《基因的表达翻译》课件

基因的表达翻译了解基因是如何从转录并翻译为蛋白质的过程是学习生物学和分DNA,子生物学的基础这个过程揭示了遗传信息如何在细胞内传递和体现,是探索生命奥秘的关键什么是基因表达基因表达的定义基因表达的重要性基因表达的调控123基因表达是将遗传信息从基因表达决定细胞和生物体的生物体通过复杂的基因表达调DNA转录为再转译为蛋白质的结构及功能是维持生命活动的控机制能根据内外环境的变化RNA,,,,过程这是生物体实现遗传信关键过程它为生物体提供了精细地调节基因的表达水平从,息的转化和作用的核心过程在不同环境条件下应对的能力而适应环境基因表达的三个主要步骤复制DNA基因表达的第一步是复制将遗传信息从复制DNA,DNA到临时分子RNA转录第二步是转录利用聚合酶将编码的信息转录,RNA DNA到上mRNA翻译最后一步是翻译利用核糖体将上的密码子转译成,mRNA特定氨基酸序列从而合成蛋白质,复制和转录DNA复制DNA1双链在复制酶的作用下分开碱基互补配对形成新的双链DNA,DNA转录起始2聚合酶识别启动子序列在其上结合并开始转录RNA,延伸RNA3聚合酶沿模板链移动合成互补的链RNA,RNA转录终止4聚合酶遇到终止信号后停止转录释放出成熟的RNA,mRNA复制和转录是基因表达的前两个关键步骤决定了遗传信息的保存和传递复制确保遗传信息得以复制而转录则将遗传信息DNA,DNA,DNA转化为功能性的分子这些过程的精准控制是生命活动得以维持的基础RNA转录RNA模板DNA1分子作为转录的模板DNA聚合酶RNA2催化核苷酸合成RNA前体mRNA3包含外显子和内含子转录是基因表达的第二个重要步骤它将上的遗传信息转化为前体分子聚合酶在模板上识别启RNA,DNA mRNA RNA DNA动子序列合成互补的分子包括编码蛋白质的外显子和非编码的内含子最终获得的前体需要经过后续的加工,RNA,mRNA和修饰才能够进行翻译核糖体结构与功能核糖体是细胞中负责蛋白质合成的重要细胞器它由两个亚基组成大亚基和小亚基核糖体能够识别和结合,mRNA分子同时为氨基酸带入并将其连接成多肽链完成蛋白质,,的翻译过程核糖体内部有多个特殊结构域如肽基转移酶、解码中心和,退出通道在蛋白质合成中发挥重要功能它是一个高度复,杂的分子机器必须精准协调才能完成蛋白质的高效合成,氨基酸的种类与性质基本氨基酸酸性氨基酸包含非极性的脂肪族侧链如含有酸性的羧基侧链如谷氨,,丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸等酸和天冬氨酸带负电荷,,具有疏水性碱性氨基酸极性氨基酸具有碱性的氨基侧链如赖氨含有极性的侧链如丝氨酸、,,酸和精氨酸带正电荷色氨酸、天冬酰胺等容易与,,水分子形成氢键蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构是指由氨基酸排列顺序形成的线性多肽链蛋白质的主要成分是种不同种类的氨基酸它们依照基因表达的指令相互连20,接最终形成蛋白质独特的结构和功能这种线性排列方式决定了蛋白,质的基本属性是后续更高级结构形成的基础,蛋白质的二级结构螺旋折叠无规则卷曲α-β-螺旋是蛋白质中最常见的二级结构折叠是通过氢键相互作用形成的平无规则卷曲是蛋白质中无特定结构的α-,β-由氢键相互形成的螺旋状折叠具有行或反平行的折叠结构具有较高的部分具有高度灵活性常位于蛋白质表,,高度规则性和稳定性稳定性和刚性面蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构指的是由二级结构螺旋和折叠进α-β-一步折叠而形成的复杂空间结构三级结构显示了蛋白质的整体外形反映了蛋白质的功能属性主要由疏水性作用、,氢键、离子键等共同稳定三级结构的形成对蛋白质的生物活性非常关键其中保持正,确的三级结构对蛋白质的正常功能发挥至关重要蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构是指由多个亚基通过共价键或非共价作用力结合形成的复杂三维结构这种结构通常具有特定的生物功能如酶、运输蛋,白、受体等四级结构的稳定性受多种因素影响如氢键、离子键、疏,水作用等蛋白质的四级结构在生物体内执行各种重要的生理功能对生命活动至,关重要了解四级结构的形成机制和功能对于认识生命现象、诊断与治疗疾病具有重要意义翻译过程的三个阶段起始1识别起始密码子将信使与核糖体复合体结合开,RNA,始翻译蛋白质延长2在核糖体上氨基酸逐个接入形成多肽链直到遇到终,,,止密码子终止3识别终止密码子释放完成的多肽链并使核糖体解离,,起始密码子的识别结合中心的定位tRNA1核糖体通过识别起始密码子将特定的启动AUG,tRNA引导至合适的结合位置蛋白质翻译的开始2当启动与启动密码子配对后核糖体开始合tRNA AUG,成新的多肽链启动因子的参与3多种启动因子协同作用确保起始密码子的准确识别和,翻译过程的顺利进行氨基酸的加入与多肽链延长识别起始密码子1开始翻译的关键步骤氨基酸结合tRNA2将氨基酸转移至多肽链多肽链延长3逐步增加肽链长度识别终止密码子4完成蛋白质合成过程在翻译过程中氨基酸通过特定的分子被带到核糖体上并逐个加入到正在合成的多肽链中这个过程在起始密码子的识别后开始一直,tRNA,,延续到遇到终止密码子为止最终完成整个蛋白质的合成,终止密码子的识别与多肽链释放终止密码子的识别翻译过程在读取到终止密码子时将停止释放由终止因子识别停止,信号释放因子的作用释放因子结合到多肽链和核糖体配合水解促进多肽链从核,GTP糖体上释放多肽链的释放完成的多肽链从核糖体上脱离即可进行后续的折叠和修饰过程,后翻译修饰蛋白质的加工修饰的重要性常见的修饰类型异常修饰与疾病蛋白质从合成到成熟活性后翻译修饰是蛋白质成熟•磷酸化:调节酶活性和蛋白质的后翻译修饰如果形式需要经历多种化学修和生物学功能发挥的关键信号转导发生异常可能导致某些疾,,饰包括切割、磷酸化、糖步骤它们影响蛋白质的病如神经退行性疾病、代,,•糖基化:影响蛋白质的基化、甲基化等这些后稳定性、活性、定位以及谢异常和肿瘤等因此研折叠和细胞内定位翻译修饰赋予蛋白质特定与其他分子的相互作用究修饰机制对于疾病的预•亲氨基酰化:参与细胞的结构和功能防和治疗很重要信号传导和蛋白质间相互作用•泛素化:标记蛋白质进行降解蛋白质折叠与加工蛋白质折叠1蛋白质在合成后会自发地折叠成特定的三维结构分子伴侣协助2分子伴侣蛋白帮助蛋白质正确折叠并达到稳定的构象翻译后修饰3蛋白质合成后还需要进行各种修饰才能达到成熟状态蛋白质合成后需要经历精细的折叠过程才能达到其稳定的三维构象分子伴侣蛋白在这一过程中起到关键作用帮助蛋白质,正确折叠并避免聚集此外蛋白质还需要经历一系列的翻译后修饰包括切割、磷酸化、糖基化等才能最终形成成熟的功,,,能性蛋白分子蛋白质的分泌与运输翻译后修饰蛋白质合成完成后,需要进行多种翻译后修饰,如折叠、形成二硫键等,才能获得正确的三维构象分泌途径经过内质网和高尔基体,蛋白质被包裹进入囊泡,最终通过细胞膜分泌到细胞外膜穿梭运输一些蛋白质需要穿梭于细胞器之间,如核膜、线粒体膜等,靠特殊的信号肽引导实现定位转运机制蛋白质利用ATP或离子梯度能量,通过转运体在细胞内外运输,从而达到精准定位特殊蛋白质的表达调控蛋白质结构的调控通过调控蛋白质的折叠、修饰和定位来调节其活性和功能这包括分子伴侣、翻译后修饰和蛋白质分解等基因表达的调控通过调控转录、RNA加工和翻译等过程来调节特殊蛋白质的表达包括转录因子、表观遗传机制和非编码RNA等信号通路的调控通过细胞内外信号通路调节特殊蛋白质的表达和活性如激素、生长因子和应激响应等基因沉默与表观遗传调控基因沉默表观遗传调控基因沉默是指一些正常表达的基因在特定情况下被抑制表达这表观遗传调控指在不改变序列的情况下通过其他机制调控,DNA,可能是通过甲基化或组蛋白修饰等机制实现的基因的表达如甲基化、组蛋白修饰等DNA,DNA非编码调控应用前景RNA包括、和等非编码可以通过与表观遗传调控机制的研究有助于认识基因表达的复杂性并可应microRNA siRNAlncRNA RNA,结合或招募染色质修饰酶来抑制基因表达用于疾病诊断和治疗mRNA核酶与核糖核蛋白核酶核糖核蛋白剪切RNA核酶是一种由核酸或组成核糖核蛋白是由和蛋白质共同组核酶可以识别并剪切某些分子去RNA DNARNA RNA,的生物分子具有催化活性能够参与各成的复合体在基因表达、加工和除其中不需要的片段从而产生成熟的,,,RNA,种生命过程如剪切、修饰和转运代谢等过程中发挥重要作用如、和,RNARNARNA,mRNA rRNAsnRNA真核生物与原核生物的区别细胞结构结构DNA真核细胞有内膜结构的细胞器如细真核生物的位于膜包围的细胞,DNA胞核、线粒体和高尔基体而原核细核内而原核生物的分散在细胞,,DNA胞没有这些复杂的内膜结构质中没有核膜包围,蛋白质合成繁殖方式真核生物的蛋白质合成发生在核糖真核生物通过有丝分裂或减数分裂体上而原核生物的蛋白质合成直接进行有性或无性繁殖而原核生物通,,在细胞质中进行常通过二分裂进行无性繁殖光合作用中的蛋白质表达光捕集复合体光化学反应中心12由多种色素蛋白组成可以含有光合色素和电子传递,高效吸收光能并传递给反链可以将光能转化为化学,应中心能合成酶碳同化酶ATP34利用光合电子传递过程产如可以将二氧化RuBisCO,生的质子梯度合成为碳固定并还原为有机物质,ATP后续碳同化反应提供能量呼吸链中的蛋白质表达电子传递质子梯度生成能量代谢结构调控呼吸链中的一系列蛋白质这些蛋白质配合工作在呼呼吸链蛋白质表达调控了呼吸链蛋白质的精确表达,,复合物参与电子的顺序传吸链的各复合物间建立质细胞的能量代谢确保细胞决定了其复合物的正确装,递释放能量驱动合成子梯度为合成提供动能够持续不断地产生配从而保证了整个呼吸链,ATP,ATP ATP,,这些蛋白质包括脱力其中合酶利用这满足细胞的能量需求这的结构和功能完整性NADH ATP氢酶、蛋白质复合物、一跨膜质子梯度驱动对于细胞的正常生理功能III ATP细胞色素以及合酶生产至关重要C ATP免疫系统中的蛋白质表达抗体表达细胞活化T免疫细胞生产各种抗体蛋白识别细胞表面的受体蛋白能识别外,T并中和外来抗原这些蛋白决定来抗原引发细胞分化并释放细,T了免疫系统的特异性和功能胞因子启动免疫应答,蛋白表达细胞因子释放MHC主要组织相容性复合体蛋免疫细胞分泌各种细胞因子蛋白MHC,白在免疫细胞膜上表达呈递抗原调节免疫反应的强度和持续时间,,给细胞激活免疫反应保持免疫平衡T,肿瘤发生中的基因表达失调基因突变癌基因过度表达抑癌基因沉默正常细胞基因的突变导致细胞生长调一些原本负责细胞增殖和分化的基因正常细胞中负责抑制细胞增殖的抑癌,控机制失衡从而引发肿瘤发生基因在肿瘤细胞中表达过度促进细胞不受基因在肿瘤细胞中表达下降或被沉默,,,,突变可以激活癌基因或失活抑癌基因控制地快速分裂使细胞摆脱生长抑制遗传性疾病与基因表达基因突变引发遗传性表观遗传调控失衡12疾病甲基化、组蛋白修饰DNADNA序列变异可导致蛋白等表观遗传变化也可造成质结构或功能异常,从而引基因表达失调,导致遗传性发许多遗传性疾病,如遗传疾病,如芬兰型痴呆等性乳腺癌、遗传性高胆固醇血症等基因表达异常致病基因诊断与治疗34某些基因的高表达或低表通过基因检测可以预防或达可能导致疾病发生如某早期干预遗传性疾病基因,,些癌症、神经退行性疾病治疗也成为研究热点等基因工程中的表达调控选择性基因表达诱导性表达调控通过精准调控基因启动子序列选择性增强或抑制特定基因的表利用可控的诱导剂如或重金属离子动态调控基因表达水,,IPTG,达实现目标基因产物的高效表达平满足实验或生产需求,,生物开关与开关基因特异性靶向表达设计基因开关装置根据细胞内外环境信号实现基因自动开启或通过针对性启动子或转录因子将基因表达限定在特定细胞类型,,,关闭精细调控基因功能或发育阶段提高表达效率,,基因表达研究的前沿进展高通量测序单细胞分析人工智能与机器学习基因编辑技术现代基因测序技术可以快对单个细胞的基因表达进利用数据挖掘和模式识别等基因编辑CRISPR-Cas9速、大规模地测序和分析行检测和分析可以发现细技术可以从海量基因表达工具为精确操控基因提供,,基因组序列为基因表达研胞内部的异质性揭示复杂数据中发现新的生物学规了新方法有助于研究基因,,,究提供海量数据支持生物系统的细微变化律推动基因调控研究表达调控机制,基因表达研究的应用前景医学诊断与治疗农业与环保能源与材料基础科学研究通过对基因表达异常的及利用基因表达调控能提高基因工程微生物可用于生基因表达调控机制的深入时发现和精准诊断可以为作物产量改善营养品质产清洁能源和生物材料探索将推动生物学、化学、,,,,疾病预防和抗病抗逆同时可创造生通过调控基因表达可获得物理等基础学科的发展获personalized,,治疗提供重要依据药物态友好型微生物实现废弃性能优良的新型材料满足得新的认知这些基础研,,靶向设计和基因调控技术物减排和生态修复可持续发展的需求究成果也将为应用领域提也将极大推进精准医疗的供理论指导发展。