转录与转录组学PPT讲稿
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第十三章基因的转录、转录后加工及逆转录ppt课件
◆真核生物启动子 （1）DNA序列在转录起始点的5’端区(上游 区)（2）-25bp ：TATA盒（Hogness box） （3）-90bp ：GC盒 （4）-70bp ：CAAT盒
-90
-70
GC
CAAT
RNA聚合酶Ⅱ催化的转录起始
RNA聚合酶Ⅱ催化各种前体mRNA的合 成
需要多种TF参与：TFⅡA-J
第一节 参与转录的酶
RNA聚合酶——依赖DNA的RNA聚合酶 （DNA-dependent RNA polymerase,DDRP）
以DNA为模板，催化2个游离的NTP 形成3’，5’-磷酸二酯键
一、原核生物RNA聚合酶
1、大肠埃希菌RNA聚合酶的组成 （1）全酶(holoenzyme)
由4种(5个)亚基α2ββ’σ组成 （2）核心酶(core enzyme)
作用位置
步骤1 步骤2
200~250
（3）真核生物mRNA转录后加工—剪接
内含子
外显子
DNA
hnRNA
●剪接所需条件
snRNA （U1-U6） + 蛋白质 （核内小分子核酸）
多种snRNP （核内小核蛋白颗粒）
多种snRNPs装配成
剪接体 （参与剪接过程）
4、RNA编辑（RNA editing）
二.真核生物RNA转录后的加工 1、rRNA转录后的加工
真核生物rRNA 的基因
(rDNA)
转录产物
成簇纵列串联排列
高度重复序列DNA
核质:(Ⅲ)--不需加 工
5s rRNA
核仁:(Ⅰ)--加工
5.8s rRNA 28s rRNA 18s rRNA
rDNA 内含子
基因间隔
转录组课件
个体化医疗
通过对个体转录组的分析，有助 于实现个体化医疗和精准治疗， 提高治疗效果和降低副作用。
02
CATALOGUE
转录组测序技术
转录组测序技术的原理
转录组测序技术基于下一代测序技术，通过对基因转录本的检测和分析，揭示基因的表达水平和调控 机制。
该技术通过将生物体的基因组DNA切割成小片段，然后对这些小片段进行测序，再通过计算机技术将这 些测序数据进行比对和分析，从而确定每个基因的转录本。
转录组测序技术的应用
转录组测序技术在生命科学、 医学和农业等领域具有广泛的
应用价值。
在生命科学领域，转录组测序 技术可用于研究基因的表达模 式和调控机制，揭示生命活动
的奥秘。
在医学领域，转录组测序技术 可用于诊断疾病、预测疾病进 展和评估治疗效果等。
在农业领域，转录组测序技术 可用于研究作物生长发育、抗 逆性和品质等性状，为育种提 供有力支持。
转录组学还能够研究药物对机体其他系统的影响，有助于全面了解药物的 副作用和相互作用，提高药物使用的安全性和有效性。
在个性化医疗中的作用
转录组学在个性化医疗中具有重要应用 价值，通过对个体基因表达的差异分析 ，有助于实现精准医疗和个性化治疗方 案。
通过比较不同个体之间的转录组数据，可以 发现个体间的基因表达差异和疾病易感性， 为个体化诊断和治疗提供依据。
差异表达分析
比较不同样本间基因表达量的变化，筛选显著差异表 达的基因。
基因功能注释与分类
利用基因本体论（GO）和KEGG等数据库，对基因进 行功能注释和分类。
转录组数据可视化的方法
散点图和箱线图
用于展示基因表达量和差异表达情况。
聚类分析热图
用于展示基因在不同样本间的聚类关系。
药物转录组学PPT幻灯片课件
9
样品制备
样品分离纯化
DNA , mRNA
扩增
PCR, RT—PCR，固相PCR
标记
荧光标记（常用Cy3、Cy5），生物素、放射性标 记
10
分子杂交
样品与DNA芯片上的探针阵列进行杂交。 与经典分子杂交的区别： 1. 杂交时间短，30分钟内完成 2. 可同时平行检测许多基因序列
影响杂交反应的因素：
5
1.基因芯片技术
• 基因芯片（gene chip）又称 DNA 芯片， 指将大量（通常每平方厘米点阵密度高于 400 ）探针分子固定于支持物上后与标记 的样品分子进行杂交，通过检测每个探针 分子的杂交信号强度进而获取样品分子的 数量和序列信息。
6
• 按用途分
– 表达谱芯片 – 诊断芯片 – 指纹图谱芯片 – 测序芯片 dT为引物将mRNA反转录合
成双链cDNA，经锚定酶（Anchoring Enzyme, AE）酶（如Nla Ⅲ、Sau3AⅠ等）切后收集 cDNA的3’端部分。
16
anchor 锚，靠山 synthesis 综合物 zyme酶，病菌 enzyme酶
18
Hale Waihona Puke 9• ③连接产物以标签酶酶切后用Klenow酶补 平5’突出端，得到两组分别带有接头A、B的 短cDNA片段（约50bp）。混合并连接两组 短cDNA片段，形成一个约100bp的双标签体 （ditag）群，并以引物A和B对其进PCR扩增。
20
ample充足的amplifiy增强 放大
21
• 芯片实验室是生物芯片技术发展的 最终目标
7
基因芯片的特点：
1. 操作简单 2. 自动化程度高 3. 序列数量大 4. 检测效率高 5. 应用范围广 6. 成本较低
样品制备
样品分离纯化
DNA , mRNA
扩增
PCR, RT—PCR，固相PCR
标记
荧光标记（常用Cy3、Cy5），生物素、放射性标 记
10
分子杂交
样品与DNA芯片上的探针阵列进行杂交。 与经典分子杂交的区别： 1. 杂交时间短，30分钟内完成 2. 可同时平行检测许多基因序列
影响杂交反应的因素：
5
1.基因芯片技术
• 基因芯片（gene chip）又称 DNA 芯片， 指将大量（通常每平方厘米点阵密度高于 400 ）探针分子固定于支持物上后与标记 的样品分子进行杂交，通过检测每个探针 分子的杂交信号强度进而获取样品分子的 数量和序列信息。
6
• 按用途分
– 表达谱芯片 – 诊断芯片 – 指纹图谱芯片 – 测序芯片 dT为引物将mRNA反转录合
成双链cDNA，经锚定酶（Anchoring Enzyme, AE）酶（如Nla Ⅲ、Sau3AⅠ等）切后收集 cDNA的3’端部分。
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anchor 锚，靠山 synthesis 综合物 zyme酶，病菌 enzyme酶
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Hale Waihona Puke 9• ③连接产物以标签酶酶切后用Klenow酶补 平5’突出端，得到两组分别带有接头A、B的 短cDNA片段（约50bp）。混合并连接两组 短cDNA片段，形成一个约100bp的双标签体 （ditag）群，并以引物A和B对其进PCR扩增。
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ample充足的amplifiy增强 放大
21
• 芯片实验室是生物芯片技术发展的 最终目标
7
基因芯片的特点：
1. 操作简单 2. 自动化程度高 3. 序列数量大 4. 检测效率高 5. 应用范围广 6. 成本较低
转录 ppt课件
启动子的一致序列是综合统计了多种基因的启动子序
列以后得出的结果，迄今为止，在E.coli中还没有发
现哪一个基因的启动子序列与一致序列完全一致。一
个基因的启动子序列与一致序列越相近，则该启动子
的启动效率就越高。不同基因在启动子序列上的差异，
是基因表达调控的一种重要途径。
ppt课件
18
3.2.3 转录的起始
ppt课件
13
因子与其相应的启动子
因子 基因 功能
-35区
间隔
-10区
70 rpoD 广泛
TTGACA
15-17bp TATAAT
32 rpoH 热休克 TCTCNCCCTTGAA 13-15bp CCCCATNTA
54 rpoN 氮代谢
CTGGNA
6bp
TTGCA
ppt课件
14
3.2.2 启动子的识别序列
ppt课件
12
不同的σ因子可以识别不同的启动子。如E.coli的
一般基因由σ70(Mr为70×103)识别, 枯草芽孢杆菌σ因 子的主要类型为σ43。识别热休克应激蛋白基因启动
子的为σ32，温度升高时，基因rpoH的产物σ32浓度升
高，温度回降时，σ32浓度降低。可以假设，σ70与σ32 通过竞争已有的核心酶，调控蛋白质合成的起始。诱 导σ32产生的基本信号是因温度升高引起的未折叠蛋 白的聚集。在固氮菌中识别固氮酶相关基因启动子的
为σ54，当培养基中缺乏氮时，E.coli中会有少量σ54存
在，在这种情况下，基因会转向利用其它可替代的N 源。
ω亚基由基因rpoZ编码，Mr为1.10×104，曾长期
被忽略，甚至许多人不把它作为聚合酶的组分。然而， 现在已经肯定，ω亚基是嗜热水生菌RNA pol必不可 少的组分，也是体外变性的RNA pol成功复性所必需 的，它与β亚基一起构成催化中心，稳定其与β' 亚基 的结合
列以后得出的结果，迄今为止，在E.coli中还没有发
现哪一个基因的启动子序列与一致序列完全一致。一
个基因的启动子序列与一致序列越相近，则该启动子
的启动效率就越高。不同基因在启动子序列上的差异，
是基因表达调控的一种重要途径。
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3.2.3 转录的起始
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13
因子与其相应的启动子
因子 基因 功能
-35区
间隔
-10区
70 rpoD 广泛
TTGACA
15-17bp TATAAT
32 rpoH 热休克 TCTCNCCCTTGAA 13-15bp CCCCATNTA
54 rpoN 氮代谢
CTGGNA
6bp
TTGCA
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3.2.2 启动子的识别序列
ppt课件
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不同的σ因子可以识别不同的启动子。如E.coli的
一般基因由σ70(Mr为70×103)识别, 枯草芽孢杆菌σ因 子的主要类型为σ43。识别热休克应激蛋白基因启动
子的为σ32，温度升高时，基因rpoH的产物σ32浓度升
高，温度回降时，σ32浓度降低。可以假设，σ70与σ32 通过竞争已有的核心酶，调控蛋白质合成的起始。诱 导σ32产生的基本信号是因温度升高引起的未折叠蛋 白的聚集。在固氮菌中识别固氮酶相关基因启动子的
为σ54，当培养基中缺乏氮时，E.coli中会有少量σ54存
在，在这种情况下，基因会转向利用其它可替代的N 源。
ω亚基由基因rpoZ编码，Mr为1.10×104，曾长期
被忽略，甚至许多人不把它作为聚合酶的组分。然而， 现在已经肯定，ω亚基是嗜热水生菌RNA pol必不可 少的组分，也是体外变性的RNA pol成功复性所必需 的，它与β亚基一起构成催化中心，稳定其与β' 亚基 的结合
第四章转录
1、真核生物核糖体组成：
小亚基：16~18S rRNA组成
大亚基：5S、5.8S、26~28S rRNA组成
2、基因结构特点：
成簇排列，16~18、5.8和26~28SRNA组成一个 转录单位，彼此由间隔序列隔开，将来转录为一个 45S的前体RNA进行加工，5S的单独进行转录。 3、加工过程：以哺乳动物为例
一、原核生物RNA转录后的加工
二、真核生物转录后的加工
三、真核生物RNA的拼接和编辑
一、原核生物RNA转录后的加工
1、原核生物rRNA前体的加工
16S tRNA 23S 5S tRNA
RNaseⅢ
RNaseⅢ
RNaseE
16S
tRNA
23S
5S
tRNA
16S
tRNA
23S
5S
tRNA
真核生物rRNA前体的加工和原核的极为相似
加 工
切去多余的序列 加上CCA、修饰
tRNA 前体的加工包括5‘和3’端的切除、3‘端CCA的添 加和碱基的修饰.
2、真核生物mRNA前体的加工
真核生物mRNA前体的加工是最为复杂的，对于生物体本
身来说也是非常重要的，因为他是编码蛋白质的，结构上包含内 含子结构，而且真和核生物的转录和翻译的过程被分开在不同的 场所进行，这些就决定了真核生物mRNA前体加工必然是一个复 杂的过程。
帽子O
RNA核苷2’-0-甲基转移酶
m7GpppXPYPZ+SAM
m7GpppXmP YPZ+SAH
如果是腺嘌呤 则N6位置还有 一个甲基
帽子1 RNA核苷2’-0-甲基转移酶
m7GpppXmPYPZ+SAM
小亚基：16~18S rRNA组成
大亚基：5S、5.8S、26~28S rRNA组成
2、基因结构特点：
成簇排列，16~18、5.8和26~28SRNA组成一个 转录单位，彼此由间隔序列隔开，将来转录为一个 45S的前体RNA进行加工，5S的单独进行转录。 3、加工过程：以哺乳动物为例
一、原核生物RNA转录后的加工
二、真核生物转录后的加工
三、真核生物RNA的拼接和编辑
一、原核生物RNA转录后的加工
1、原核生物rRNA前体的加工
16S tRNA 23S 5S tRNA
RNaseⅢ
RNaseⅢ
RNaseE
16S
tRNA
23S
5S
tRNA
16S
tRNA
23S
5S
tRNA
真核生物rRNA前体的加工和原核的极为相似
加 工
切去多余的序列 加上CCA、修饰
tRNA 前体的加工包括5‘和3’端的切除、3‘端CCA的添 加和碱基的修饰.
2、真核生物mRNA前体的加工
真核生物mRNA前体的加工是最为复杂的，对于生物体本
身来说也是非常重要的，因为他是编码蛋白质的，结构上包含内 含子结构，而且真和核生物的转录和翻译的过程被分开在不同的 场所进行，这些就决定了真核生物mRNA前体加工必然是一个复 杂的过程。
帽子O
RNA核苷2’-0-甲基转移酶
m7GpppXPYPZ+SAM
m7GpppXmP YPZ+SAH
如果是腺嘌呤 则N6位置还有 一个甲基
帽子1 RNA核苷2’-0-甲基转移酶
m7GpppXmPYPZ+SAM
系统生物学 第三讲 转录组学课件
• 核糖体RNA，原核生物包括5s，16s，23s，真核生物包括5s，5.8s， 18s和28s，而每种rRNA各自有各自的功能。
PPT学习交流
10
转运RNA（tRNA）
在蛋白质合成中作为氨基酸的载体
合成i蛋白质的原材料——20种氨基酸与mRNA的碱 基之间缺乏特殊的亲和力。因此，必须用一种特殊的 RNA——转运RNA（tRNA）把氨基酸搬运到核糖体上， tRNA能根据mRNA的遗传密码依次准确地把它携带的氨 基酸连结起来形成多肽链。
合成。
PPT学习交流
15
小胞质RNA（scRNA/7s-RNA)
• 存在于细胞质中的小RNA分子（如信号识别颗粒组分中 含有的7sRNA）,是蛋白质内质网定位合成的信号识别体 的组成。
PPT学习交流
16
小RNA分子
• 有些小RNA分子能直接调控某些基因的开关从而 控制细胞的生长发育并决定细胞分化的组织类型
PPT学习交流
14
核仁小RNA（snoRNA）
概念：核仁小分子RNA是一大类RNA分子，其大小一般在几十
到几百个核苷酸，它们能与特定的蛋白质（如自身免疫抗原等） 相结合生成snoRNP，在细胞中稳定存在，并且富集于核仁区，所 以被称为核仁小分子RNA。
功能：负责rRNA的加工（切割和修饰） ，参与核糖体的生物
对一部分miRNAs的研究分析提示：miRNAs参与生命过程中一系列的重要 进程，包括早期发育，细胞增殖，细胞凋亡，细胞死亡，脂肪代谢和细胞 分化。
PPT学习交流
生物体以DNA为模板合成RNA的过程 。
转录
DNA
RNA
PPT学习交流
4
• 转录（Transcription）：遗传信息由DNA转换到 RNA的过程。作为蛋白质生物合成的第一步，转 录是mRNA以及非编码RNA（tRNA、rRNA等） 的合成步骤。
系统生物学-第三讲-转录组学PPT课件
.
18
• 第一个被确认的miRNA——在线虫中首次发现的lin-4 和 let-7 ，可以通过部分互补结合到目的mRNA靶的3’非编 码区(3’UTRs)，以一种未知方式诱发蛋白质翻译抑制， 进而抑制蛋白质合成，通过调控一组关键mRNAs的翻译 从而调控线虫发育进程。
继线虫之后，随后多个研究小组在包括人类、果蝇、植物等多 种生物物种中鉴别出数百拼接和注释表达与分类功能分析作用机理分析qpcr验证est软件平台est序列库序列的质量检查测序量监控聚类和拼接检查借助于基因组信息全长orf寻找发现全长基因研究表达基因概况的主要实验手段dnachipproteomics的先驱功能分类表达量分析交替剪接检测est特有信息microarray和genechip大规模表达谱或全景式表达谱globalexpressionprofile
.
40
表达序列标签(EST)测定及分析
1、什么是EST? 2、EST的应用 3、EST序列测定及分析过程
.
41
1、表达序列与表达序列标签概念
(1) 什么是表达序列?
基因组表达为RNA的序列: mRNA和功能RNA
(2) 什么是表达序列标签?
（expressed sequence tag, EST）
• 转录组研究是基因功能及结构研究的基础和 出发点，是解读基因组功能原件和揭示细胞 及组织分子组成所必需的。
.
34
• 转录组的特点：受到内外多种因素的调节，因而是 动态可变的。能够揭示不同物种、不同个体、不同 细胞、不同发育阶段及不同生理病理状态下的基因 差异表达信息。
.
35
• 转录组学（Transcriptomics）：研究细胞在某 一功能状态下所含mRNA的类型与拷贝数；比较不
转录组学 ppt课件
Experil population A
Cell population B
AA B B
RNA extraction
Quantify pixel intensities.
AA BB
Reverse transcription
Sample A labelled with cy5 dye
组 （四）大规模平行信号测序系统
MPSS(massively parallel signature sequencing,MPSS)。
五、特点
• 转录组的特点：受到内外多种因素的 调节，因而是动态可变的。能够揭示 不同物种、不同个体、不同细胞、不 同发育阶段及不同生理病理状态下的 基因差异表达信息。
二、生产背景
• 首先提出转录组是指特定细胞在某一功能 状态下全部表达的基因总和，代表了 每一 个基因的身份和表达水平同一细胞在不同 的生长时期及生长环境下，基因表达情况 是不完全相同的，具有特定的空间。能够 提供全部 基因的表达调节系统和蛋白质的 功能相互作用的信息转录组学研究作为一 种整体的方法，改变了单个基因的研究模 式，将基因组学研究带入了高速发展的时 代
• 4、在土壤、海洋生态环境中的应 用目前宏转录组学研究大部分仍集 中在对海洋与土壤生态环境群落微 生物宏转录组的研究中，表1归纳 了部分海洋与土壤微生物宏转录组 的研究概况。
七、展望
• 转录组学可以直接反应实时环境表达 信息，这种研究不仅为微生物资源的 开发和利用提供宝贵的信息，而且也 为未培养微生物的研究提供了新的思 路，具有巨大的生物学意义。随着科 学技术的不断发展，转录组学将在微 生物群落中发挥越来越重要的作用。
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Severo Ochoa
1/2 of the prize USA New York University, College of Medicine New York, NY, USA b. 1905 (in Luarca, Spain) d. 1993
Arthur Kornberg
1/2 of the prize USA
个茎。1～3个环，含13b保守序 列CAAA，AC，Biblioteka GUC，GUG核苷酸链断裂点
槌头状结构，最简单的核酶
核酶的意义
2.4 核酶：
分三类：异体催化的剪切型；自 体催化的剪切型；内含子的自我剪 接型。
二级结构：锤头结构；13（或11） 个保守核苷酸。
• 核酶的发现
1982年Cech在研究低等真核生物四膜 虫的rRNA加工成熟过程中发现其rRNA 前体有自我剪接作用，即酶的作用，故 把有催化活性的RNA称核酶。
• 底物部分含GU，催化部分包括3
• 1.单链小分子； • 2.含有稀有碱基或修饰碱基； • 3. 5′端总是磷酸化， 5′末端往往是pG； • 4. 3′端是CpCpAoH序列； • 5.三叶草结构； • 6.三级结构是倒L型。
三级结构呈倒L形
2.3 rRNA：
• 原核生物：70S--由50S和30S 组成 • 真核生物：80S--由60S和40S 组成
The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1959
"for their discovery of the mechanisms in the biological synthesis of ribonucleic acid and deoxyribonucleic acid"
Roger D. Kornberg Stanford University, CA, USA
"for his studies of the molecular basis of eukaryotic transcription".
Roger D. Kornberg, born 1947 (59) in St Louis, MO, USA (US citizen). PhD from Stanford University, CA, USA. Mrs. George A. Winzer Professor in Medicine at Stanford University School of Medicine, CA, USA.
Stanford University bS. t1a9n1fo8rd, CA, USA
2006年诺贝氏生理医学奖得主 Dr. Fire A and Dr Mello C
主要内容
一、核糖核酸的类型、结构和功能 二、RNA的合成 三、真核细胞转录后修饰 四、转录水平的基因表达调控 五、RNA分析 六、转录组学
转录与转录组学课件
Replication
DNA
Transcription
Replication
RNA
Reverse Transcription
Translation
中心法则
（the central dogma） Protein
The Royal Swedish Academy of Sciences has decided to award the Nobel Prize in Chemistry for 2006 to
Bushnell, D.A., Westover, K.D., Davis, R.E. and Kornberg, R.D. (2004) Structural basis of transcription: An RNA polymerase II – TFIIB cocrystal at 4.5 angstroms. Science 303, 983988.
一、核糖核酸的类型、结构和功能
1. 类型 • 编码蛋白质：编码RNA和非编码RNA • 功能：rRNA, tRNA, mRNA • 小RNA (snRNA, snoRNA, scRNA)
2.核糖核酸的结构和功能
4种核苷糖以磷酸二酯键连接的长链, A、U、 C、G；戊糖是核糖。
2.1 mRNA
2.1.1.原核生物mRNA结构的特点：
Review article
Boeger, H., Bushnell, D.A., Davis, R., Griesenbeck, J., Lorch, Y., Strattan, J.S., Westover, K.D. and Kornberg, R.D. (2005). Structural basis of eukaryotic gene transcription. FEBS Lett. 579, 899-903.
Original scientific articles
Cramer, P., Bushnell, D.A. and Kornberg, R.D. (2001) Structural basis of transcription: RNA polymerase II at 2.8 ångstrom resolution. Science 292, 1863-1876.
Gnatt, A.L., Cramer, P., Fu, J., Bushnell, D.A. and Kornberg, R.D. (2001) Structural basis of transcription: An RNA polymerase II elongation complex at 3.3 Å resolution. Science 292, 1876-1882.
• （1）多顺反子； • （2） mRNA 5′端无帽子结构，3′端无多聚
A尾；
• （3） mRNA一般没有修饰碱基。
2.2.2.真核生物mRNA结构的特点：
（1） 5′端有帽子结构； （2） 大多3′端有多聚A尾； （3）分子中可能有修饰碱基：主要有甲化； （4）分子中有编码区与非编码区。
2.2 tRNA