基因组学第8章基因组活性的调控

Genomes基因检测：掀起你的“盖头”来Genomes•突变先天遗传与兔子耳朵上的焦油•预防“碎玉”保“瓦全”，有无必要•治疗针对基因突变的“神药”Genomes常见的家族遗传病•结直肠癌•乳腺癌•胃癌•高血压•糖尿病Genomes第八章基因组活性的调控瞬时永久性或半永久性基因组活性调节方式Genomes基因组活性调节方式•基因组蛋白质组细胞•基因组活性：•1）瞬时改变，受胞外环境影响，可逆转•2）永久性或半永久性改变，不可逆转或特性逆转细胞分化具有特定生理功能•基因组活性的转录后调控：调控RNA的作用•发育过程中基因组活性的调控Genomes基因表达途径中可进行调控的步骤举例GenomesGenomes•基因组活性的瞬时变化•基因组活性的永久性和半永久性变化•发育过程中基因组活性的调节Genomes第一节基因组活性的瞬时变化细胞对外界刺激应答1)单细胞生物：营养物质改变2)多细胞生物：激素、生长因子和相关化合物作用方式1)直接方式：作为信号物质直接进入细胞2)间接方式：通过与细胞表面受体结合，将信号间接传入细胞Genomes•通过细胞外信号化合物的进入进行的信号传递•细胞表面受体介导的信号传导Genomes通过细胞外信号化合物的进入进行的信号传递信号物直接影响基因组活性的三种方式：1.信号物是蛋白分子，影响转录起始复合物的组装，或与剪接增强子或抑制子相互作用。2.信号化合物能影响一个已知蛋白分子的活性。3.信号化合物通过一个或多个中间分子影响一个已知蛋白的活性Genomes直接作用于基因组的胞外信号蛋白•乳铁蛋白是一个可以作为转录因子的胞外信号蛋白•蛋白特征：1）具有有效跨膜运输所需的疏水性2）具有通过水相胞质的亲水性•存在于牛奶、血液与免疫细胞基因组结合导致其活化Genomes一些进入细胞的信号物质直接影响已经存在的调节蛋白•原核生物：操纵子•真核生物：普遍方式例子1：啤酒酵母铜离子调控的基因表达例子2：类固醇类激素（雌激素、糖皮质激素等）Genomes类固醇激素信号Genomes类固醇激素受体所有类固醇激素受体结构上是相似的典型类固醇激素受体和核受体的应答元件序列Genomes胞外信号入胞后间接作用于转录因子•细菌：代谢物阻抑•例子：胞外葡萄糖水平决定乳糖操纵子是否启动1）葡萄糖存在时优先利用葡萄糖2）葡萄糖抑制腺苷酸环化酶的活性，降低cAMP水平3）cAMP存在时，代谢物活化蛋白（CAP）结合DNA，激活乳糖操纵子Genomes细胞表面受体介导的信号传导•跨膜受体结构1）离子通道偶联的受体2）G蛋白偶联的受体3）激酶受体•酪氨酸•丝氨酸•苏氨酸GenomesGenomes细胞表面受体被胞外信号结合激活导致基因组活性蛋白的直接活化•转录因子STAT•表面受体是酪氨酸激酶家族成员，能直接活化STAT•酪氨酸激酶相关受体，通过中间物JAK起作用•STAT结合于DNA序列：5’-TTCCGGGAA（回文序列）Genomes受体和基因组之间的多步骤信号转导•级联途径——受体作为最终使一个或多个转录因子激活或失活的一系列步骤中的第一步。•哺乳动物中较为重要的级联途径：1.MAP（有丝分裂原活化蛋白）激酶系统2.Ras系统3.SAP（应激激活蛋白）激酶系统GenomesMAPK激酶途径的信号转导GenomesRas系统•GAP(GTP酶活化蛋白)失活Ras•GNRP(鸟苷酸释放蛋白）活化Ras•活化的Ras通过不同的通路起作用Genomes信号级联中蛋白质相互作用的模式上游蛋白磷酸化，因此能够结合下游蛋白，然后导致下游蛋白的受体结构域磷酸化，信号放大Genomes通过第二信使的信号转导•第二信使,是专一性较差得胞内信号物质，可将来自一个细胞表面受体的信号向几个方向进行传导，从而产生多种细胞活动。•如：Ca2+cAMPDAG(二酰基甘油）IP3(肌醇三磷酸）Genomesp300/CBP应答cAMP和Ca2+Genomesp300/CBP调控组蛋白乙酰化影响基因组活性Genomes阐明一个信号途径—TGF-β•TGF-β的细胞表面受体是能激活细胞内多种靶蛋白的丝氨酸-苏氨酸激酶•由TGF-β结合引发的信号转导过程包含一套称为SMAD家族的蛋白质•Smad1,Smad2,Smad3,Smad5,是受体调节的SMAD•SMAD4是辅助中介因子GenomesSmad6和Smad7对TGF-β信号途径有抑制作用•两种模型：1.Smad6和Smad7阻止活化的受体磷酸化其他的SMAD蛋白抑制信号转导；2.抑制性的SMAD蛋白结合一个或多个其他的SMAD蛋白，将这些蛋白从信号转导途径中除去，因而阻止了信号的转导。Genomes信号转导的复杂性Genomes第二节基因组活性的永久和半永久性变化基因组活性永久性或半永久性逆转方式：•基因组重排•染色体结构改变•反馈环改变Genomes基因组重排•酵母交配型由基因转换决定Genomes•基因组重排是免疫球蛋白和T细胞受体多样性的原因Genomes特异免疫球蛋白的合成免疫球蛋白类型转换Genomes染色质结构改变•常染色质、异染色质间的改变•X染色体失活•polycomb基因家族polycomb通过引发异染色质形成使某些基因组片段沉默Genomes三胸蛋白（trithorax）Genomes基因组的反馈环调节•转录因子表达后结合于自身基因的顺式元件，反馈调控自身基因表达•MyoD转录因子•果蝇的变形蛋白Genomes基因组活性的其他调控方式•RNA调控基因组转录后活性•表观遗传调控•用转录因子将体细胞基因组重编程——诱导多能干细胞(iPSCs)GenomesRNA调控基因组转录后活性•调控RNA是小RNA•细菌中RNA介导的调控1）参与质粒的复制调控2）基因表达调控•真核生物中RNA介导的调控1）RNAi是真核生物的主要调控方式2）miRNA分子的合成与功能GenomesRNA干扰（RNAinterference,RNAi）•真核生物中存在多种类型很短的RNA分子，它们能抑制或沉默那些与其具有同源序列的基因的表达，这种调控机制称为RNA干扰(RNAi)，也称为RNA沉默（RNAsilencing）。•多种表现方式：1）抑制mRNA翻译2）降解mRNA3）沉默指导mRNA转录的启动子GenomesRNAi是真核生物的主要调控机制•调控的小RNA来源：源于双链RNA前体的siRNA(smallinterferingRNA);源于细胞内基因编码RNA前体的miRNA(microRNA)•小RNA抑制同源靶基因表达的途径：1）引起靶基因编码mRNA的降解2）抑制mRNA翻译3）对靶基因所在染色质进行翻译修饰而沉默其转录。Genomes小RNA可以指导染色质修饰Genomes表观遗传调控•基因表达的模式有时必须得到继承•在同时缺乏突变和起始信号的情况下，基因表达模式的继承称为表观遗传（epigenetic）调控GenomesDNA甲基化模式可以通过细胞分裂得以维持Genomes信号半永久性改变基因组活性的例子Pdhs-3::dhs-3::gfpCommondietDifferentdietGenomes诱导多能干细胞(iPSCs)•里程碑：山中伸弥的伟大发现•2006年日本京都大学教授山中伸弥在《细胞》上率先报道了诱导多能干细胞的研究。他们把Oct3/4,Sox2、c-Myc和Klf4这四种转录因子基因克隆入病毒载体，然后引入小鼠成纤维细胞，发现可诱导其发生转化，产生的iPS细胞在形态、基因和蛋白表达、表观遗传修饰状态、细胞倍增能力、类胚体和畸形瘤生成能力、分化能力等方面都与胚胎干细胞相似。Genomes第四节发育过程中基因组活性的调控•发育存在一系列复杂的遗传、细胞和生理事件，这些事件必须按照正确的顺序在适当的细胞中在合适的时间发生，才能确保发育途径顺利地完成•指导细胞在发育过程中表达不同基因组合的策略•确定基因差异表达策略的例证•果蝇的发育分子生物学Genomes基因表达是细胞从环境接受信号的表达•遗传背景相同的细胞为何表达不同的基因组合进而分化为不同的细胞？•指导细胞在发育过程中表达不同基因组合的三种策略：•1）mRNA定位（mRNAlocalization）•2）细胞-细胞接触（cell-to-cellcontact）•3）分泌信号分子扩散传导(signalingthroughthediffusionofasecretedsignalingmolecular)Genomes细胞骨架的固有极性使某些RNA在卵细胞和胚胎中被定位化•细胞分裂过程中使关键的调节分子非对称分配，这些非对称分配的分子通常是mRNA•定位机制：1）mRNA通过特定3’-UTR区序列结合适配蛋白（adapterprotein）2）适配蛋白包含两个结构域，其一结合mRNA的3’-UTR，另一个结合细胞骨架的特定成分，如肌球蛋白3）肌球蛋白或微管蛋白等细胞骨架成分具有内在极性，表现为正端的定向生长。mRNA通过适配蛋白沿这些骨架成分运输而被定位化。Genomes细胞-细胞接触和细胞分泌的信号分子都会激发相邻细胞基因表达改变实际上是胞外信号对基因组活性的调节：信号传导调节Genomes分泌信号的分子梯度可以引导细胞遵循位置性的不同发育途径•细胞、组织和器官的特定位置性对发育生物学是一个重要的主题，决定发育中位置的影响力称为位置信息。•建立位置信息的最常见方式是通过分泌信号的分子梯度来引导。一小部分细胞的分泌信号形成细胞外梯度，接近分泌细胞的细胞接受高浓度分泌蛋白，发育成特定细胞类型，相距较远的细胞接受较低浓度的信号分子经历不同的发育途径，这些控制位置信号的信号分子称为成形素（morphogen）。Genomes例证一：酵母（S.cerevisiae）Ash1阻抑蛋白定位导致HO基因关闭并控制酵母交配类型Ash1mRNA定位于DaughtercellGenomes例证二：海鞘（Cirona）Macho-1mRNA定位启动尾肌的分化Genomes例证三：枯草芽孢杆菌（B.subtilis）细胞-细胞接触使前孢子影响紧邻母细胞的基因表达σF前孢子特异σ亚基，σE母细胞特异σ亚基Genomes例证四：昆虫细胞-细胞接触中Detla-Notch信号传导控制了皮肤神经调节转换Genomes例证五：脊椎动物SonicHedgehog（Shh）成形素浓度梯度控制神经元形成底板是Shh表达位点Genomes例证六：秀丽隐杆线虫（C.elegans）阴门发育中细胞命运的决定