《转录和加工II》课件

《转录和加工II》深入探讨基因表达过程中的转录后加工,包括剪切、修饰和运输等复杂的调控机制。讨论这些机制对基因表达水平和蛋白质功能的重要影响。什么是转录和加工II生物信息传递的基础转录和加工II是生物体内基因表达的关键过程,负责将DNA中的遗传信息转录为功能性的RNA分子,为后续的蛋白质合成提供必要的原料。RNA加工的多样性转录产物经过各种RNA加工过程,如剪接、修饰、运输等,这些过程赋予了RNA多种功能,使其能在生物体中发挥重要作用。调控机制的重要性转录和加工II的调控是基因表达调控的关键环节,直接影响到生物体的生长发育、代谢等各个生命活动。转录和加工II的概述转录和加工II是指将遗传信息从DNA转录到RNA的过程,并对所得RNA进行加工修饰,使其成为成熟的RNA分子。这个过程涉及到多种复杂的生化反应,包括RNA聚合酶的启动和终止、RNA前体的剪接、加帽和多腺苷酰化等。这一过程确保了合成出正确结构和功能的RNA分子,如信使RNA(mRNA)、转运RNA(tRNA)和核糖体RNA(rRNA),为后续的蛋白质合成做好准备。转录的一般过程1确定模板DNA2招募RNA聚合酶3开始转录4延长转录5终止转录转录过程包括确定模板DNA、招募RNA聚合酶、开始转录、延长转录以及最终终止转录等步骤。这些步骤协调一致地完成了生物体内RNA分子的合成。整个过程严密有序、高度调控,确保转录产物能被正确加工和利用。RNA聚合酶的功能1遗传信息的转录RNA聚合酶负责将基因上的DNA序列转录成RNA分子。2促进蛋白质合成转录产生的RNA分子,如mRNA、tRNA和rRNA,是蛋白质合成的直接模板和参与者。3基因表达的调控RNA聚合酶的活性和调控是基因表达的关键环节,影响细胞的各种生命活动。RNA聚合酶的种类原核生物中的RNA聚合酶原核生物如细菌中只有一种RNA聚合酶,负责所有类型RNA的转录。真核生物中的RNA聚合酶真核生物拥有三种不同的RNA聚合酶,分别负责转录不同类型的RNA。RNA聚合酶IRNA聚合酶I负责转录核糖体RNA基因。RNA聚合酶IIRNA聚合酶II负责转录编码蛋白质的基因,产生mRNA。原核生物中的RNA聚合酶原核生物如细菌和古生菌中的RNA聚合酶是一个复杂的多亚基酶,负责转录遗传信息从DNA到RNA的过程。它由核心酶和特定的sigma因子组成,sigma因子可以识别并结合到启动子序列,从而启动转录。这种RNA聚合酶具有高度保守的结构和功能,是细菌生存所必需的关键酶之一。它在细菌的生长、繁衍和应激反应中发挥着关键作用,为生物合成、细胞代谢和调控等过程提供RNA模板。真核生物中的RNA聚合酶真核生物中存在三种主要的RNA聚合酶:RNA聚合酶I、RNA聚合酶II和RNA聚合酶III。这些酶负责转录不同类型的RNA分子,如核糖体RNA、信使RNA(mRNA)和转运RNA(tRNA)等。RNA聚合酶I主要负责转录核糖体RNA(rRNA),RNA聚合酶II主要负责转录编码蛋白质的信使RNA(mRNA),而RNA聚合酶III主要转录转运RNA(tRNA)和5S核糖体RNA。这三种RNA聚合酶在真核细胞中的功能和调控机制都有自己的特点。真核生物中RNA聚合酶I、II和IIIRNA聚合酶I在真核生物中,RNA聚合酶I专门负责转录核糖体RNA(rRNA)基因,生成28S、5.8S和5SrRNA。它位于细胞核中的核仁,协调了核糖体的组装过程。RNA聚合酶IIRNA聚合酶II是最重要的RNA聚合酶,它负责转录messengerRNA(mRNA)基因,生成大多数蛋白质编码的mRNA分子。它位于细胞核中,具有复杂的调控机制。RNA聚合酶IIIRNA聚合酶III负责转录转运RNA(tRNA)基因和5SrRNA基因,生成tRNA和5SrRNA。它也参与了核糖体的组装过程。RNA聚合酶I转录核糖体RNA1RNA聚合酶I结构RNA聚合酶I由14个亚基组成,具有独特的结构和功能特点,专门负责转录核糖体RNA。2转录核糖体RNARNA聚合酶I在核仁中高效转录出45S前体核糖体RNA,为核糖体的形成提供基础。3高效转录能力RNA聚合酶I具有极高的转录效率,一次转录可产生数千个核糖体RNA分子。RNA聚合酶II转录mRNA1寻找启动子RNA聚合酶II识别并结合启动子序列2进行初始转录开始合成mRNA前体的5'端3转录延伸聚合酶持续沿基因进行转录4终止转录聚合酶识别终止信号后停止转录RNA聚合酶II专门负责转录编码蛋白的基因,产生前体mRNA分子。它首先识别并结合启动子序列,开始进行初始转录。然后沿着基因持续合成mRNA前体,直到遇到终止信号而停止。这样就完成了整个mRNA的转录过程。RNA聚合酶III转录tRNA和5SrRNA识别启动子RNA聚合酶III识别并结合到tRNA和5SrRNA基因的特殊启动子序列上。开始转录RNA聚合酶III开始沿着DNA模板合成相应的tRNA和5SrRNA前体。延长转录RNA聚合酶III继续合成并延长tRNA和5SrRNA的转录产物。结束转录当达到终止信号时,RNA聚合酶III释放出刚合成完的tRNA和5SrRNA前体。mRNA的转录加工初始转录产物的加工转录得到的初始mRNA前体需要进行一系列加工,包括5'端帽加工、3'端加工和剪接。5'端帽加工在转录开始后不久,转录体的5'端会加上一个7-甲基鸟嘌呤帽,增加mRNA的稳定性和可译性。3'端加工转录体的3'端会加上一段多聚腺苷酸尾巴(poly(A)尾巴),也有利于mRNA的稳定和翻译。剪接转录产物中的内含子序列会被剪除,外显子连接在一起形成成熟的mRNA分子。初始转录产物的加工1转录后加工转录本出来之后需要进行加工处理25'端帽加工添加保护性的5'端帽33'端加工获得正确的3'端序列4剪接移除内含子,连接外显子初始转录产物在成熟mRNA形成之前,需要经历一系列复杂的转录后加工过程。这包括5'端帽加工、3'端加工以及剪接等步骤,确保mRNA具有完整的结构和功能。mRNA前体的5'端帽加工15'端帽的形成在转录起始后不久,mRNA前体的5'端会形成一个帽状结构,即5'端帽。这是一个由7-甲基鸟苷组成的反向结构。2帽的合成过程帽的合成过程涉及一系列酶促反应,包括脱磷酸化、甲基化和连接等步骤。这些反应确保帽的正确形成和连接到mRNA前体上。3帽的作用5'端帽具有多重功能,如保护mRNA免受3'→5'外切酶的降解、促进mRNA的运输和翻译等。帽结构是真核生物mRNA成熟的重要标志。mRNA前体的3'端加工13'端剪切mRNA前体3'端的加工从剪切开始2多腺苷酸化加入一段poly(A)尾巴，提高mRNA稳定性3核酸修饰可以在3'端添加其他修饰以增强功能真核生物mRNA前体的3'端加工主要包括3'端剪切、多腺苷酸化和其他可选的核酸修饰。通过这些步骤，mRNA前体能获得一个稳定的3'端结构,提高其转录后的稳定性和转运效率。mRNA前体的剪接1识别剪接信号RNA聚合酶识别5'和3'剪接信号2剪接体的形成将5'和3'剪接位点连接3剪除内含子切除内含子，连接外显子mRNA前体的剪接过程包括识别5'和3'剪接信号、剪接体的形成以及内含子的切除等步骤。RNA聚合酶识别出这些信号序列后,即可完成对mRNA前体的剪接加工,生成成熟的mRNA分子。剪接的信号序列5'剪接位点RNA前体分子中的剪接位点通常由保守的序列AG/GT标示。这里的"/"表示剪切点，AG是亮点序列，GT是连接到外显子的内含子序列。3'剪接位点RNA前体分子的3'剪接位点也有保守的序列特征，包括一个富含嘌呤的支点序列和一个富含嘧啶的终点序列。支点序列支点序列通常为YURAY(Y代表嘧啶，R代表嘌呤)，这个序列对剪接反应至关重要。终点序列终点序列通常为YAG,这个序列为3'剪切位点提供识别标记。剪接的机理和方式1识别剪接信号序列RNA聚合酶在转录过程中会识别并识别出5'剪接位点和3'剪接位点。2切割前体mRNAsnRNP复合物可以准确地切割出5'和3'剪接位点。3回接剪接区域剪接复合物通过化学反应将切割下来的外显子连接起来。真核生物的mRNA剪接是通过一系列精确的过程完成的。首先，RNA聚合酶会识别并标记出剪接位点。然后，剪接体复合物会切割出内含子序列，并将外显子重新连接起来，形成成熟的mRNA分子。这个过程中涉及多种核酸和蛋白质的复杂相互作用。可替代性剪接多样性编码可替代性剪接使单一基因能产生多种不同的mRNA和蛋白质，增加了编码的多样性。细胞时空调控不同细胞类型和发育阶段可以选择性地剪接mRNA前体，从而产生特定的蛋白质。应对环境变化可替代性剪接能使细胞快速改变蛋白质的结构和功能以适应环境变化。tRNA和rRNA的加工tRNA剪接tRNA前体需要经过酶切反应去除5'端领导序列和3'端尾序列，形成成熟的tRNA分子。tRNA核苷酸修饰成熟tRNA分子还需要经过一系列的化学修饰反应，如甲基化、肽化等，完善其结构和功能。rRNA加工核糖体RNA前体经过核酸内切酶切割、核外切酶修整、核糖核蛋白复合体装配等步骤，形成成熟的核糖体亚单位。tRNA加工的过程1前体tRNA产生RNA聚合酶III转录前体tRNA分子,包含额外的5'和3'末端序列。25'端剪切核酶切割掉前体tRNA的5'末端序列,形成成熟的5'端。33'端加工核酸内切酶切割掉3'末端的额外序列,形成成熟的3'端。4核苷酸修饰核糖核酸甲基化酶和其他修饰酶对tRNA进行化学修饰,增加其功能。rRNA加工的过程15'端加工移除5'外显子序列2内部剪切切除非编码的内部序列33'端修饰清除3'尾部并添加聚腺苷酸尾通过这些加工过程,原始前体rRNA被转变成成熟的可用于翻译的核糖体RNA。这些步骤确保了rRNA具备正确的长度和结构,为翻译过程奠定基础。核糖体RNA的修饰核糖体RNA甲基化rRNA经过广泛的甲基化修饰,可以提高核糖体的稳定性和效率。这些甲基化修饰主要发生在核糖体RNA的保守区域,对维持核糖体的结构和功能非常重要。核糖体RNA的其他修饰除了甲基化,rRNA还存在其他类型的化学修饰,如异构化、羟基化和氨基化等,这些修饰有助于rRNA折叠和核糖体装配的调控。修饰的时间和位点rRNA的化学修饰通常在转录过程中或者核糖体组装过程中进行,修饰的位点都分布在核糖体的关键功能区域。核糖体蛋白的合成1核糖体组装核糖体由核糖体蛋白和核糖体RNA组成2蛋白转录mRNA模板导向核糖体蛋白的合成3氨基酸结合tRNA将氨基酸运送到核糖体上4肽键形成核糖体催化肽键的形成核糖体蛋白是由核糖体RNA和核糖体蛋白组装而成。mRNA模板为核糖体指导蛋白的合成过程,tRNA将所需的氨基酸运送到核糖体上,核糖体则催化肽键的形成,最终合成完整的蛋白质。这一过程高度精细和有序,确保了蛋白质的正确折叠和功能。核糖体的组装1核糖体的组成核糖体由两个亚基组成,大亚基和小亚基,每个亚基均含有特定的核糖体RNA和核糖体蛋白。2核糖体的组装过程核糖体亚基的组装需要许多转录和翻译后的步骤,涉及到核糖体蛋白质和核糖体RNA的协同作用。3核糖体生物发生核糖体的组装过程需要许多辅助蛋白质的参与,协调各组分的整合,确保核糖体的正确组装和功能。转录和加工II的调控机制1转录水平的调控通过调节RNA聚合酶的活性和转录因子的表达来控制基因的转录。2转录后水平的调控通过对mRNA的加工、稳定性和翻译效率的调节来控制基因的表达。3多层级的调控机制同时存在转录水平和转录后水平的调控机制,以确保基因表达的高度精确性。转录水平的调控基因表达调控通过调节基因转录的起始、延伸和终止过程,控制基因表达水平。这可以实现基因表达的时间、空间和量级的精细调整。转录因子的作用转录因子通过结合到基因的启动子或增强子序列,促进或抑制RNA聚合酶的结合和转录活性。染色质重构染色质的构象变化可调节转录因子和RNA聚合酶的结合,进而影响基因表达。这需要依赖于ATP的染色质修饰酶复合体。转录后水平的调控翻译水平的调控转录后水平的调控包括对mRNA转录产物的稳定性、定位和翻译效率的调控。通过调节这些过程可以进一步控制基因的表达。mRNA稳定性调控细胞可以通过改变mRNA的降解速率来调节其表达水平。一些RNA结合蛋白可以增加或降低mRNA的寿命。mRNA核质转运调控将成熟的mRNA从核内转运至细胞质ribosomes也是转录后调控的重要环节。一些核输出信号决定mRNA的定位和翻译。翻译效率调控一些转录后调控机制可以直接影响mRNA的翻译效率,如调节起始密码子的识别、调控核糖体装配等。总结和思考1