体在人类中，超过的多外显子基因发生可变剪接，显著扩展了基因组95%密码能力常见的可变剪接类型包括外显子跳跃、互斥外显子选择、可变剪接位点选择和内含子保留5/3剪接过程由剪接体复合物介导，包含五种和数百种蛋白质顺式作用元件如剪接增强子和剪接沉默子，以及反式作用因子如蛋白和蛋白共同调控可变剪snRNA SRhnRNP接模式剪接调控受组织类型、发育阶段和细胞条件影响，是基因表达的一个关键调控层面可变剪接异常与多种人类疾病相关，包括神经肌肉疾病和癌症稳定性与基因表达mRNA半衰期决定因素特定序列元件与结构特征降解通路去帽化和死亡酶复合物介导稳定性调控结合蛋白与非编码调节RNARNA生理响应环境信号触发稳定性改变稳定性是决定基因表达水平的关键因素，不同的半衰期从几分钟到数天不等影响稳定性的顺式元件主要位于非翻译区，包括富集元mRNA mRNA mRNA33UTR AU件、富集元件及结合位点这些元件被不同的结合蛋白和非编码识别，形成核糖核蛋白复合物，决定命运ARE GUmiRNARNARBP RNAmRNA降解主要通过两条路径降解始于去帽酶去除帽子结构，然后被核酸酶降解；降解由死亡酶复合物执行监视机制如无义介导降mRNA5→35Xrn13→5RNAmRNA解可识别和降解含有提前终止密码子的异常稳定性调控对细胞快速响应环境变化至关重要，如炎症反应、应激反应和生长因子刺激等NMD mRNA mRNA翻译水平调控起始阶段调控延伸阶段调控翻译起始复合物的组装与激活肽链延伸速率的精细控制空间定位调控终止阶段调控在细胞内特定位置翻译翻译终止和核糖体循环使用mRNA翻译水平调控允许细胞快速响应环境变化，不需要新的合成起始阶段是翻译调控的主要靶点，涉及起始因子的可用性和活性调节例如，的磷酸化在多种mRNA eIF2α应激条件下抑制全局翻译，而允许特定如继续翻译，激活应激反应信号通路通过磷酸化释放，促进帽依赖性翻译mRNA ATF4mTOR4E-BP eIF4E结构特征也影响翻译效率中的上游开放阅读框和二级结构如发夹和四联体可调节主的翻译内部核糖体进入位点允许帽非依赖mRNA5UTR uORFRNA G-ORF IRES性翻译，在病毒感染和细胞应激时尤为重要此外，结合蛋白和可以影响的翻译效率，提供额外的调控层面RNA miRNAmRNA翻译起始因子与调控帽结合复合物起始子与核糖体非经典起始机制tRNA识别和结合帽子结构装载起始子并扫描起始密码子绕过常规帽依赖起始的替代机制mRNA5tRNA直接识别帽子结合和起始子形成内部核糖体进入位点允许核•eIF4E:•eIF2:GTP tRNA•IRES:三元复合物糖体直接结合内部支架蛋白mRNA•eIF4G:协助复合物形成和扫描帽非依赖性翻译特定不需解旋酶•eIF1/1A:43S•:mRNA5•eIF4A:RNA帽结构与亚基结合，防止提解旋酶辅助因子•eIF3:40S60S•eIF4B:前结合重起始核糖体在翻译一个后不•:ORF通过与结合抑制翻译，生4E-BP eIF4E脱落继续翻译促进亚基与复合•eIF5/5B:60S48S长因子信号通过促进磷酸mTOR4E-BP物结合滑移扫描核糖体跳过早期继续•:AUG化，释放激活翻译eIF4E扫描磷酸化在应激条件下抑制翻译再起eIF2α始，是集成细胞应激信号的关键节点翻译效率与调控特征影响mRNA的结构特征显著影响其翻译效率包括帽结构的可及性、长度和二级结构、mRNA55UTR起始密码子上下文序列、密码子使用偏好、结构和多聚尾巴长度等最优的Kozak3UTR A序列可提高起始效率约倍Kozak GCCACCAUGG10结合蛋白调控RNA各种结合蛋白可增强或抑制特定的翻译如铁响应元件结合蛋白在低铁条RNAmRNAIRPs件下结合铁素转录本，阻碍翻译；细胞因子活化后，蛋白结合含元件的5UTR CPEBCPE，促进多聚尾延长和翻译激活mRNA3UTR A信号通路整合多条信号通路调节全局翻译效率，响应外部刺激通路在营养充足时促进翻译，磷酸mTOR化和；而在能量不足时抑制；应激条件下、、4E-BP S6K AMPKmTOR PKRPERK GCN2和等激酶磷酸化，抑制全局翻译但允许特定应激相关翻译HRI eIF2αmRNA空间定位翻译的亚细胞定位可调控其翻译，实现蛋白质的精确空间分布神经元中，特定转mRNAmRNA运至突触并在局部翻译，响应突触活动；细胞分裂过程中，某些特异性定位于细胞两mRNA极，确保蛋白质非对称分布；内质网相关翻译新生肽链直接转运入腔mRNA ER蛋白质降解与基因表达后调控泛素标记通过酶级联反应，靶蛋白被泛素化E1-E2-E3活化酶依赖性泛素活化•E1ATP结合酶携带活化泛素•E2连接酶识别底物，促进泛素转移•E3底物识别特定信号引导蛋白质被识别为降解靶标端法则基于端氨基酸•N N序列富含、、、氨基酸的不稳定区域•PEST PE ST磷酸化依赖识别如磷酸降解基序•错误折叠蛋白识别•蛋白酶体降解蛋白酶体复合物分解泛素化蛋白26S调节粒子识别泛素链，去泛素化，展开蛋白•19S核心粒子含多种蛋白酶活性，切割肽链•20S生物学功能蛋白质降解在多种生物学过程中至关重要细胞周期进程周期蛋白定时降解•转录因子活性调控•信号通路终止•质量控制清除错误折叠蛋白•细胞周期与基因表达的互作关系周期依赖性表达模式人类细胞中约有个基因呈现细胞周期依赖性表达模式，这些基因按照表达时序可分为、、和期基因这种精确的时序表达确保细胞周期所需蛋白质600-1000G1/S S G2M在适当时间合成，保障周期进程的有序进行有丝分裂转录记忆在有丝分裂过程中，大部分转录因子从染色质上解离，但某些书签转录因子如和保持与特定位点结合，在细胞分裂后快速重建子代细胞的转录程序，这种GATA1FOXA1机制被称为有丝分裂转录记忆CDK介导的转录调控除了驱动细胞周期进程，还直接参与基因表达调控、和作为转录，通过磷酸化聚合酶的端结构域调控转录起始和延伸这种CDKs CDK7CDK8CDK9CDKs RNA II C CTD双重功能使成为细胞周期与基因表达网络的关键连接点CDKs细胞周期依赖性基因表达期基因表达示例S期是复制的关键阶段，需要大量特异性蛋白质协同工作期特异表达的基因主要包括复制机器组分，如聚合酶、SDNAS1DNA DNA解旋酶复合物、单链结合蛋白、复制因子和等；组蛋白基因，为新合成的提供包装蛋白；核苷酸合MCM2-7RPA CPCNA2DNA3成途径酶类，满足合成的原料需求；与期调控相关的蛋白如DNA4S CyclinA期基因表达的调控主要由以下机制实现转录因子家族，尤其是在转换期被释放，激活期基因；组蛋白基因S1E2F E2F1-3G1/S S2转录受蛋白调控，由磷酸化激活；部分期基因受到表观遗传修饰的调控，如组蛋白乙酰化水平变化；NPAT NPATCyclin E-CDK23S稳定性调控，某些期在该阶段特异性稳定；特定如在期活性变化，影响靶基因表达4mRNA SmRNA5miRNA miR-16S期基因表达示例M纺锤体组分染色体凝聚蛋白纺锤体是期染色体分离的关键结构，其染色体凝聚是有丝分裂的显著特征，需要M组分基因在过渡期高表达主要包多种蛋白协同作用主要凝聚蛋白复合物G2/M括和微管蛋白、动力蛋白、驱动蛋白、包括、拓扑异构酶和凝聚αβcondensin I/II II中心体蛋白、动粒蛋白和微管相关蛋白素复合物这些蛋白通过改变染色质拓扑这些蛋白共同组装成功能性纺结构和组织染色质环结构，促进染色体压MAPs锤体，确保染色体准确分配缩成易于分离的紧凑形态调控分子多种关键调控分子在期表达上调，包括、、激酶和相关激M Cyclin B PLK1Aurora NIMA酶等这些蛋白通过磷酸化底物调控纺锤体形成、染色体凝聚和核膜崩解等过程NEK M期退出时，许多这类蛋白被泛素化并降解，确保细胞周期单向性APC/C期基因表达主要受、、和部分因子调控细胞周期进入期时，这M FoxM1B-Myb NF-Y E2F G2些转录因子通过招募辅助激活因子如复合物和组蛋白乙酰化酶，激活期基因启动子值MuvB M得注意的是，尽管有丝分裂期整体转录活性下降，但部分期基因在期已合成并在M mRNAG2M期使用，确保所需蛋白及时可用细胞周期与非周期相关基因调控染色质结构变化1随细胞周期阶段染色质结构动态变化，影响基因可及性和表达状态有丝分裂转录抑制期全局转录活性显著下降，大部分转录因子脱离染色质M有丝分裂书签特定转录因子保持与染色质结合，标记活性基因位置转录程序重建分裂后子代细胞迅速恢复特定基因表达模式细胞周期进程不仅调控周期相关基因的表达，也影响非周期基因的表达模式特别是在有丝分裂过程中，染色体高度凝聚，大多数转录活性暂时关闭，聚合酶和大部分转录因子从染色质上解离这种转录沉RNA II默是由多种因素导致的，包括染色质压缩、组蛋白修饰变化如磷酸化和转录因子磷酸化等H3S10尽管有丝分裂期转录总体减弱，但细胞需要在分裂后迅速重建其特定的基因表达谱有丝分裂书签机制通过特定转录因子如、、在期保持与染色质结合，标记活性基因位点，便于分GATA1FOXA1ESRRB M裂后快速激活这些基因此外，特定的组蛋白修饰模式和核小体定位也可作为表观遗传记忆，帮助维持细胞身份和转录谱细胞周期调控因子对基因表达的调控复合物转录型转录因子家族Cyclin-CDK CDKsE2F经典细胞周期调控因子也直接参与转录调控特定专门调控转录过程细胞周期与转录调控的关键连接点CDKs除磷酸化外，组分，磷酸化主要激活因子，促进基•Cyclin D-CDK4/6:Rb•CDK7:TFIIH PolII CTD•E2F1-3:G1/S还与多种转录因子相互作用因表达Ser5可磷酸化组蛋白复合物组分主要抑制因子，与家族蛋•Cyclin E/A-CDK2:•CDK8:Mediator•E2F4-5:Rb和转录因子白结合复合物，磷酸化•CDK9:P-TEFb PolII期重塑染色质结构非典型，独立于功能•CyclinB-CDK1:M CTDSer2•E2F6-8:E2F Rb转录延伸调控•CDK12/13:细胞周期调控网络与转录调控机器之间存在广泛连接，形成复杂的调控回路例如，轴是连接这两个系统的核心蛋白被Rb-E2F RbCyclin-复合物磷酸化修饰，调控转录因子活性，而又控制多个细胞周期基因表达，包括和自身，形成反馈循环CDK E2F E2F CDKsCyclins此外，转录型如、和通过磷酸化聚合酶端结构域调控转录起始和延伸这些活性也受细胞周期CDKs CDK7CDK8CDK9RNAIICCTDCDKs调控，提供另一层细胞周期与转录的协调机制理解这些复杂互作有助于揭示细胞如何实现精细的细胞周期与基因表达协调基因表达网络与细胞周期同步化转录振荡器周期性表达的转录因子驱动下游基因波动信号级联放大信号通路将环境刺激转化为转录响应调控网络整合多条调控通路汇聚协调细胞周期进程细胞群体同步细胞间通讯实现周期协调进行细胞周期同步化是指细胞群体中的个体细胞协调进行细胞周期，这一过程依赖于精密的基因表达网络转录因子网络形成分子振荡器，驱动周期基因的波浪式表达例如，系统控制转换，E2F-Rb G1/S复合物调控基因表达，它们构成交织的反馈和前馈环路，产生稳健的振荡输出FoxM1-MMB G2/M细胞外信号如生长因子、激素和细胞间通讯分子可影响这些振荡器，使细胞周期响应环境变化特别是在发育和组织再生过程中，信号梯度可诱导细胞周期同步化，确保组织协调生长此外，多细胞系统中，周期进程也受昼夜节律和代谢循环影响，实现更高层次的时间协调理解这种多层次网络对解释正常发育和疾病状态下的异常增殖具有重要意义实验技术与研究方法细胞周期分析技术流式细胞术含量分析是细胞周期研究的金标准方法，可通过等荧光染料标记，分析DNAPI DNA细胞周期分布其他方法包括掺入检测合成；免疫荧光检测周期标记物如EdU/BrdU DNA、；实时成像跟踪单细胞周期进程；系统利用荧光蛋白标记不同周期阶段Ki67PCNA FUCCI基因表达分析方法提供全基因组表达谱，可与细胞周期同步化结合分析阶段特异表达；检测转录RNA-seq ChIP-seq因子和组蛋白修饰的基因组分布；评估染色质可及性变化；单细胞测序揭示细胞异质ATAC-seq性；核糖体分析直接测量翻译活性；蛋白组学方法如质谱分析蛋白丰度和修饰Ribo-seq细胞周期干预手段药物同步化如双胸苷阻断法、秋水仙碱处理、放线菌素等，可使细胞在特定周期阶段阻滞；D和基因编辑可敲低或敲除特定基因；小分子抑制剂如抑制剂、蛋白酶体抑制剂RNAi CRISPRCDK有针对性地干扰关键通路；表观修饰调控剂如组蛋白去乙酰化酶抑制剂可改变染色质状态数据分析与系统生物学计算生物学方法如网络分析、机器学习和数学建模，有助于揭示细胞周期与基因表达网络的复杂动态这些方法可整合多组学数据，预测关键调控节点，指导实验设计和药物靶点筛选，加速细胞周期与基因表达互作关系的研究细胞周期与基因表达异常与疾病总结神经退行性疾病癌症异常细胞周期再入与基因表达紊乱细胞周期检查点失效与增殖基因过表达心血管疾病增殖调控异常与组织重构发育异常细胞周期时序紊乱导致器官发育缺陷衰老相关疾病细胞衰老积累与效应SASP细胞周期与基因表达异常是多种疾病的分子基础在癌症中，原癌基因激活和抑癌基因失活导致细胞周期检查点失效，使细胞无视损伤和错误，持续增殖常见的分DNA子改变包括和突变、过表达、活性增强以及表达下降这些异常伴随着全基因组表达谱变化，推动细胞恶性转化Rb p53Cyclin D/E CDKCKI细胞周期与基因表达调控异常在神经退行性疾病如阿尔茨海默病中也扮演重要角色终末分化神经元异常尝试重新进入细胞周期，但无法完成分裂，导致基因组不稳定和细胞死亡此外，免疫系统疾病、心血管疾病和代谢紊乱也与细胞周期和基因表达模式改变密切相关理解这些分子机制为开发疾病诊断和治疗策略提供了基础知识整合与习题思考43+主要细胞周期阶段基因表达调控层次、、和四个主要阶段构成完整周期从转录到翻译后多层次精细调控G1SG2M600+30%周期相关基因癌症相关性人类基因组中周期依赖表达的基因数量细胞周期与基因表达调控基因在癌症中突变比例思考题比较分析复合物在细胞周期调控和基因转录调控中的双重角色、等传统细胞周期与、等转录型在结构、底物特异性和调控机制上有何异同？1CDK-Cyclin CDK1CDK2CDK CDK7CDK9CDK思考题试分析一个特定基因如组蛋白基因在细胞周期中的表达调控，包括转录、转录后和翻译水平的调控机制，并讨论这种多层次调控的生物学意义2思考题如果给予细胞抑制剂如处理，预测并解释全基因组表达谱可能发生的变化考虑直接和间接效应，以及不同细胞类型可能的差异反应3CDK palbociclib参考文献与学习资源核心教材关键研究文献在线学习资源推荐深入学习的专业教材与综述领域内重要研究成果与综述文章补充学习的数字资源《分子细胞生物学》（等视频讲座系列细胞周期与基因表达•Molecular Cell•Bertoli C,Cell cycleregulation by•iBiology等著），Biology,Lodish Cyclin-CDK complexesNature Reviews细胞生物学与分子遗传学课程•Coursera《细胞的分子生物学》（Molecular CellBiology•Molecular Biology数据库细胞周期与转录调控通路•KEGG等著）of theCell,Alberts•Nurse P,Universal controlmechanism生物信息学工具•DAVID,STRING,，《基因表达调控》（regulating onsetof M-phase Nature•Gene Regulation,等Cytoscape著）等Latchman•Levine M,Transcription regulation，《细胞周期原理与调控》（and animaldiversity Nature•Cell Cycle:著）等Principles andRegulation,Morgan•Wang Z,RNA-Seq:a revolutionary，tool fortranscriptomics NatureReviewsGenetics本课程内容基于最新研究进展，但细胞周期与基因表达领域仍在快速发展建议学生定期关注、、等顶级期刊的相关研究，以及专业领域期刊如Nature ScienceCell、和等Molecular CellGenesDevelopment Journalof CellScience课后自学推荐使用、等数据库探索特定基因和蛋白的功能，使用数据库分析公开的基因表达数据集，加深对细胞周期与基因表达互作关系的理解NCBI UniProtGEO如有兴趣进一步研究，可考虑加入实验室参与实际研究项目。