《基因表达与调控》课件

基因表达与调控基因表达是从DNA到RNA再到蛋白质的复杂生物学过程，它是生命活动的核心机制基因调控则是控制基因表达的时间、地点和程度的精密系统，确保细胞在适当的时机产生正确的蛋白质当基因表达调控失败时，可能导致各种疾病的发生，包括癌症、遗传性疾病和代谢性疾病理解基因表达与调控机制对于现代生物医学研究和临床治疗具有重要意义课程内容概览12基因表达基础知识原核生物基因表达调控包括基因表达概念、中心法则和表达调控的重要性操纵子学说、负调控与正调控机制分析34真核生物基因表达调控各水平调控机制多层次调控网络和时空特异性调控转录、转录后、翻译和翻译后水平的调控第一部分基因表达基础知识基因表达概念中心法则调控重要性基因转录及翻译的完整过程，体现了遗描述DNA、RNA和蛋白质之间信息传递确保细胞分化和组织器官功能的特异性传信息的流动方向的基本规律表达基因表达的概念基因表达定义基因调控概念基因转录及翻译的过程称为基因对基因表达过程的调节称为基因表达，是遗传信息从基因型转变调控，包括转录调控、转录后调为表型的关键步骤这个过程涉控、翻译调控和翻译后调控等多及DNA序列信息的读取、转录成个层次基因调控确保了细胞在RNA分子，最终翻译成具有生物适当的时间和地点产生所需的蛋功能的蛋白质白质表达特异性生物体内基因表达具有选择性和时空特异性，不同细胞类型在不同发育阶段和环境条件下表达不同的基因集合，这是细胞分化和功能特化的分子基础中心法则DNA遗传信息的储存载体RNA信息传递的中间分子蛋白质执行生物功能的最终产物中心法则描述了遗传信息流动的基本方向DNA通过转录产生RNA，RNA通过翻译产生蛋白质在某些特殊情况下，还存在逆转录过程，即RNA逆转录生成DNA，这主要见于逆转录病毒和细胞端粒酶活动中基因表达的过程1转录RNA聚合酶催化DNA模板链转录成mRNA前体RNA加工包括剪接、5加帽和3多聚腺苷酸化修饰翻译核糖体和tRNA协同将mRNA翻译成多肽链4蛋白质修饰翻译后修饰形成具有生物活性的成熟蛋白质基因表达调控的重要性细胞分化基础组织功能特异性发育过程保证同一基因组在不同细胞不同组织器官通过特异个体发育过程中基因表中的差异表达是细胞分性基因表达模式实现其达的时序性调控确保了化的分子基础，使得多独特的生理功能，如肝胚胎发育的有序进行，能干细胞能够分化为具脏细胞表达代谢酶基从受精卵发育为完整个有不同形态和功能的专因，心肌细胞表达收缩体的每个步骤都需要精化细胞类型蛋白基因确的基因表达调控疾病治疗靶点基因表达调控异常是许多疾病的根本原因，因此成为疾病预防与治疗的重要靶点，为精准医学提供理论基础第二部分原核生物基因表达调控操纵子学说负调控1雅各布和莫诺提出的经典调控理论阻遏蛋白抑制基因转录的调控方式经典实例正调控乳糖操纵子、色氨酸操纵子等典型案例激活蛋白促进基因转录的调控方式原核生物基因表达特点无核膜分隔转录与翻译同步进行，效率高多顺反子结构一个mRNA编码多个蛋白质转录水平调控3主要调控机制集中在转录起始快速响应能够迅速适应环境变化操纵子学说诺贝尔奖理论雅各布和莫诺1961年提出基因组织形式2结构基因、调控基因、启动子、操纵子二元调节机制开启和关闭的双向调控模式操纵子学说是分子生物学史上的重要里程碑，它首次系统地解释了基因表达调控的分子机制该理论不仅解释了细菌如何根据环境条件调节酶的合成，还为后续的基因调控研究奠定了理论基础乳糖操纵子结构组成元件基因/序列功能结构基因编码乳糖代谢酶类lacZ,lacY,lacA调控区域启动子P,操纵子控制转录起始和调节O调节基因编码乳糖阻遏蛋白lacI乳糖操纵子是研究基因调控的经典模型系统lacZ基因编码β-半乳糖苷酶，lacY基因编码透酶，lacA基因编码转乙酰基酶这三个结构基因在启动子的调控下协调表达，共同参与乳糖的代谢过程乳糖操纵子调控机制阻遏状态无乳糖时，阻遏蛋白结合操纵区，阻断转录阻遏蛋白具有高度的DNA结合特异性，能够识别操纵子序列中的特定碱基对组合，形成稳定的蛋白质-DNA复合物诱导状态乳糖存在时，与阻遏蛋白结合，改变其构象实际上起诱导作用的是异乳糖，它是乳糖的异构体，能够更有效地结合阻遏蛋白并引起构象变化转录激活阻遏蛋白从操纵区解离，RNA聚合酶开始转录这种负反馈调节机制确保了细胞只在需要时才合成乳糖代谢酶，避免了资源的浪费色氨酸操纵子基因开启状态色氨酸积累1无色氨酸时操纵子处于转录活跃状态色氨酸浓度升高激活阻遏蛋白2负反馈调节转录关闭产物抑制自身合成的经典调控模式活化的阻遏蛋白结合操纵区阻断转录色氨酸操纵子是可阻遏调节的典型例子，与乳糖操纵子的诱导调节形成鲜明对比这种调控机制体现了细胞对氨基酸合成的精确控制，当色氨酸充足时停止合成，当缺乏时重新启动合成途径阿拉伯糖操纵子21调控类型调控蛋白同时具有正调控和负调控机制AraC蛋白具有双重功能3结合位点包含多个AraC蛋白结合序列阿拉伯糖操纵子展示了更复杂的双重调控机制AraC蛋白在无阿拉伯糖时作为阻遏蛋白，在有阿拉伯糖时作为激活蛋白这种双重功能使细胞能够对糖类的可利用性做出更精确的响应，体现了基因调控的精妙设计第三部分真核生物基因表达调控多层次调控网络从染色质到蛋白质的多级调控体系不同水平机制转录前、转录中、转录后的精细调控时空特异性发育时序和组织特异性表达模式真核生物基因表达调控比原核生物更加复杂和精细，这种复杂性是多细胞生物实现细胞分化和组织特化的基础多层次的调控网络确保了基因表达的精确性和可调节性真核生物基因表达特点核膜分隔染色质包装基因结构复杂转录在细胞核内进行，翻译在细胞质中DNA与组蛋白紧密结合形成染色质结基因包含外显子和内含子，需要经过剪进行，两个过程在时间和空间上分离构，基因的可及性受到染色质状态的调接等加工过程选择性剪接机制大大增这种分离为mRNA的加工修饰提供了充控不同的染色质修饰状态决定了基因加了蛋白质的多样性，使得有限的基因分的时间和空间，也为基因表达调控提的转录活性，形成了表观遗传调控的基数量能够编码更多种类的蛋白质产物供了更多的调节点础真核生物基因表达调控层次染色质水平1组蛋白修饰和DNA甲基化调控转录水平转录因子和增强子沉默子调控转录后水平RNA剪接、修饰和稳定性调控翻译水平翻译起始、延伸和microRNA调控翻译后水平5蛋白质修饰、定位和降解调控真核生物基因表达调控的时空特征发育时序调控组织特异性调控环境响应性调控信号转导关联在胚胎发育过程中，不同不同组织和器官表达特异细胞能够感知并响应外界细胞外信号通过信号转导基因在特定时间点表达，性基因集合，实现功能分环境变化，调整基因表达途径调节转录因子活性，形成精确的发育程序这化肝脏、心脏、大脑等模式包括对温度、营最终影响目标基因的表种时序性调控确保了细胞器官通过表达不同的转录养、激素、应激等各种环达这种关联使得细胞能分化和器官形成的有序进因子网络来维持其独特的境信号的响应，体现了生够根据外界信息做出适当行，任何时序错误都可能细胞身份和生理功能物的适应性的分子反应导致发育异常第四部分转录水平的调控增强子转录因子远距离增强转录活性的序列识别特定DNA序列的调控蛋白启动子表观遗传转录起始的核心调控区域不改变DNA序列的遗传调控34转录起始的调控RNA聚合酶结合转录起始RNA聚合酶II识别并结合启动子区域的TATA盒等核心序列RNA聚合酶开始转录，基础因子解离，进入转录延伸阶段123基础因子装配TFIIA、TFIIB、TFIID等基础转录因子依次结合形成转录前起始复合物转录起始是基因表达调控的关键步骤，需要多种蛋白质因子的协调作用这个过程的精确调控决定了基因转录的效率和特异性启动子结构与功能核心启动子近端启动子包含TATA盒、起始因子结合元位于转录起始位点上游几百个碱件DPE等，位于转录起始位点基对范围内，包含各种调控元件附近，是RNA聚合酶II和基础转如CAAT盒、GC盒等这些元件录因子结合的基本区域核心启结合特异性转录因子，调节基因动子决定了转录起始的精确位的基础转录水平置远端控制元件包括增强子、沉默子等，可位于基因上游、下游或内含子中，通过DNA环化与启动子相互作用这些元件使基因表达能够响应各种生理和环境信号增强子与沉默子增强子特征沉默子功能增强子是能够显著提高基因转录水平的DNA序列，具有位置独沉默子是抑制基因转录的调控序列，通过结合转录阻遏因子来降立性和方向非特异性的特点它们可以位于基因的任何位置，通低或阻止基因表达它们在基因表达的精细调控中发挥重要作过DNA环化机制与启动子相互作用用•可跨越数千至数万碱基对距离发挥作用•负向调控转录活性•结合特异性转录激活因子•参与基因的时空特异性表达•组织特异性和发育阶段特异性•维持基因表达的动态平衡转录因子的分类与功能特异性转录因子识别特定DNA序列的调控蛋白辅助转录因子协助特异性因子发挥调控作用通用转录因子所有基因转录都需要的基础因子转录因子根据功能和作用机制可分为不同类型通用转录因子参与所有RNA聚合酶II转录基因的基础转录，而特异性转录因子则决定基因表达的特异性和调控性辅助转录因子通过蛋白质-蛋白质相互作用调节转录因子的活性转录因子作用机制DNA结合结构域转录调控结构域配体结合结构域识别并结合特定DNA序列的负责激活或抑制转录的功能某些转录因子含有结合小分功能区域，包括锌指、螺旋-区域激活结构域通常富含子配体的结构域，如核受体转角-螺旋、碱性螺旋-环-螺酸性氨基酸，能够与转录机家族成员配体结合导致转旋等经典结构这些结构域器相互作用促进转录起始录因子构象变化，调节其通过与DNA大沟中的碱基对抑制结构域则通过多种机制DNA结合活性和转录调控功形成特异性相互作用来实现阻断转录过程能序列识别蛋白互作结构域介导转录因子之间或与其他调控蛋白相互作用的区域这些相互作用形成复杂的调控网络，实现基因表达的精细调控和信号整合表观遗传学调控机制DNA甲基化胞嘧啶的甲基化修饰，特别是CpG岛的甲基化，能够稳定地抑制基因转录甲基化模式在细胞分裂过程中可以维持，形成表观遗传记忆，参与基因印记和X染色体失活等重要生物学过程组蛋白修饰组蛋白的乙酰化、甲基化、磷酸化等翻译后修饰调节染色质结构和基因活性不同修饰的组合形成组蛋白密码，精确调控基因的转录状态和染色质的开放程度染色质重塑ATP依赖性染色质重塑复合物能够改变核小体的位置和组成，调节DNA的可及性这种动态的染色质重塑过程是转录因子结合和基因激活的必要条件非编码RNA调控长非编码RNA和微RNA等参与染色质修饰和基因表达调控它们通过指导DNA甲基化、组蛋白修饰或直接与转录机器相互作用来调节基因转录染色质结构与基因表达第五部分转录后水平的调控RNA前体加工5加帽、3多聚腺苷酸化和剪接修饰RNA剪接调控选择性剪接产生蛋白质多样性RNA稳定性调控mRNA降解途径和稳定性元件RNA输出定位核-质转运和细胞质内定位前体加工概述RNA5加帽在转录起始后不久添加7-甲基鸟苷帽子结构，保护mRNA免受5外切酶降解并促进翻译起始2剪接去除内含子序列，连接外显子形成成熟mRNA剪接体识别剪接位点并催化剪接反应3端加工在多聚腺苷酸化信号处切割pre-mRNA，添加多聚腺苷酸尾巴，增强mRNA稳定性RNA前体加工是真核基因表达的重要调控点，这些修饰不仅影响mRNA的稳定性和翻译效率，也为基因表达调控提供了额外的调节机制剪接机制RNA位点识别剪接体装配剪接体识别5和3剪接位点以及分支点U

1、U

2、U4/U

6、U5等snRNP依次结序列合形成活性剪接体剪接体解离转酯反应内含子释放，snRNP循环利用，成熟两步转酯反应切除内含子并连接外显子mRNA形成选择性剪接调控外显子跳跃选择性剪接位点最常见的选择性剪接模式，某些在同一内含子中存在多个可供选外显子在特定条件下被跳过这择的5或3剪接位点，导致外显种机制能够产生长度不同的子边界的变化这种机制可以改mRNA变体，编码功能相关但有变外显子的长度，影响编码区的差异的蛋白质同工型外显子跳阅读框架或调控序列的存在跃的调控涉及剪接增强子和抑制子的平衡相互排斥外显子两个或多个外显子不能同时包含在同一个mRNA分子中的剪接模式这种机制通常用于产生功能相似但特异性不同的蛋白质变体，在免疫球蛋白和神经元离子通道基因中较为常见选择性剪接的生物学意义95%4-7100K+人类基因比例平均转录本数蛋白质多样性经历选择性剪接的多外显子基因占比每个基因产生的不同mRNA变体数量从2万个基因产生的蛋白质变体数量选择性剪接极大地增加了蛋白质组的复杂性和多样性通过产生具有不同功能结构域组合的蛋白质变体，细胞能够在有限的基因组空间内实现复杂的生物学功能这种机制在神经系统发育、免疫应答和细胞分化中发挥关键作用稳定性调控RNA半衰期差异不同mRNA具有从几分钟到几天不等的半衰期降解途径25-3外切酶、3-5外切酶和内切酶介导的降解稳定性元件3AU富集区、铁反应元件等调控序列RNA结合蛋白4结合特定序列调节mRNA稳定性和降解输出与定位RNA核-质转运细胞质定位成熟的mRNA通过核孔复合物从细胞核转运到细胞质这个过某些mRNA在细胞质中具有特定的亚细胞定位，这种定位调控程需要输出受体和多种辅助因子的参与mRNA的输出与其加翻译的时空特异性mRNA定位通过与特定RNA结合蛋白和细工状态密切相关，只有正确加工的mRNA才能有效输出胞骨架的相互作用实现•输出受体CRM1/Exportin-1介导•定位信号通常位于3非翻译区•需要Ran-GTP梯度驱动•马达蛋白介导的主动转运•质量控制确保正确加工•局部翻译控制蛋白质功能第六部分翻译水平的调控翻译起始调控翻译延伸调控起始因子活性和核糖体结合调节延伸因子和密码子使用调控非编码RNA调控翻译终止调控microRNA和siRNA介导的抑制终止因子和无义介导的衰变翻译起始的调控起始因子调节eIF2α磷酸化抑制翻译起始复合物形成，eIF4E结合蛋白调节帽子依赖性翻译起始25非翻译区调控上游开放阅读框、二级结构和铁反应元件等调控翻译效率核糖体结合位点Shine-Dalgarno序列强度和可及性影响核糖体招募和扫描起始密码子选择Kozak序列强度决定翻译起始效率和起始位点选择性翻译延伸的调控延伸因子调节稀有密码子核糖体暂停eEF2的磷酸化调节翻译稀有密码子的使用导致特定序列引起的核糖体延伸速率，在营养缺乏核糖体暂停，影响翻译暂停为蛋白质折叠、修和应激条件下抑制蛋白延伸速率和蛋白质折饰和定位提供时间暂质合成eEF1A调节氨叠这种机制在调节基停位点的调控影响蛋白酰-tRNA的递送效率，因表达水平和蛋白质功质的最终构象和活性影响翻译的准确性和速能中发挥重要作用度tRNA可用性不同氨酰-tRNA的相对浓度影响翻译延伸速率，形成密码子使用偏好性这种调控机制与细胞的代谢状态和生长条件密切相关同一操纵子内不同基因翻译量的差异调控核糖体结合位点强度不同基因的核糖体结合位点具有不同的结合亲和力，导致翻译起始效率的差异强结合位点能够更有效地招募核糖体，产生更多的蛋白质产物这种差异是细胞调节蛋白质相对比例的重要机制mRNA二级结构影响mRNA的局部二级结构如发夹环和假结可以遮蔽或暴露核糖体结合位点，调节翻译起始温度、离子浓度和RNA结合蛋白都能影响这些结构的稳定性，从而调控翻译水平密码子使用偏好性不同基因使用不同频率的密码子，反映了对应tRNA的丰度常用密码子对应的tRNA丰度高，翻译效率也高这种机制使得细胞能够根据tRNA池的组成调节不同基因的表达水平非编码介导的翻译调控RNA靶向识别microRNA与靶mRNA的3非翻译区部分互补结合RISC复合物RNA诱导沉默复合物介导翻译抑制或mRNA降解翻译抑制阻断翻译起始或延伸，抑制蛋白质合成调控网络形成复杂的转录后调控网络系统翻译抑制机制microRNA靶向机制RISC复合物作用microRNA通过种子序列（2-8个核苷酸）与靶mRNA的3UTR RNA诱导沉默复合物（RISC）是microRNA发挥功能的核心机结合，形成不完全互补的双链结构结合的特异性主要由种子序器，包含Argonaute蛋白作为催化亚基RISC加载成熟的列决定，而下游序列的互补性影响结合稳定性和调控效率microRNA后，通过碱基配对识别靶mRNA一个microRNA可以调控数百个靶基因，而一个基因也可能被多根据microRNA与靶标的互补程度，RISC可以引起翻译抑制或个microRNA调控，形成复杂的调控网络mRNA切割降解完全互补导致切割，部分互补导致翻译抑制其他翻译水平调控方式核糖体蛋白修饰翻译伴随蛋白核糖体蛋白的磷酸化、甲基化和分子伴侣蛋白在翻译过程中协助乙酰化修饰调节其活性和特异新生肽链的正确折叠，防止错误性这些修饰影响核糖体的装折叠和聚集某些伴侣蛋白还能配、稳定性和翻译选择性，使细调节特定mRNA的翻译效率，参胞能够在不同生理条件下调节翻与应激反应和蛋白质质量控制译机器的功能应激条件调控在热应激、氧化应激、营养缺乏等条件下，细胞通过调节翻译起始因子的活性来抑制大部分蛋白质的合成，同时选择性地促进应激反应蛋白的翻译，这种机制称为翻译重编程第七部分翻译后水平的调控蛋白质活性调节变构效应和反馈调节机制蛋白质定位细胞内和细胞间的蛋白质转运蛋白质降解泛素-蛋白酶体和自噬途径蛋白质修饰磷酸化、甲基化、泛素化等修饰蛋白质翻译后修饰蛋白质磷酸化调控网络蛋白激酶信号传导催化蛋白质丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸残磷酸化改变蛋白质构象、活性和相互作基的磷酸化用级联放大4磷酸酶信号级联实现微弱信号的指数级放大催化磷酸基团的去除，逆转磷酸化效应磷酸化调控网络是细胞信号转导的核心机制，通过可逆的磷酸化修饰实现对蛋白质活性的精确调控人类基因组编码约500个蛋白激酶和150个磷酸酶，它们共同维持细胞内磷酸化的动态平衡。