基因表達與調控生物學核心機制概述基因信息流動及調控網絡從DNA到功能蛋白質的完整過程課程概述基因表達中心法則DNA到蛋白質的信息傳遞路徑分子機制轉錄與翻譯的精確過程調控網絡多層次控制系統生物學意義發育與疾病中的關鍵作用第一部分：基因表達概述基因表達定義遺傳信息從DNA轉化為功能分子的過程信息流動DNA→RNA→蛋白質的精確傳遞生物學意義生命活動的分子基礎中心法則回顧1提出Crick于1958年首次提出2核心內容DNA→RNA→蛋白質3現代擴展逆轉錄與RNA干擾基因表達的生物學意義細胞分化組織特異性表達模式發育調控時空表達精確控制環境適應對刺激的分子響應穩態維持生物體平衡的基礎從基因組到功能組1基因組約20,000個編碼基因轉錄組細胞特異RNA表達譜蛋白質組功能執行單位網絡第二部分：基因結構與組成啟動子基因表達的起始區域外顯子編碼氨基酸序列內含子剪接中被移除調控元件表達精確控制典型真核基因結構啟動區TATA盒、CAAT盒、GC盒5'UTR翻譯調控位點編碼區外顯子與內含子3'UTR穩定性調控啟動子與調控元件核心啟動子RNA聚合酶結合位點近端啟動子50-200bp范圍內元件增強子遠端正向調控沉默子負向調控元件外顯子-內含子組成8.8平均外顯子數人類基因的外顯子數量90%內含子比例占基因總長度95%選擇性剪接人類基因發生率非編碼區域的重要性調控元件富集轉錄因子結合位點非編碼RNAmiRNA和lncRNA來源染色質構象三維結構影響表達ENCODE發現功能復雜性揭示第三部分：轉錄過程轉錄起始RNA合成的起點轉錄延伸RNA鏈的合成轉錄終止RNA合成完成轉錄后加工RNA修飾與成熟真核生物轉錄概述3RNA聚合酶種類I、II、III類不同功能6基礎轉錄因子TFIIA、B、D、E、F、H100+輔因子數量介導調控信號傳遞RNA聚合酶II介導的轉錄合成種類mRNA、大多數snRNA和miRNACTD修飾C末端結構域磷酸化共轉錄加工RNA同步修飾處理轉錄工廠高效RNA合成中心轉錄起始機制啟動子識別轉錄因子結合特異序列基礎因子組裝TFIIA-H的有序募集復合物轉變預起始到起始構象變化啟動子逃逸聚合酶開始移動轉錄延伸過程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控轉錄終止機制聚腺苷酸化信號AAUAAA序列識別切割位點確定終止因子募集多蛋白復合物組裝RNA的釋放與處理聚合酶解離與DNA模板分離酶復合物回收利用RNA前體的加工修飾5'端加帽7-甲基鳥苷帽結構RNA剪接內含子精確切除RNA編輯堿基修飾與置換3'端加尾多聚腺苷酸化RNA剪接機制5主要snRNPU1,U2,U4,U5,U62反應步驟兩步轉酯化過程100+剪接因子精確調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5'或3'端選擇變化互斥性外顯子二選一的外顯子使用轉錄后調控網絡mRNA降解半衰期精確控制非編碼調控miRNA與lncRNA作用RNA修飾表觀轉錄組調控定位調控亞細胞區域定向第四部分：翻譯過程密碼子系統遺傳信息的蛋白質語言核糖體功能蛋白質合成工廠翻譯步驟起始、延伸與終止蛋白質修飾功能完善與調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器：核糖體結構組成真核生物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錄效率提升tRNA的結構與功能結構特點三葉草二級結構L型三維空間構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合60S與40S聯合翻譯起始第一個氨基酸（甲硫氨酸）結合翻譯延伸機制tRNA進入A位點eEF1A介導精確定位肽鍵形成rRNA催化氨基酸連接移位eEF2介導核糖體前移循環持續添加氨基酸鏈翻譯終止與核糖體循環1終止密碼子識別UAA、UAG或UGA位點2釋放因子結合eRF1和eRF3功能協同3多肽鏈釋放最終蛋白質產物完成4核糖體解離亞基分離為下次翻譯做準備翻譯后蛋白質修飾磷酸化蛋白質活性開關糖基化分泌蛋白修飾泛素化蛋白質降解標記第五部分：基因表達調控機制1轉錄調控基因開關控制轉錄后調控RNA加工與穩定性翻譯調控蛋白質合成效率表觀遺傳調控DNA與染色質修飾轉錄水平調控概述DNA結合模塊序列特異性識別1激活域轉錄機器募集抑制域轉錄阻遏協同作用復合調控效應真核轉錄因子家族鋅指結構C2H2與C4類型螺旋-轉角-螺旋bHLH蛋白亮氨酸拉鏈bZIP結構域染色質結構與基因表達1核小體DNA纏繞組蛋白組蛋白修飾染色質開放狀態調控染色質重塑ATP依賴性復合體作用高級結構三維空間基因互作表觀遺傳調控機制DNA甲基化CpG位點修飾組蛋白修飾乙?；?、甲基化等組蛋白變體H2A.Z、H3.3等替換非編碼調控RNA參與染色質修飾轉錄后RNA調控RNA結合蛋白多功能調控因子影響RNA加工與壽命miRNA調控基因沉默作用靶點識別與抑制RNA修飾甲基化等化學修飾編輯改變堿基身份miRNA介導的基因沉默miRNA生物合成從基因轉錄到成熟miRNARISC復合體組裝miRNA與Argonaute蛋白結合靶點識別種子序列與3'UTR配對效應執行翻譯抑制或mRNA降解長非編碼RNA調控網絡染色質修飾引導組蛋白修飾復合物骨架功能核仁與核小體組織X染色體失活XistRNA引導表觀沉默轉錄調控增強子RNA功能翻譯水平調控5'UTR結構二級結構影響翻譯效率IRES元件非依賴帽結構的翻譯起始上游ORF主ORF翻譯的調控元件miRNA作用翻譯抑制機制蛋白質水平調控泛素-蛋白酶體降解途徑修飾調控蛋白活性相互作用網絡與功能關聯第六部分：基因調控網絡組織原理模塊化網絡結構反饋環路網絡穩定性控制時空特異性精確的表達調控系統生物學整體研究方法4調控網絡基本原理模塊化組織調控元件功能單元網絡結構層次性尺度無關特性少數節點高度連接多數節點連接度低網絡穩健性對擾動的抵抗能力冗余機制確保穩定反饋與前饋環路負反饋回路系統穩定性維持正反饋回路雙穩態開關機制前饋環路信號濾波功能發育過程中的基因調控形態發生梯度位置信息建立調控級聯主調控基因激活3細胞命運決定分化途徑選擇4器官發育組織形成調控網絡環境應答的調控網絡壓力應答激活保護機制熱休克反應HSF轉錄因子活化缺氧應答HIF信號通路營養感知代謝調控網絡第七部分：基因表達研究技術表達檢測RNA與蛋白質定量技術功能研究基因干擾與編輯方法組學分析高通量大數據技術合成生物學人工基因線路構建基因表達檢測技術PCR技術RT-PCR與實時定量PCR芯片技術基因表達譜分析3測序技術全轉錄組與單細胞分析原位雜交組織中表達可視化基因組功能注釋技術ChIP-seq染色質免疫沉淀測序轉錄因子結合位點圖譜ATAC-seq轉座酶可及性分析染色質開放區域鑒定Hi-C技術染色質構象捕獲三維基因組結構解析第八部分：醫學與應用疾病機制基因表