《基因表達(dá)與調(diào)控》課件

基因表達(dá)與調(diào)控生物學(xué)核心機(jī)制概述基因信息流動(dòng)及調(diào)控網(wǎng)絡(luò)從DNA到功能蛋白質(zhì)的完整過程課程概述基因表達(dá)中心法則DNA到蛋白質(zhì)的信息傳遞路徑分子機(jī)制轉(zhuǎn)錄與翻譯的精確過程調(diào)控網(wǎng)絡(luò)多層次控制系統(tǒng)生物學(xué)意義發(fā)育與疾病中的關(guān)鍵作用第一部分：基因表達(dá)概述基因表達(dá)定義遺傳信息從DNA轉(zhuǎn)化為功能分子的過程信息流動(dòng)DNA→RNA→蛋白質(zhì)的精確傳遞生物學(xué)意義生命活動(dòng)的分子基礎(chǔ)中心法則回顧1提出Crick于1958年首次提出2核心內(nèi)容DNA→RNA→蛋白質(zhì)3現(xiàn)代擴(kuò)展逆轉(zhuǎn)錄與RNA干擾基因表達(dá)的生物學(xué)意義細(xì)胞分化組織特異性表達(dá)模式發(fā)育調(diào)控時(shí)空表達(dá)精確控制環(huán)境適應(yīng)對刺激的分子響應(yīng)穩(wěn)態(tài)維持生物體平衡的基礎(chǔ)從基因組到功能組1基因組約20,000個(gè)編碼基因轉(zhuǎn)錄組細(xì)胞特異RNA表達(dá)譜蛋白質(zhì)組功能執(zhí)行單位網(wǎng)絡(luò)第二部分：基因結(jié)構(gòu)與組成啟動(dòng)子基因表達(dá)的起始區(qū)域外顯子編碼氨基酸序列內(nèi)含子剪接中被移除調(diào)控元件表達(dá)精確控制典型真核基因結(jié)構(gòu)啟動(dòng)區(qū)TATA盒、CAAT盒、GC盒5'UTR翻譯調(diào)控位點(diǎn)編碼區(qū)外顯子與內(nèi)含子3'UTR穩(wěn)定性調(diào)控啟動(dòng)子與調(diào)控元件核心啟動(dòng)子RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)近端啟動(dòng)子50-200bp范圍內(nèi)元件增強(qiáng)子遠(yuǎn)端正向調(diào)控沉默子負(fù)向調(diào)控元件外顯子-內(nèi)含子組成8.8平均外顯子數(shù)人類基因的外顯子數(shù)量90%內(nèi)含子比例占基因總長度95%選擇性剪接人類基因發(fā)生率非編碼區(qū)域的重要性調(diào)控元件富集轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)非編碼RNAmiRNA和lncRNA來源染色質(zhì)構(gòu)象三維結(jié)構(gòu)影響表達(dá)ENCODE發(fā)現(xiàn)功能復(fù)雜性揭示第三部分：轉(zhuǎn)錄過程轉(zhuǎn)錄起始RNA合成的起點(diǎn)轉(zhuǎn)錄延伸RNA鏈的合成轉(zhuǎn)錄終止RNA合成完成轉(zhuǎn)錄后加工RNA修飾與成熟真核生物轉(zhuǎn)錄概述3RNA聚合酶種類I、II、III類不同功能6基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄因子TFIIA、B、D、E、F、H100+輔因子數(shù)量介導(dǎo)調(diào)控信號傳遞RNA聚合酶II介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄合成種類mRNA、大多數(shù)snRNA和miRNACTD修飾C末端結(jié)構(gòu)域磷酸化共轉(zhuǎn)錄加工RNA同步修飾處理轉(zhuǎn)錄工廠高效RNA合成中心轉(zhuǎn)錄起始機(jī)制啟動(dòng)子識別轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合特異序列基礎(chǔ)因子組裝TFIIA-H的有序募集復(fù)合物轉(zhuǎn)變預(yù)起始到起始構(gòu)象變化啟動(dòng)子逃逸聚合酶開始移動(dòng)轉(zhuǎn)錄延伸過程RNA聚合酶II延伸速率約25-50nt/s延伸因子輔助功能暫停與重啟精確調(diào)控轉(zhuǎn)錄終止機(jī)制聚腺苷酸化信號AAUAAA序列識別切割位點(diǎn)確定終止因子募集多蛋白復(fù)合物組裝RNA的釋放與處理聚合酶解離與DNA模板分離酶復(fù)合物回收利用RNA前體的加工修飾5'端加帽7-甲基鳥苷帽結(jié)構(gòu)RNA剪接內(nèi)含子精確切除RNA編輯堿基修飾與置換3'端加尾多聚腺苷酸化RNA剪接機(jī)制5主要snRNPU1,U2,U4,U5,U62反應(yīng)步驟兩步轉(zhuǎn)酯化過程100+剪接因子精確調(diào)控剪接過程選擇性剪接與蛋白多樣性外顯子跳躍特定外顯子被整體跳過競爭性剪接位點(diǎn)5'或3'端選擇變化互斥性外顯子二選一的外顯子使用轉(zhuǎn)錄后調(diào)控網(wǎng)絡(luò)mRNA降解半衰期精確控制非編碼調(diào)控miRNA與lncRNA作用RNA修飾表觀轉(zhuǎn)錄組調(diào)控定位調(diào)控亞細(xì)胞區(qū)域定向第四部分：翻譯過程密碼子系統(tǒng)遺傳信息的蛋白質(zhì)語言核糖體功能蛋白質(zhì)合成工廠翻譯步驟起始、延伸與終止蛋白質(zhì)修飾功能完善與調(diào)控遺傳密碼子回顧編碼氨基酸終止密碼子起始密碼子密碼子簡并性：多個(gè)密碼子編碼同一氨基酸搖擺假說：tRNA第三位配對靈活性物種間密碼子使用偏好差異翻譯機(jī)器：核糖體結(jié)構(gòu)組成真核生物80S核糖體大亞基（60S）與小亞基（40S）rRNA催化功能：核糖核酸酶核糖體裝配與成熟過程多核糖體轉(zhuǎn)錄效率提升tRNA的結(jié)構(gòu)與功能結(jié)構(gòu)特點(diǎn)三葉草二級結(jié)構(gòu)L型三維空間構(gòu)型功能特性反密碼子與密碼子配對氨基?；簲y帶特定氨基酸翻譯起始過程起始復(fù)合物形成eIF因子組裝起始密碼子識別AUG序列定位核糖體亞基結(jié)合60S與40S聯(lián)合翻譯起始第一個(gè)氨基酸（甲硫氨酸）結(jié)合翻譯延伸機(jī)制tRNA進(jìn)入A位點(diǎn)eEF1A介導(dǎo)精確定位肽鍵形成rRNA催化氨基酸連接移位eEF2介導(dǎo)核糖體前移循環(huán)持續(xù)添加氨基酸鏈翻譯終止與核糖體循環(huán)1終止密碼子識別UAA、UAG或UGA位點(diǎn)2釋放因子結(jié)合eRF1和eRF3功能協(xié)同3多肽鏈釋放最終蛋白質(zhì)產(chǎn)物完成4核糖體解離亞基分離為下次翻譯做準(zhǔn)備翻譯后蛋白質(zhì)修飾磷酸化蛋白質(zhì)活性開關(guān)糖基化分泌蛋白修飾泛素化蛋白質(zhì)降解標(biāo)記第五部分：基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制1轉(zhuǎn)錄調(diào)控基因開關(guān)控制轉(zhuǎn)錄后調(diào)控RNA加工與穩(wěn)定性翻譯調(diào)控蛋白質(zhì)合成效率表觀遺傳調(diào)控DNA與染色質(zhì)修飾轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控概述DNA結(jié)合模塊序列特異性識別1激活域轉(zhuǎn)錄機(jī)器募集抑制域轉(zhuǎn)錄阻遏協(xié)同作用復(fù)合調(diào)控效應(yīng)真核轉(zhuǎn)錄因子家族鋅指結(jié)構(gòu)C2H2與C4類型螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋bHLH蛋白亮氨酸拉鏈bZIP結(jié)構(gòu)域染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與基因表達(dá)1核小體DNA纏繞組蛋白組蛋白修飾染色質(zhì)開放狀態(tài)調(diào)控染色質(zhì)重塑ATP依賴性復(fù)合體作用高級結(jié)構(gòu)三維空間基因互作表觀遺傳調(diào)控機(jī)制DNA甲基化CpG位點(diǎn)修飾組蛋白修飾乙酰化、甲基化等組蛋白變體H2A.Z、H3.3等替換非編碼調(diào)控RNA參與染色質(zhì)修飾轉(zhuǎn)錄后RNA調(diào)控RNA結(jié)合蛋白多功能調(diào)控因子影響RNA加工與壽命miRNA調(diào)控基因沉默作用靶點(diǎn)識別與抑制RNA修飾甲基化等化學(xué)修飾編輯改變堿基身份miRNA介導(dǎo)的基因沉默miRNA生物合成從基因轉(zhuǎn)錄到成熟miRNARISC復(fù)合體組裝miRNA與Argonaute蛋白結(jié)合靶點(diǎn)識別種子序列與3'UTR配對效應(yīng)執(zhí)行翻譯抑制或mRNA降解長非編碼RNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)染色質(zhì)修飾引導(dǎo)組蛋白修飾復(fù)合物骨架功能核仁與核小體組織X染色體失活XistRNA引導(dǎo)表觀沉默轉(zhuǎn)錄調(diào)控增強(qiáng)子RNA功能翻譯水平調(diào)控5'UTR結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)影響翻譯效率IRES元件非依賴帽結(jié)構(gòu)的翻譯起始上游ORF主ORF翻譯的調(diào)控元件miRNA作用翻譯抑制機(jī)制蛋白質(zhì)水平調(diào)控泛素-蛋白酶體降解途徑修飾調(diào)控蛋白活性相互作用網(wǎng)絡(luò)與功能關(guān)聯(lián)第六部分：基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)組織原理模塊化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)反饋環(huán)路網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性控制時(shí)空特異性精確的表達(dá)調(diào)控系統(tǒng)生物學(xué)整體研究方法4調(diào)控網(wǎng)絡(luò)基本原理模塊化組織調(diào)控元件功能單元網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層次性尺度無關(guān)特性少數(shù)節(jié)點(diǎn)高度連接多數(shù)節(jié)點(diǎn)連接度低網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)健性對擾動(dòng)的抵抗能力冗余機(jī)制確保穩(wěn)定反饋與前饋環(huán)路負(fù)反饋回路系統(tǒng)穩(wěn)定性維持正反饋回路雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)機(jī)制前饋環(huán)路信號濾波功能發(fā)育過程中的基因調(diào)控形態(tài)發(fā)生梯度位置信息建立調(diào)控級聯(lián)主調(diào)控基因激活3細(xì)胞命運(yùn)決定分化途徑選擇4器官發(fā)育組織形成調(diào)控網(wǎng)絡(luò)環(huán)境應(yīng)答的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)壓力應(yīng)答激活保護(hù)機(jī)制熱休克反應(yīng)HSF轉(zhuǎn)錄因子活化缺氧應(yīng)答HIF信號通路營養(yǎng)感知代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)第七部分：基因表達(dá)研究技術(shù)表達(dá)檢測RNA與蛋白質(zhì)定量技術(shù)功能研究基因干擾與編輯方法組學(xué)分析高通量大數(shù)據(jù)技術(shù)合成生物學(xué)人工基因線路構(gòu)建基因表達(dá)檢測技術(shù)PCR技術(shù)RT-PCR與實(shí)時(shí)定量PCR芯片技術(shù)基因表達(dá)譜分析3測序技術(shù)全轉(zhuǎn)錄組與單細(xì)胞分析原位雜交組織中表達(dá)可視化基因組功能注釋技術(shù)ChIP-seq染色質(zhì)免疫沉淀測序轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合位點(diǎn)圖譜ATAC-seq轉(zhuǎn)座酶可及性分析染色質(zhì)開放區(qū)域鑒定Hi-C技術(shù)染色質(zhì)構(gòu)象捕獲三維基因組結(jié)構(gòu)解析第八部分：醫(yī)學(xué)與應(yīng)用疾病機(jī)制基因表