《遗传信息的转录与翻译》课件

遗传信息的转录与翻译遗传信息的转录与翻译是生物学中最核心的分子过程，揭示了生命如何从基因蓝图转化为具体的生物功能这一过程不仅是高中和大学生物学的重要知识点，更是理解现代分子生物学、基因工程和精准医学的基础本课程将带领大家深入探索生命遗传的分子机制全景，从中储存的遗传DNA密码，到的转录过程，再到蛋白质的翻译合成，全面理解基因表达的每RNA一个精妙环节课程目标与学习重点1理解中心法则基本内容2掌握转录与翻译分子细节掌握蛋白质的DNA→RNA→信息流动方向，理解每个步骤深入学习转录过程中聚RNA的生物学意义和分子机制合酶的作用，翻译过程中核糖体和的协调机制tRNA3关联实际生命现象与疾病将理论知识与现实案例结合，理解基因表达异常如何导致遗传疾病和生理功能障碍引入生命蓝图与蛋白质合成储存生命全部遗传信息基因表达将信息执行为生命功能DNA就像一本巨大的生命说明书，储存着构建和维持生命体所仅仅拥有遗传信息是不够的，细胞必须能够读取和执行这些指令DNA需的全部遗传指令这些信息以四种碱基的特定排列组合形式存基因表达过程将中的静态信息转化为动态的生物分子，最DNA在，包含了从基本细胞功能到复杂生理特征的所有编码终形成具有特定功能的蛋白质，实现各种生命活动中心法则概念自我复制DNA遗传信息的保持与传递转录为DNA RNA遗传信息的读取与复制翻译成蛋白质RNA遗传信息的最终表达中心法则的历史意义1年提出1958首次系统阐述中心法则，为分子生物学奠定理论Francis Crick基础2信息流向澄清明确了遗传信息的单向流动规律，解决了生物学中的基本问题3现代生物学基石成为现代分子生物学、基因工程和生物技术发展的理论支撑中心法则的补充与例外逆转录现象复制机制RNA等逆转录病毒能够将逆某些病毒可以直接进行HIV RNA RNA转录为，打破了信息流动的到的复制，无需经过DNA RNA RNA单向性这一发现不仅丰富了我中间步骤这种机制在病毒DNA们对遗传信息传递的理解，也为学研究和干扰技术发展中具RNA基因治疗提供了新的工具和思路有重要意义现代分子工具这些例外现象被科学家巧妙利用，开发出逆转录酶、等重要分RT-PCR子生物学工具，极大推动了基因研究和诊断技术的发展细胞中的信息流向基因型分子连接中编码的遗传信息构成生物体的基转录和翻译过程建立起基因型与表现型DNA因型，是所有生命特征的根本基础之间的分子桥梁功能调控表现型基因控制着细胞的所有生物学功能，从最终表达的蛋白质决定细胞和生物体的代谢到生长发育的各个方面具体性状与功能特征核酸遗传信息的载体脱氧核糖核酸是生物体主要的遗传物质，以双螺旋结构稳定储存遗传信息它由四种脱氧核苷酸组成，通过特定的碱基配对规则维持遗传信息的准确性DNA核糖核酸分类分为信使（）、转移（）和核糖体（）三大类每种都有独特的结构和功能，共同参与蛋白质合成过程RNARNAmRNA RNA tRNA RNA rRNA RNA功能分工负责信息储存，负责信息传递和执行这种分工使得遗传系统既稳定又灵活，能够适应各种生物学需求DNA RNA与的结构对比DNA RNA结构特征DNA RNA五碳糖脱氧核糖（缺少羟核糖（含有羟基）22基）碱基组成、、、四种、、、四种A TG CA UG C链数结构双链反向平行螺旋多为单链，可形成二级结构稳定性化学性质稳定相对不稳定，易降解主要功能遗传信息储存信息传递与蛋白质合成基因编码信息一个氨基酸蛋白质的基本构建单位1一个密码子2三个连续碱基的组合三个碱基3遗传密码的最小单位遗传密码采用三联体编码方式，每三个连续的核苷酸构成一个密码子，对应一个特定的氨基酸这种编码方式既保证了足够的编码容量（种密码子），又具有一定的容错能力，是生命进化过程中形成的精妙编码系统64转录定义与生物意义模板识别DNA1聚合酶识别启动子序列RNA合成RNA以为模板合成分子DNA RNA蛋白质表达准备3为后续翻译过程提供模板转录是基因表达的第一步，也是最关键的调控点在细胞核内，聚合酶以的一条链为模板，合成互补的分子这个过RNA DNA RNA程不仅复制了遗传信息，还为细胞提供了调控基因表达的重要机会，决定了何时、何地以及以何种强度表达特定基因转录过程总览模板准备双链局部解旋，暴露模板链聚合酶识别并结合到启动子区域，DNA RNA准备开始转录过程这一步骤需要多种转录因子的协助合成RNA聚合酶沿着模板链移动，按照碱基配对规则合成互补的RNA DNA链整个过程高度精确，确保遗传信息的忠实传递RNA产物释放当聚合酶遇到终止信号时，停止合成并释放新生的分子RNARNA双链重新结合，恢复原始状态DNA转录的分步详解启动阶段聚合酶识别启动子序列并与之结合，在转录因子的帮助下RNA形成转录起始复合物双链在启动子附近解旋，形成转录DNA泡结构，为合成做好准备RNA延长阶段聚合酶沿着模板链移动，连续添加核糖核苷酸形成RNA DNA链转录泡随着聚合酶移动而移动，前方解旋，后RNA DNA方重新结合这个过程速度约为每秒个核苷酸40-50终止阶段当聚合酶遇到终止子序列时，转录过程结束在真核细胞RNA中，还需要特殊的终止因子协助新合成的从模板RNA DNA上释放，准备进行后续加工或直接参与翻译转录时的作用DNA局部解旋模板链功能只有转录区域的双链解开，形成约反义链作为模板，指导聚合酶合成互补DNA17-RNA个碱基对的转录泡的分子20RNA结构恢复信息保护转录完成后，双链重新结合恢复稳定结DNA编码链保持完整，确保遗传信息不丢失构的特点mRNA信息载体功能翻译模板作用作为遗传信息的信使，为蛋白质合成提供精mRNA mRNA将中的基因信息从细胞确的模板，其碱基序列决定了DNA核传递到细胞质中的核糖体，合成蛋白质的氨基酸序列每是连接基因型和表现型的关键三个碱基构成一个密码子，对分子应一个特定氨基酸生命周期调控具有相对较短的半衰期，使细胞能够快速调节蛋白质的合成量mRNA这种特性使细胞能够迅速响应环境变化和生理需求与简介tRNA rRNA转移（）核糖体（）RNAtRNARNArRNA具有独特的三叶草二级结构和型三维结构每个是核糖体的主要组成成分，不仅提供结构支撑，更重要的tRNA LtRNA rRNA分子只能携带一种特定的氨基酸，通过反密码子与上的是具有催化活性中的某些区域能够催化肽键的形成，这mRNA rRNA密码子精确配对一发现证明了的酶活性RNA是翻译过程中的关键适配器分子，确保遗传密码的准确翻在真核细胞中，包括、、和等不同大小tRNA rRNA18S

5.8S28S5S译细胞中存在至少种不同的，对应种标准氨基酸的分子，它们共同组装成核糖体的大小亚基，为蛋白质合成提供20tRNA20平台各类功能对照表RNA类型主要功能结构特点定位RNA携带遗传信息，线性单链，含核质穿梭，主mRNA作为翻译模板密码子序列要在细胞质运送氨基酸到三叶草型，含细胞质中自由tRNA核糖体反密码子移动组成核糖体，复杂二三级结核糖体内固定rRNA催化肽键形成构真核原核转录的主要异同/转录位置差异加工复杂性基因结构不同RNA真核细胞的转录发生在细胞核内，转真核细胞的需要经过复杂的剪接、真核基因含有内含子和外显子，需要RNA录产物需要通过核孔运输到细胞质进加帽、加尾等加工过程原核细胞的剪接去除内含子原核基因结构相对行翻译原核细胞没有核膜，转录和加工相对简单，几乎不需要剪接，简单，很少有内含子，转录产物可以RNA翻译可以在同一空间同时进行，效率可以直接用于翻译直接翻译更高真核生物剪接RNA1初级转录本形成聚合酶合成包含内含子和外显子的前体（RNA IImRNA pre-），这是未经加工的原始转录产物mRNA2剪接体组装由和蛋白质组成的剪接体识别内含子边界的剪接信号序列，snRNA准备进行精确剪切3内含子切除剪接体催化两步转酯反应，精确切除内含子序列，形成套索结构并最终降解4外显子连接剩余的外显子序列被精确连接，形成成熟的分子，准备出核参mRNA与翻译剪接作用与意义1基因单个基因通过不同剪接方式多种蛋白产物产生功能相关但不同的蛋白质95%人类基因经历选择性剪接过程倍4蛋白质多样性比基因数量增加的倍数选择性剪接极大地增加了蛋白质的多样性，使得有限的基因能够编码更多功能不同的蛋白质这种机制在组织特异性表达、发育调控和疾病发生中都起着重要作用加工其他步骤mRNA端加帽端加尾综合保护作用53在的端添加在的端添加多帽和尾共同作用，mRNA5mRNA353甲基鸟苷酸帽结构，个腺苷酸（形成环状结构保护7-poly-A这个帽结构能够保护尾），通常长度为，提高翻译效率mRNA免受外切酶的个核苷酸这些修饰是真核mRNA5200-250mRNA降解，同时也是核糖体这个结构增强的区别于原核的重mRNA mRNA识别和结合的重稳定性，延长其半衰期，要特征mRNA要信号并促进翻译起始单链如何出核mRNA质量检查载体蛋白结合成熟的在出核前需要通过质量控与核输出载体蛋白结合，形成输mRNA mRNA制检查，确保剪接正确出复合物释放与翻译核孔转运载体蛋白解离，在细胞质中作为输出复合物通过核孔复合体的中央通道mRNA翻译模板发挥作用进入细胞质翻译蛋白质合成简介指令解读携带的遗传密码被核糖体精确解读mRNA氨基酸组装按照密码子顺序将氨基酸连接成多肽链细胞质完成整个翻译过程在细胞质的核糖体上进行翻译是基因表达的最后阶段，将中的遗传信息转换为具有生物活性的蛋白质这个过程需要核糖体、、各种翻译因子和mRNA tRNA氨基酸的精密协作，确保遗传密码的准确翻译和蛋白质的正确折叠翻译的三大步骤起始核糖体亚基组装，启动复合物形成延长肽链逐步增长，氨基酸依次添加终止遇到终止密码子，多肽链释放启动详细过程1小亚基结合核糖体小亚基首先识别并结合的帽结构，然后沿着mRNA5mRNA扫描寻找起始密码子AUG2起始进入tRNA携带甲硫氨酸的起始（）通过其反密码子与起始密tRNA Met-tRNA码子配对，进入核糖体的位点AUG P3大亚基结合核糖体大亚基与小亚基结合，形成完整的翻译起始复合物，位点暴A露等待下一个进入tRNA4翻译开始起始因子释放，核糖体准备进入延长阶段，开始正式的蛋白质合成过程延长阶段机制进入位点tRNA A携带相应氨基酸的进入核糖体的位点，其反密码子与上tRNA AmRNA的密码子精确配对这个过程需要延长因子的协助，确保配对的EF-Tu准确性肽键形成核糖体大亚基的肽基转移酶中心催化肽键形成反应，将位点上的肽P链转移到位点的氨基酸上，形成更长的肽链A移码反应核糖体沿向方向移动一个密码子的距离，位点的mRNA3A移到位点，位点的移到位点并释放，位点空出tRNA PP tRNAE A等待下一个tRNA终止标志及过程终止密码子识别释放因子作用当核糖体遇到、或释放因子（）识别终止UAA UAGeRF1这三个终止密码子时，密码子并进入位点，模拟UGA A没有相应的能够识别它的结构但不携带氨基酸，tRNA tRNA们，这标志着翻译过程的结束促进肽链与的分离tRNA复合物解离新合成的多肽链从核糖体释放，核糖体大小亚基分离，也从核mRNA糖体上解离，各组分可以参与下一轮翻译核糖体结构与功能位点A小亚基氨酰结合位点，新位点tRNAP进入的首先结合在tRNA负责结合和密码子肽基位点，携带正mRNA tRNA此识别，确保翻译准确性在延长的肽链大亚基位点E含有肽基转移酶活性中心，出口位点，失去氨基酸的催化肽键形成反应在此释放tRNA分子结构与功能tRNA独特的分子结构精确的识别机制具有特征性的三叶草二级结构，包含四个主要臂氨基酸每种只能携带一种特定的氨基酸，这种特异性由氨基酰tRNA tRNA臂、反密码子臂、臂和臂在三维空间中折叠成紧密的合成酶保证反密码子与密码子的配对遵循碱基配对规则，D TψC LtRNA型结构但第三位存在摆动配对现象这种结构使得的两端功能明确分工端连接特定氨基酸，分子中的修饰碱基（如假尿苷、次黄嘌呤等）对维持其稳tRNA3tRNA反密码子环识别上的密码子，实现了遗传密码与氨基酸定结构和准确功能发挥重要作用，这些修饰是区别于其他mRNA tRNA之间的准确对应的重要特征RNA遗传密码的特点三联体对应性简并性特征每个密码子由三个核苷酸组成，除甲硫氨酸和色氨酸外，大多数对应一个氨基酸或终止信号这氨基酸都有多个密码子编码这种三联体编码方式提供了种种简并性主要体现在第三位碱基64可能的组合，足以编码种标的摆动配对，为遗传系统提供了20准氨基酸缓冲突变的能力通用性原则遗传密码在从细菌到人类的绝大多数生物中都是相同的，这体现了生命的统一性只有少数例外，如某些线粒体和叶绿体的密码子略有不同遗传密码表展示第一位碱基第二位碱基第三位碱基氨基酸苯丙氨酸U UU/C Phe甲硫氨酸A UG起始Met/终止密码子U AA/G任意甘氨酸G GGly完整的遗传密码表包含个密码子，其中个编码氨基酸，个为终止密码64613子密码子的简并性主要集中在第三位，这种设计减少了点突变对蛋白质功能的影响氨基酸与碱基数量关系3核苷酸编码个氨基酸所需的碱基数量1300氨基酸个核苷酸的能编码的氨基酸数900mRNA1800碱基DNA编码个氨基酸的基因所需长度300DNA33000分子量个氨基酸蛋白质的大致分子量300Da理解、和蛋白质之间的数量关系对于基因分析和蛋白质预测非常重要需要注意起始和终止密码子不编码氨基酸，以及真DNARNA核基因中内含子的存在会使基因长度远大于编码序列长度原核与真核翻译异同特征原核生物真核生物翻译场所细胞质，可与转录同细胞质，转录后进行时进行起始氨基酸甲酰甲硫氨酸甲硫氨酸fMet Met结构多顺反子，可编码多单顺反子，编码一个mRNA个蛋白蛋白核糖体大小70S30S+50S80S40S+60S翻译起始序帽和序列识Shine-Dalgarno5Kozak列识别别蛋白质合成的速度与效率合成速度在适宜条件下，核糖体每秒能够添加个氨基酸到生长的肽链上这种高效的合成速度保证了细胞能够快速响应代谢需求和环境变化15-20多聚核糖体一条可以同时被多个核糖体翻译，形成多聚核糖体结构这种并行翻译机制极大提高了蛋白质合成效率，一条可以同时产生多个相mRNA mRNA同的蛋白质分子循环利用核糖体亚基在翻译终止后可以解离并重新组装，参与下一轮翻译分子也可以被氨基酰合成酶重新充电，实现高效的资源循环利用tRNA tRNA翻译后加工与修饰蛋白质裂解新合成的多肽链经常需要被特定蛋白酶裂解，去除信号肽或激活蛋白质功能糖基化修饰在内质网和高尔基体中添加糖基，影响蛋白质折叠、稳定性和细胞识别磷酸化调节通过添加或去除磷酸基团来调节蛋白质活性，是重要的信号调节机制4功能蛋白形成经过各种修饰的蛋白质获得最终的生物学功能，参与细胞的各种生命活动从基因到蛋白小结——遗传信息编码中的基因序列包含了合成特定蛋白质的完整指令，以四种碱基的排列组合形式储存DNA转录信息传递聚合酶将信息转录为，实现遗传信息从核内向胞质的传递RNA DNAmRNA翻译蛋白合成核糖体读取密码，指导氨基酸按正确顺序组装成多肽链mRNA功能蛋白产生经过加工修饰的蛋白质获得特定的结构和功能，执行各种生物学任务信息表达调控基础增强子阻遏子远距离调节元件，可以显著增负调节元件，能够抑制或降低强基因的转录活性基因的转录水平启动子时空特异性基因转录的起始区域，决定转调节元件共同决定基因在特定录的起始位点和基础转录水平时间和空间的表达模式信号调控与反馈机制外源信号接收信号传导放大细胞表面受体或胞内受体接收激素、生信号通过蛋白激酶级联等途径在细胞内长因子等外界信号分子传递和放大反馈调节转录调节因子激活产生的蛋白质可以反过来调节自身或其信号最终影响转录因子的活性，调节特3他基因的表达，形成精细的调控网络定基因的表达微小调控现象RNA生成miRNA基因组中的基因转录生成初级转录本，经过和酶miRNA DroshaDicer的加工处理，形成成熟的分子，长度约个核苷酸miRNA22复合物组装RISC成熟的与诱导沉默复合物（）结合，形成具有调miRNA RNARISC节活性的核糖核蛋白复合物，准备寻找目标mRNA靶向调节机制通过碱基配对识别目标的非翻译区，根据配对miRNA mRNA3程度的不同，可以抑制翻译或促进降解，实现基因表达的mRNA精细调控案例血红蛋白基因的表达专一表达成熟红细胞失去细胞核，所有蛋白质都来自先前的基因表达1大量生产红细胞前体细胞大量合成血红蛋白，占细胞蛋白质的以上95%分化调控造血干细胞通过转录因子级联调控实现向红细胞的定向分化血红蛋白基因的表达是高度特化的基因调控的典型例子在造血干细胞分化过程中，特异性转录因子如和逐步激活血GATA-1NFE2红蛋白基因簇，同时关闭其他不相关的基因表达程序，确保红细胞能够专门执行氧气运输功能案例胰岛素合成1基因转录胰腺细胞中胰岛素基因特异性转录，形成胰岛素βmRNA2翻译合成核糖体翻译生成胰岛素原蛋白，含有信号肽和肽mRNA C3加工成熟内质网和高尔基体中去除信号肽，形成成熟的胰岛素分子4分泌调节响应血糖水平变化，胰岛素以胞吐方式释放到血液循环遗传信息异常的影响点突变后果移码突变危害镰刀形细胞贫血症是典型的点突碱基的插入或缺失会导致移码突变疾病，血红蛋白基因中单个变，改变下游所有氨基酸的编码，β碱基的改变（）导通常产生功能完全丧失的蛋白质GAG→GTG致谷氨酸被缬氨酸替代，引起血这类突变往往比点突变的后果更红蛋白分子结构改变和红细胞镰严重刀化无义突变影响当点突变产生终止密码子时，会导致蛋白质合成提前终止，产生截短的无功能蛋白质这类突变在遗传疾病中也较为常见中心法则与基因工程基因克隆使用限制性内切酶切割目标基因，通过连接酶将其插入载体质粒中DNA转化表达将重组质粒导入大肠杆菌等宿主细胞，利用其转录翻译机制表达外源蛋白规模生产通过发酵工艺大规模培养工程菌，收获并纯化目标蛋白质产品临床应用基因工程胰岛素等生物制品已广泛用于糖尿病等疾病的治疗合成生物学应用密码子优化表达调控设计生物回路构建根据宿主细胞的设计人工启动子、核糖利用转录和翻译的分子tRNA丰度和使用偏好性，重体结合位点和终止子，机制，设计生物逻辑门、新设计基因序列而不改精确控制基因的表达时振荡器和开关等功能模变氨基酸序列，提高蛋间、强度和位置可以块，构建人工生物系统白质表达效率这种策构建复杂的基因调控网执行特定任务，如生物略在生产重组蛋白时特络，实现多基因的协调传感器和生物计算机别有效表达。