《遗传信息表达机制》课件

遗传信息表达机制遗传信息表达机制是分子生物学的核心理论基础，揭示了从基因型到表型转化的分子机制这一过程涉及DNA转录为RNA，RNA翻译为蛋白质的复杂调控网络，是理解生命现象本质的关键课程目录12遗传信息本质与结构转录与翻译过程探讨DNA作为遗传信息载体的分子基础详解基因表达的核心步骤和调控机制3表观遗传学与调控疾病关联与研究前沿揭示不改变DNA序列的表达调控方式遗传信息的本质双螺旋结构信息编码原理DNADNA由四种碱基（腺嘌呤A、胸腺嘧啶T、胞嘧啶C、鸟嘌呤G）DNA序列中的碱基排列顺序构成了生物体的遗传密码，每三个组成，通过氢键配对形成稳定的双螺旋结构这种结构不仅保证连续的碱基组成一个密码子，对应特定的氨基酸这种三联体密了遗传信息的稳定储存，还为信息的准确复制和传递提供了分子码系统为蛋白质的精确合成提供了指令模板基础分子水平的遗传信息基因表达调控1转录因子结合位点功能基因区域2外显子与内含子结构基因组架构3编码区与非编码区分布基因作为遗传信息的基本功能单位，包含编码蛋白质的序列信息以及调控其表达的调节元件基因组的复杂结构反映了生物体表达调控的精密性，其中编码区仅占人类基因组的约2%，而大量的非编码区域承担着重要的调控功能到转录核心DNA RNA——DNA遗传信息储存转录RNA合成过程RNA信息传递载体蛋白质功能执行分子中心法则阐述了遗传信息从DNA到RNA再到蛋白质的单向流动规律这一过程中，DNA作为稳定的信息库，通过转录产生各种类型的RNA，进而指导蛋白质的合成虽然后来发现了逆转录等特殊情况，但中心法则仍然是理解基因表达的重要理论框架的多样性RNA信使RNAmRNA携带编码信息，是蛋白质合成的直接模板其5端帽结构和3端多腺苷酸尾巴增强了稳定性和翻译效率，使得遗传信息能够准确传递到蛋白质合成机器转移RNAtRNA承载特定氨基酸，通过反密码子与mRNA配对，确保氨基酸按正确顺序组装成蛋白质每种tRNA的三维结构精确决定了其携带的氨基酸类型核糖体RNArRNA是核糖体的结构和催化成分，不仅提供蛋白质合成的平台，还具有催化肽键形成的酶活性，体现了RNA世界的古老特征转录的起始与调控区启动子识别转录因子结合特异性序列增强子作用远距离调控元件激活转录沉默子抑制负性调控元件降低表达基因转录的精确调控依赖于多种调控元件的协同作用启动子序列为RNA聚合酶提供结合位点，而增强子和沉默子则通过长距离相互作用调节转录水平这种复杂的调控网络使得细胞能够在不同条件下精确控制基因表达，实现细胞功能的多样性和适应性原核生物与真核转录差异原核生物转录真核生物转录原核生物拥有单一的RNA聚合酶，转录过程相对简单直接转真核生物具有三种RNA聚合酶（I、II、III），分别负责不同类型录与翻译可以同时进行，因为没有核膜分隔，mRNA一旦合成就RNA的合成转录后还需要复杂的加工过程，包括5加帽、3多可以立即被核糖体识别并开始翻译腺苷酸化和内含子剪接，这些步骤为基因表达调控提供了更多层次•转录翻译偶联•核质分离•无内含子剪接•复杂RNA加工•单一RNA聚合酶•多种RNA聚合酶真核转录起始的分子机制识别盒TFIID TATA转录因子TFIID中的TBP亚基识别并结合启动子中的TATA盒序列，这是转录起始复合体组装的第一步，为后续因子的结合提供平台基础转录因子招募TFIIA、TFIIB、TFIIE、TFIIF和TFIIH等基础转录因子依次结合，形成前起始复合体每个因子都有特定的功能和结合顺序聚合酶募集RNA II在转录因子TFIIF的协助下，RNA聚合酶II被招募到启动子区域，与其他因子共同形成完整的转录起始复合体转录起始与逃逸TFIIH的激酶活性磷酸化RNA聚合酶II的C端结构域，促使聚合酶从启动子逃逸并开始高效的转录延伸过程转录延伸过程转录泡形成RNA聚合酶沿DNA模板移动时，其螺旋酶活性解开DNA双链，形成转录泡在这个开放的区域内，模板链作为合成RNA的指导到合成53RNA链严格按照5到3方向合成，RNA聚合酶读取DNA模板链的3到5方向这种方向性保证了遗传信息的准确传递转录后修饰开始在转录延伸过程中，新生RNA链就开始接受各种修饰，如5端加帽，这些共转录修饰提高了RNA的稳定性和功能性转录终止信号原核终止机制真核终止机制原核生物主要通过两种机制实现转录终止内在终止依赖于真核生物的转录终止更为复杂，主要依赖多聚腺苷酸化信号当RNA中形成的发夹结构，这种二级结构会导致RNA聚合酶暂停RNA聚合酶II转录通过多聚腺苷酸化信号序列后，特定的蛋白质并最终脱离DNA模板复合体会切割新生RNA并添加多腺苷酸尾巴Rho依赖性终止则需要Rho蛋白的参与，该蛋白具有螺旋酶活这个过程不仅实现了转录终止，还为mRNA的稳定性和翻译效率性，能够追赶并促使RNA聚合酶终止转录奠定了基础加工与修饰mRNA端加帽5内含子剪接7-甲基鸟苷酸帽结构保护mRNA免受5剪接体精确去除内含子序列，连接外显外切酶降解，同时为翻译起始提供识别子形成成熟mRNA信号核质运输多腺苷酸化3加工成熟的mRNA通过核孔复合体运输在3端添加200-250个腺苷酸残基，增到细胞质进行翻译强mRNA稳定性和翻译效率可变剪接外显子跳跃内含子保留某些外显子在剪接过程中被跳部分内含子序列被保留在成熟过，产生不同长度的mRNA变mRNA中，可能包含新的开放阅体这种机制使得单个基因能够读框或调控元件这种剪接模式编码多种蛋白质亚型，极大地增在神经系统发育中尤为重要加了蛋白质组的多样性互斥外显子在多个相似外显子中选择性包含其中一个，产生功能相关但序列不同的蛋白质变体这种机制常见于免疫球蛋白和神经元受体的表达的稳定性调控mRNA保护机制UTR5和3非翻译区结合特定蛋白质，形成保护性复合体靶向miRNA微小RNA结合mRNA的3UTR区域，引导mRNA降解或抑制翻译降解途径通过去帽、去尾和内切等多种机制调控mRNA半衰期循环利用RNA某些RNA结合蛋白促进mRNA的重新利用和循环翻译运输与定位mRNA1核孔运输成熟mRNA与出核转运因子结合，通过核孔复合体从细胞核运输到细胞质，这个过程需要消耗GTP并受到严格调控2细胞质定位mRNA通过与特定RNA结合蛋白和运动蛋白相互作用，被运输到细胞内的特定位置，实现局部蛋白质合成3翻译调控mRNA的细胞内定位使得蛋白质能够在需要的位置直接合成，这种机制在细胞极化和神经元功能中发挥重要作用遗传密码表与翻译基础64密码子总数三联体密码提供充足的编码容量20标准氨基酸构成蛋白质的基本构建单元3终止密码子UAG、UAA、UGA信号翻译终止1起始密码子AUG编码甲硫氨酸并起始翻译遗传密码的简并性使得多个密码子可以编码同一个氨基酸，这种冗余设计降低了点突变对蛋白质功能的影响同时，密码子使用偏好性在不同物种间存在差异，反映了进化适应和tRNA丰度的影响的作用机理tRNA氨基酸活化密码子识别氨酰-tRNA合成酶催化特定氨基酸与对应反密码子与mRNA密码子配对，确保翻译准tRNA结合确性结构特异性化学修饰L型三维结构决定了与合成酶和核糖体的相互碱基修饰影响tRNA的稳定性和功能作用核糖体的结构与功能小亚基功能大亚基功能40S小亚基（真核）负责识别和结合mRNA，包含16S rRNA和60S大亚基（真核）包含催化中心，负责肽键的形成其肽基转约33种蛋白质小亚基的解码中心负责确保密码子-反密码子的移酶中心完全由rRNA构成，体现了RNA的催化能力大亚基还正确配对，是翻译保真性的关键部位负责新生肽链的折叠和转运•mRNA结合位点•肽基转移酶中心•解码中心•肽链出口通道•起始因子相互作用•延伸因子结合位点翻译起始帽依赖起始大多数真核mRNA通过5帽结构招募小亚基扫描机制小亚基沿mRNA扫描寻找起始密码子AUG帽非依赖起始某些mRNA通过内部核糖体进入位点直接起始翻译起始是基因表达调控的关键环节，起始因子eIF4E识别5帽结构，eIF4G作为支架蛋白连接各种调控因子在应激条件下，帽依赖翻译受到抑制，而帽非依赖翻译机制变得重要，确保细胞在逆境中仍能合成必需蛋白质翻译延伸氨酰结合肽键形成-tRNA延伸因子EF1A携带氨酰-tRNA进入核糖肽基转移酶催化P位点肽链转移到A位点体A位点氨基酸释放核糖体移位tRNA去酰化tRNA从E位点离开，为下一轮循EF2促进核糖体沿mRNA移动一个密码环做准备子距离翻译终止与释放终止密码子识别肽链水解核糖体分离eRF1识别UAG、UAA、UGA终止信号eRF1模拟tRNA结构，促进肽链从tRNA释释放因子协助核糖体亚基分离和循环利用放翻译终止的准确性对于防止读码框移位和产生异常蛋白质至关重要eRF3作为GTP酶调节eRF1的活性，而一些无义突变抑制子tRNA可以在终止密码子处插入氨基酸，部分恢复基因功能这种机制在基因治疗中具有潜在应用价值多肽链后修饰磷酸化修饰蛋白激酶在丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸残基上添加磷酸基团，这是最常见的可逆修饰，调节蛋白质活性、定位和相互作用信号转导通路中的磷酸化级联放大信号并实现精确调控乙酰化修饰主要发生在赖氨酸残基，特别是组蛋白的乙酰化与基因转录激活密切相关乙酰化减少了组蛋白与DNA的结合力，使染色质结构松散，便于转录因子接近基因泛素化修饰泛素分子共价连接到靶蛋白的赖氨酸残基，标记蛋白质进行降解、定位改变或功能调节泛素-蛋白酶体系统是细胞内蛋白质降解的主要途径，维持蛋白质稳态基因表达调控层级蛋白质修饰1最终功能调节层面翻译调控2mRNA到蛋白质转换控制转录后调控3RNA加工、稳定性和运输转录调控4DNA到RNA的转换控制表观遗传调控5染色质结构和可及性调节基因表达调控是一个多层次的精密系统，从染色质水平的表观遗传修饰到蛋白质水平的后翻译修饰，每个层次都提供了特定的调控机制这种层级化调控使得细胞能够对内外环境变化做出快速而精确的响应，同时保持基因表达的稳定性和可塑性细胞特异性表达神经细胞表达特征肌肉细胞表达特征免疫细胞表达特征神经细胞高表达神经元特异性基因，如肌肉细胞表达大量收缩蛋白基因，包括免疫细胞表达免疫球蛋白、细胞因子和神经丝蛋白、突触蛋白和神经递质受肌动蛋白、肌球蛋白和肌钙蛋白这些表面受体基因不同免疫细胞亚型的基体这些基因的表达模式决定了神经元蛋白质的协调表达和组装形成了肌肉收因表达谱差异反映了它们在免疫反应中的电生理特性和信号传导能力缩的分子基础的专门化功能•轴突生长相关基因•收缩蛋白复合体•抗体产生基因•突触传递蛋白•代谢酶基因•炎症因子•离子通道基因•钙调节蛋白•免疫识别受体基因组调控元件启动子序列增强子元件位于基因转录起始位点附近的可以位于基因上游、下游或内含DNA序列，包含RNA聚合酶结合子区域的调控序列，通过与启动位点和转录因子识别序列核心子形成DNA环状结构发挥远距离启动子元件如TATA盒为基础转调控作用增强子的组合模式决录机器提供定位信号，而调控性定了基因在不同细胞类型和发育启动子元件则响应特定的转录因阶段的表达模式子绝缘子边界防止不同调控域之间相互干扰的DNA序列，维持基因表达的独立性和特异性绝缘子结合特定蛋白质形成染色质边界，分隔活跃和沉默的染色质区域反馈调控途径葡萄糖阻遏乳糖诱导1葡萄糖存在时，cAMP水平降低，CAP-乳糖结合LacI阻遏蛋白，解除对操纵子2cAMP复合体不能结合启动子的阻遏作用酶蛋白合成负反馈调节β-半乳糖苷酶等酶蛋白大量合成，代谢3乳糖消耗完毕，系统恢复到阻遏状态乳糖非编码调控RNA生物合成miRNA从pri-miRNA经Drosha和Dicer两步切割产生成熟miRNA这个过程在细胞核和细胞质中分别进行，受到多种调控因子的精确控制靶标识别miRNA与RISC复合体结合，通过种子序列识别目标mRNA的3UTR区域不完全配对导致翻译抑制，完全配对则引起mRNA降解3基因沉默lncRNA通过多种机制调控基因表达，包括染色质修饰、转录调控和RNA稳定性调节某些lncRNA作为分子海绵结合miRNA，调节基因表达网络表观遗传学基础甲基化DNA在CpG二核苷酸的胞嘧啶上添加甲基基团组蛋白修饰组蛋白尾部的化学修饰调节染色质状态染色质重塑ATP依赖性复合体改变核小体位置和结构表观遗传这些修饰可以在细胞分裂中稳定传递表观遗传修饰在不改变DNA序列的前提下调控基因表达，这种调控机制在发育、分化和疾病过程中发挥关键作用表观遗传状态的可逆性为疾病治疗提供了新的靶点，表观遗传药物已经在癌症治疗中显示出良好前景甲基化调控DNA甲基化建立DNA甲基转移酶DNMT3A和DNMT3B在发育过程中建立新的甲基化模式，这些酶识别特定的DNA序列和染色质环境，在适当的时间和位置添加甲基基团甲基化维持DNMT1识别半甲基化的CpG位点，在DNA复制后维持甲基化状态这种维持机制确保了表观遗传信息在细胞分裂过程中的稳定传递基因表达抑制启动子区域的DNA甲基化通常导致基因转录沉默，甲基化CpG结合蛋白招募辅阻遏因子和组蛋白去乙酰化酶，形成抑制性染色质结构组蛋白修饰及染色质重塑乙酰化激活甲基化调控组蛋白乙酰化中和正电荷，减弱与DNA结H3K4me3标记活跃启动子，H3K27me3标合，促进转录激活记沉默基因，形成双价调控12染色质重塑泛素化修饰3SWI/SNF等复合体利用ATP能量移动或弹H2B泛素化促进转录延伸，调节染色质结构出核小体动态变化染色质高级结构与调控异染色质特征常染色质特征异染色质呈现高度凝缩状态，富含抑制性组蛋白修饰如常染色质结构相对松散，富含激活性标记如H3K4me

3、H3K9me3和H3K27me3这种紧密包装的结构限制了转录因子H3K36me3和组蛋白乙酰化这种开放结构便于转录机器接近和RNA聚合酶的接近，导致基因表达沉默基因，支持活跃的基因转录•DNA甲基化富集•转录因子可及性高•HP1蛋白结合•RNA聚合酶富集•低转录活性•活跃转录标记表观遗传标记的遗传性1复制维持DNADNA甲基化通过DNMT1的维持活性在复制过程中保持，确保子细胞继承亲本细胞的甲基化模式这种机制是表观遗传记忆的分子基础2组蛋白修饰传递某些组蛋白修饰通过招募相应的修饰酶在新合成的组蛋白上重建修饰模式这个过程涉及染色质组装和修饰酶的协调作用3染色质结构维持染色质重塑复合体和非编码RNA参与维持染色质的三维结构和功能域，确保基因表达状态的稳定传递表观遗传与发育多能性维持干细胞中特定的表观遗传标记维持基因表达的可塑性谱系决定2关键转录因子建立细胞类型特异性的表观遗传模式命运锁定抑制性修饰固定细胞身份，防止去分化胚胎发育过程中，表观遗传修饰指导细胞从多能状态向特化状态的转变发育关键基因的启动子往往携带双价标记，既有激活性H3K4me3又有抑制性H3K27me3，这种预备状态使得基因能够根据发育信号快速激活或沉默表观遗传重编程在体细胞重编程为诱导多能干细胞过程中发挥核心作用表观遗传与疾病肿瘤发生肿瘤抑制基因启动子的异常甲基化导致基因沉默，这是癌症发生的重要机制例如，BRCA1基因启动子甲基化与乳腺癌风险增加相关，而MLH1基因甲基化与结直肠癌发展密切相关神经退行性疾病阿尔茨海默病和帕金森病等神经退行性疾病中，神经元特异性基因的表观遗传调控失常tau蛋白和α-突触核蛋白基因的异常修饰模式与疾病进展相关代谢性疾病糖尿病和肥胖症中，代谢关键基因的表观遗传修饰异常影响胰岛素敏感性和脂质代谢环境因素如饮食和运动可以通过表观遗传机制影响代谢基因表达染色体失活实例X随机选择包被Xist RNA1雌性哺乳动物细胞中随机选择一条X染长非编码RNA Xist从失活中心扩散，覆色体进行失活，确保基因剂量补偿盖整条X染色体基因沉默维持表观修饰建立4形成稳定的异染色质结构，维持基因沉招募PRC2复合体，建立H3K27me3等默状态抑制性标记遗传变异影响表达启动子突变调控序列变异启动子区域的点突变可能破坏转增强子或沉默子序列的变异影响录因子结合位点，导致基因表达基因的时空表达模式某些发育水平异常β-地中海贫血症中β-异常疾病与远程调控元件的突变珠蛋白基因启动子突变就是典型相关，这些变异可能距离目标基例子，影响血红蛋白的正常合因数百万碱基对成剪接位点突变内含子-外显子边界的突变影响mRNA剪接，产生异常的转录本这类突变在遗传性疾病中很常见，可导致外显子跳跃或内含子保留转座子与基因表达转座子激活某些转座子携带调控序列，插入基因附近时可激活邻近基因表达基因功能破坏转座子插入编码序列或调控区域，可能破坏基因正常功能增加遗传多样性转座子活动为基因组进化提供原料，创造新的调控网络进化适应机制在环境压力下，转座子激活可能产生有利的表达变异信号转导与表达调节信号接收细胞表面受体识别激素、生长因子或环境信号，启动胞内信号转导级联反应这些信号分子的浓度变化直接影响下游基因的表达模式2信号放大蛋白激酶级联将信号从细胞膜传递到细胞核，每一步都有放大效应关键转录因子如p

53、NF-κB等在信号传导中被激活或修饰3转录调控激活的转录因子结合目标基因的调控序列，调节RNA聚合酶的招募和活性应激反应基因能在信号刺激后数分钟内被快速激活细胞响应基因表达变化导致细胞表型改变，包括细胞分裂、分化、凋亡或代谢状态调整这种响应的特异性和强度决定了细胞命运实验方法检测——mRNA传统检测方法高通量测序技术Northern blot通过凝胶电泳分离RNA并用特异性探针检测目标RNA-Seq技术能够同时检测细胞或组织中所有基因的表达水mRNA，能够确定RNA的大小和丰度定量PCR（qPCR）技术平，发现新的转录本和可变剪接事件单细胞RNA测序进一步灵敏度高，能够精确测量特定基因的表达水平变化揭示了细胞间表达异质性和发育轨迹•半定量结果•全转录组分析•单基因检测•发现新转录本•成本相对较低•单细胞分辨率实验方法转录因子分析——染色质可及性分析染色质免疫沉淀测序ATAC-Seq通过转座酶易接近的染色质区域蛋白质相互作用检测-DNAChIP-Seq技术结合免疫沉淀和高通量测序，进行测序，识别开放的染色质区域和潜在的凝胶迁移率变化分析（EMSA）通过观察在全基因组范围内确定转录因子或组蛋白修转录因子结合位点这种方法为理解染色质DNA-蛋白质复合体在凝胶中的迁移速度变饰的结合位点这种方法革命性地推进了表结构和基因调控提供了重要信息化，验证转录因子与特定DNA序列的结合能观遗传学和转录调控研究力这种方法简单直接，是研究蛋白质-DNA相互作用的经典技术实验方法表观遗传组分析——甲基化检测DNAMeDIP-Seq使用抗5-甲基胞嘧啶抗体富集甲基化DNA片段并测序，绘制全基因组甲基化图谱亚硫酸氢盐测序能够以单碱基分辨率检测DNA甲基化状态，是表观遗传学研究的金标准组蛋白修饰分析针对特定组蛋白修饰的ChIP-Seq实验能够确定激活性和抑制性标记在基因组上的分布模式这些数据帮助研究者理解染色质状态和基因表达调控的关系染色质可及性FAIRE-Seq和DNase-Seq等技术检测染色质的开放程度，识别活跃的调控元件这些方法与转录因子结合数据结合，能够构建完整的基因调控网络图谱。