《RNA生物合成》教學課件

《RNA生物合成》RNA的結(jié)構(gòu)核糖核苷酸RNA由核糖核苷酸單體組成，每個核糖核苷酸包含一個磷酸基團、一個核糖和一個含氮堿基。含氮堿基RNA合成的三個階段1轉(zhuǎn)錄DNA序列被轉(zhuǎn)錄成RNA序列。2加工新合成的RNA經(jīng)過一系列加工步驟，包括加帽、剪接和多聚腺苷酸化。3翻譯轉(zhuǎn)錄的概念1遺傳信息的傳遞轉(zhuǎn)錄是將DNA中的遺傳信息傳遞到RNA中的過程。2RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄過程由RNA聚合酶催化進行。模板鏈原核生物中的轉(zhuǎn)錄單一RNA聚合酶原核生物中只有一種RNA聚合酶，負責合成所有類型的RNA。轉(zhuǎn)錄和翻譯同時發(fā)生在原核生物中，轉(zhuǎn)錄和翻譯可以在同一個地方同時進行。真核生物中的轉(zhuǎn)錄多種RNA聚合酶真核生物中有三種主要類型的RNA聚合酶，分別負責合成不同的RNA。轉(zhuǎn)錄和翻譯分開進行在真核生物中，轉(zhuǎn)錄發(fā)生在細胞核內(nèi)，翻譯發(fā)生在細胞質(zhì)中。轉(zhuǎn)錄的核心元件啟動子RNA聚合酶識別并結(jié)合的DNA序列，指示轉(zhuǎn)錄的起始位置。轉(zhuǎn)錄起始位點轉(zhuǎn)錄開始的第一個核苷酸所在的位置。終止子指示轉(zhuǎn)錄結(jié)束的DNA序列。RNA聚合酶的類型細菌RNA聚合酶負責合成所有類型的RNA。真核RNA聚合酶I負責合成rRNA。真核RNA聚合酶II負責合成mRNA。真核RNA聚合酶III負責合成tRNA和snRNA。細菌RNA聚合酶的結(jié)構(gòu)1核心酶由α2ββ'ω亞基組成，負責催化RNA合成。2σ因子負責識別啟動子，啟動轉(zhuǎn)錄過程。真核生物RNA聚合酶的結(jié)構(gòu)1RNA聚合酶II擁有多種亞基，具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和功能。2核心酶負責催化RNA合成。3調(diào)控亞基參與啟動子識別、轉(zhuǎn)錄起始和延伸的調(diào)控。啟動子識別與轉(zhuǎn)錄起始σ因子結(jié)合啟動子在細菌中，σ因子首先識別并結(jié)合到啟動子序列上。核心酶結(jié)合然后核心酶結(jié)合到σ因子和啟動子復(fù)合物上。轉(zhuǎn)錄起始RNA聚合酶開始從轉(zhuǎn)錄起始位點合成RNA。延伸和終止延伸RNA聚合酶沿著模板鏈移動，按照堿基配對原則將核苷酸添加到正在合成的RNA鏈上。終止RNA聚合酶遇到終止子序列后，轉(zhuǎn)錄過程停止，RNA鏈與DNA模板分離。甲基化和加帽5'加帽在mRNA的5'端添加一個7-甲基鳥嘌呤(m7G)帽子。1功能保護mRNA，促進mRNA的翻譯。2外顯子和內(nèi)含子外顯子在mRNA中最終被翻譯成蛋白質(zhì)的部分。內(nèi)含子在mRNA中被剪接去除的部分，不參與蛋白質(zhì)翻譯。剪接的概念與過程1剪接復(fù)合體由snRNA和蛋白質(zhì)組成的復(fù)合體，負責識別和去除內(nèi)含子。2內(nèi)含子去除剪接復(fù)合體將內(nèi)含子從前體mRNA中切除。3外顯子連接剪接復(fù)合體將外顯子連接起來形成成熟的mRNA。剪接的類型1典型剪接最常見的剪接類型，去除所有內(nèi)含子。2選擇性剪接根據(jù)需要選擇性地去除或保留某些內(nèi)含子。3反式剪接將來自不同前體mRNA的外顯子連接起來。核小體的結(jié)構(gòu)8組蛋白核小體由8個組蛋白分子組成，它們形成一個核心，DNA纏繞在核心周圍。147DNA大約147個堿基對的DNA纏繞在組蛋白核心中。染色質(zhì)重塑染色質(zhì)重塑復(fù)合物能夠改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)復(fù)合體。核小體移動復(fù)合物可以移動核小體，使DNA暴露出來或被隱藏起來。轉(zhuǎn)錄調(diào)控染色質(zhì)重塑通過改變DNA的可接近性來調(diào)控轉(zhuǎn)錄。反式剪接典型剪接選擇性剪接反式剪接選擇性剪接多樣的蛋白質(zhì)從同一個基因可以產(chǎn)生多種不同的蛋白質(zhì)，增加了蛋白質(zhì)的多樣性。發(fā)育和疾病選擇性剪接在發(fā)育、疾病和應(yīng)激反應(yīng)中起著重要的作用。核糖體RNA合成rRNA合成由RNA聚合酶I催化進行，是細胞中含量最多的RNA。核糖體的組成rRNA是核糖體的主要組成部分，參與蛋白質(zhì)的翻譯。tRNA合成1tRNA合成由RNA聚合酶III催化進行，負責將氨基酸運送到核糖體上進行蛋白質(zhì)合成。2反密碼子tRNA擁有一個反密碼子，與mRNA上的密碼子配對，確保正確的氨基酸被添加進蛋白質(zhì)鏈。3氨基酸連接每個tRNA與一個特定的氨基酸相連，并在翻譯過程中將氨基酸添加到正在合成的蛋白質(zhì)鏈上。snRNA合成snRNA合成由RNA聚合酶III催化進行，參與mRNA的剪接過程。剪接復(fù)合體snRNA與蛋白質(zhì)結(jié)合形成剪接復(fù)合體，負責識別和去除內(nèi)含子。小核糖核蛋白合成snRNA小核糖核蛋白的組成部分，參與mRNA的剪接。蛋白質(zhì)與snRNA結(jié)合形成剪接復(fù)合體，發(fā)揮不同的功能。轉(zhuǎn)錄后加工的意義1蛋白質(zhì)多樣性轉(zhuǎn)錄后加工可以產(chǎn)生多種不同的蛋白質(zhì)，增加了蛋白質(zhì)的多樣性。2基因表達調(diào)控轉(zhuǎn)錄后加工可以調(diào)控基因表達，影響細胞的功能。3應(yīng)激反應(yīng)轉(zhuǎn)錄后加工在應(yīng)激反應(yīng)中起著重要的作用，幫助細胞適應(yīng)不同的環(huán)境條件。轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控啟動子活性啟動子的活性決定了轉(zhuǎn)錄的起始頻率。轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄因子可以結(jié)合到啟動子上，促進或抑制轉(zhuǎn)錄的進行。染色質(zhì)結(jié)構(gòu)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)影響DNA的可接近性，從而調(diào)控轉(zhuǎn)錄。轉(zhuǎn)錄激活因子1增強子位于啟動子上游或下游的DNA序列，可以增強轉(zhuǎn)錄的起始頻率。2招募RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄激活因子可以招募RNA聚合酶，促進轉(zhuǎn)錄的開始。3協(xié)同激活多個轉(zhuǎn)錄激活因子可以協(xié)同工作，提高轉(zhuǎn)錄效率。轉(zhuǎn)錄抑制因子沉默子位于啟動子上游或下游的DNA序列，可以抑制轉(zhuǎn)錄的起始頻率。阻斷RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄抑制因子可以阻斷RNA聚合酶，抑制轉(zhuǎn)錄的進行。競爭性結(jié)合轉(zhuǎn)錄抑制因子可以與轉(zhuǎn)錄激活因子競爭結(jié)合到啟動子上，抑制轉(zhuǎn)錄。染色質(zhì)重塑復(fù)合物重塑復(fù)合物能夠改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)復(fù)合體，通過移動核小體來調(diào)控基因的表達。轉(zhuǎn)錄激活復(fù)合物可以將核小體移開，使DNA暴露出來，促進轉(zhuǎn)錄。轉(zhuǎn)錄抑制復(fù)合物可以將核小體移動到DNA序列上，隱藏DNA，抑制轉(zhuǎn)錄。細胞周期與轉(zhuǎn)錄G1期細胞準備復(fù)制DNA，轉(zhuǎn)錄活性較高。1S期細胞復(fù)制DNA，轉(zhuǎn)錄活性較高。2G2期細胞準備進入有絲分裂，轉(zhuǎn)錄活性較高。3M期細胞分裂，轉(zhuǎn)錄活性較低。4發(fā)育過程中的轉(zhuǎn)錄調(diào)控1細胞分化在發(fā)育過程中，不同的基因在不同的時間和空間被激活或抑制，導(dǎo)致細胞分化。2器官形成轉(zhuǎn)錄調(diào)控在器官形成中起著重要的作用，確保器官的正確發(fā)育。3發(fā)育程序轉(zhuǎn)錄調(diào)控是發(fā)育程序的中心，控制著細胞的生長、分化和命運。應(yīng)激反應(yīng)下的轉(zhuǎn)錄調(diào)控熱休克反應(yīng)當細胞暴露于高溫環(huán)境時，一些熱休克蛋白的基因被激活，幫助細胞抵御高溫損傷。免疫反應(yīng)在免疫反應(yīng)中，一些免疫相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄被激活，幫助細胞識別和清除病原體。DNA損傷修復(fù)當DNA受到損傷時，一些修復(fù)基因的轉(zhuǎn)錄被激活，幫助細胞修復(fù)損傷的DNA。疾病中的轉(zhuǎn)錄失調(diào)癌癥一些癌基因的轉(zhuǎn)錄被激活，促進腫瘤生長。感染病原體可以改變宿主細胞的轉(zhuǎn)錄程序，導(dǎo)致疾病的發(fā)生。神經(jīng)退行性疾病一些神經(jīng)相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄被抑制，導(dǎo)致神經(jīng)元死亡和疾病的發(fā)生。轉(zhuǎn)錄組學研究方法RNA提取從生物樣本中提取高質(zhì)量的RNA。RNA測序?qū)NA進行測序，獲得轉(zhuǎn)錄組信息。生物信息學分析對測序數(shù)據(jù)進行分析，識別差異表達基因和調(diào)控機制。測序技術(shù)的發(fā)展1第一代測序Sanger測序法，效率低，成本高。2第二代測序Illumina測序法，高通量、低成本。3第三代測序PacBio和OxfordNanopore測序法，長讀長，可檢測基因組變異。生物信息學分析數(shù)據(jù)預(yù)處理對原始數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制和過濾?；虮磉_定量計算每個基因的表達水平。差異表達分析識別不同條件下表達差異顯著的基因。功能富集分析分析差異表達基因的功能類別和信號通路。調(diào)控網(wǎng)絡(luò)分析構(gòu)建基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，揭示基因之間的相互作用關(guān)系。轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫1GEO美國國立生物技術(shù)信息中心(NCBI)的基因表達數(shù)據(jù)庫，提供大量轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)。2ArrayExpress歐洲生物信息學研究所(EBI)的基因表達數(shù)據(jù)庫，提供芯片數(shù)據(jù)和RNA測序數(shù)據(jù)。3TCGA癌癥基因組圖譜(TCGA)數(shù)據(jù)庫，提供癌癥相關(guān)的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)錄組學研究案例癌癥研究轉(zhuǎn)錄組學可以用于識別癌癥相關(guān)的基因，幫助診斷和治療癌癥。疾病診斷轉(zhuǎn)錄組學可以用于識別疾病相關(guān)的基因，幫助早期診斷疾病。藥物開發(fā)轉(zhuǎn)錄組學可以用于篩選藥物靶點，促進藥物開發(fā)。轉(zhuǎn)錄組學在診斷和治療中的應(yīng)用個性化治療根據(jù)患者的基因表達譜制定個性化的治療方案。預(yù)后預(yù)測根據(jù)患者的基因表達譜預(yù)測疾病預(yù)后。藥物反應(yīng)預(yù)測根據(jù)患者的基因表達譜預(yù)測藥物反應(yīng)。轉(zhuǎn)錄組學的前景展望1單細胞轉(zhuǎn)錄組學對單個細胞的轉(zhuǎn)錄組進行測序，研究細胞異質(zhì)性。2空間轉(zhuǎn)錄組學研究組織中基因表達的空間分布，了解基因表達的時空特征。3轉(zhuǎn)錄組與蛋白