《DNA的生物合成》课件.ppt

第十章 DNA的生物合成,DNA Biosynthesis,DNA是大多数生物的遗传物质的载体,DNA的主要生物学功能：,1. 遗传信息的载体或贮库,2. 可以进行忠实地复制，传代,3. 可接受某些偶然的变化，即突变,第一节 DNA复制的基本特性,Basic Characters of DNA Replication,复制(replication) 指在生物体内以亲代 DNA分子两条链为模板，合成两个子代DNA分子的过程,DNA复制的基本特性,半保留复制,半不连续复制,双向复制,特定的复制起点,需要引物,一、半保留复制 (semiconservative replication),DNA复制时，亲代DNA双螺旋解开成为两条单链，各自作为模板，按照碱基配对规律合成一条与模板相互补的新链，形成两个子代DNA分子。每一个子代DNA分子中都保留有一条来自亲代的链。这种DNA复制的方式称为半保留复制。,含15N-DNA的细菌,第一代细菌,第二代细菌,培养于普通培养基,继续培养于普通培养基,轻DNA沉降的位置,重DNA沉降的位置,中等密度DNA沉降的位置,DNA半保留复制的实验证明,DNA的半保留复制,二、DNA复制的方向和方式,模板DNA的阅读方向是3 5,新链的延伸方向是5 3,OH,template,Primer and the direction of new strand,P,Mechanism of DNA replication,Mechanism of DNA replication,Primer and the direction of new strand,template,Primer and the direction of new strand,Mechanism of DNA replication,template,Primer and the direction of new strand,template,Mechanism of DNA replication,Primer and the direction of new strand,template,Mechanism of DNA replication,Primer and the direction of new strand,template,Mechanism of DNA replication,Primer and the direction of new strand,template,Mechanism of DNA replication,Primer and the direction of new strand,template,Mechanism of DNA replication,Primer and the direction of new strand,template,Mechanism of DNA replication,Primer and the direction of new strand,template,Mechanism of DNA replication,Primer and the direction of new strand,template,Mechanism of DNA replication,Primer and the direction of new strand,template,Mechanism of DNA replication,Primer and the direction of new strand,template,Mechanism of DNA replication,OH,Primer and the direction of new strand,template,Mechanism of DNA replication,OH,Primer and the direction of new strand,template,Mechanism of DNA replication,OH,Primer and the direction of new strand,template,Mechanism of DNA replication,Go to 35,DNA复制时碱基的配对规律：,A=T,GC,DNA的复制泡 及复制叉,原核生物的DNA为环状，复制时要在特定的复制起始点上开始解链，形成“复制泡”，并向两个方向解链，形成两个复制叉。,三、半不连续复制,领头链(leading strand),随从链(lagging strand),冈崎片段(Okazaki fragment),四、复制的保真性,新链的延伸过程严格遵守碱基配对的规律，即AT，G C 。,DNA聚合酶对碱基的选择能力，能选择与亲代模板链正确配对的碱基进入子链相应的位置。,校读修正错配碱基，通过DNA聚合酶的35外切酶活性，在碱基发生错配时，及时切除并更换上正确碱基。,第二节 DNA复制的反应体系,Reaction System for DNA Replication,DNA复制的反应体系组成有：,模板(template)，DNA的两条单链均作为模板,主要的复制酶，DNA dependent DNA polymerase or DDDP, DNA pol,引物(primer)，是一段短的特殊RNA,底物(substrate)， dNTP,其他的酶和蛋白质因子，包括拓朴异构酶、解螺旋酶、DNA单链结合蛋白、引物酶、DNA连接酶等,一、DNA聚合酶,DNA dependent DNA polymerase，DDDP，或DNA pol,功能：,Go to 26,3,5,5,3,53外切活性,3,5,5,3,3,5,5,3,35外切活性,3,5,5,3,3,5,5,3,3,5,5,3,(一)原核生物DNA聚合酶,E coli中的DNA聚合酶，已知有三种，分别为DNA pol I，DNA pol II，DNA pol III,切除引物,校读作用,Ecoli 中三种DNA聚合酶的比较,DNA pol 的不对称异源二聚体结构,DNA聚合酶的校读作用,(二) 真核生物DNA聚合酶,二、DNA解螺旋酶、DNA拓扑异构酶、单链DNA结合蛋白,(一) DNA解螺旋酶(helicase),每解开一对碱基，需消耗2分子ATP,功能：,使DNA双链解开成为单链,现知为Dna B蛋白,(二) DNA拓扑异构酶(topoisomerase ),功能：,使DNA超螺旋旋松，理顺超螺旋，便于DNA解链,既能水解 、又能连接磷酸二酯键,特点：,表10-2 Ecoli 的拓扑异构酶,(三) DNA单链结合蛋白( DNA single strand binding protein, DBP or SSB),功能：,与解开的DNA单链结合，稳定并保护DNA单链,*防止单链重新形成双螺旋，保持模板的单链状态以便于复制 *防止单链模板被核酸酶水解,意义：,三、引物酶和引发体(primase, primosome ),引物酶，即Dna G蛋白，催化引物的生成,引发体，由ori C，Dna A、Dna B、Dna C及Dna G组成,引物为一段短的RNA片段,为什么需要引物？,DNA 聚合酶不能催化游离的dNTP聚合,四、DNA连接酶(DNA ligase),功能,催化DNA分子中两段相邻单链片段的连接，但不能连接单独存在的DNA单链,DNA连接酶催化的反应是耗能的，在真核生物中利用ATP供能，而在原核生物中则消耗NAD+,DNA连接酶的作用,第三节 DNA复制过程,DNA Replication Process,生物体在细胞分裂之前要完成DNA复制。DNA复制是一个连续酶促反应的复杂过程，大致分为复制的起始、延伸及终止三个阶段 。,一、原核生物DNA复制的基本过程,(一) 复制的起始,原核生物DNA复制起始以形成引发体(primosome)，催化引物(primer)的生成为标志。,1. DNA拓扑异构酶松解超螺旋，解螺旋酶使DNA双链解开,SSB,复制是在一个特定的起始点上开始，E coli的复制起始点ori C有特殊的碱基组成，四个9核苷酸组成的一致性序列TTATCCACA能被Dna A所识别及结合，在Dan C的帮助下，解螺旋酶Dna B结合到该区，使DNA局部解链。,SSB,引物酶,含有解螺旋酶(Dna B )、Dna A、DnaC、引物酶和DNA复制起始区域的复合结构称为引发体。,2. 引发体的组装及引物的形成,在引发体引物酶的作用下，催化合成一段短的RNA作为引物,(二) 复制的延伸,当引物合成后，DNA聚合酶可在引物的3-OH基础上逐步催化脱氧核苷酸的聚合，以3-5磷酸二酯键相连，使新链不断向前延伸。,3,5,3,5,DNA pol III,本质： 3-5磷酸二酯键的不断生成,(三) 复制的终止,从一个亲代DNA分子到两个子代DNA分子的合成结束,细菌的环状DNA从两个复制叉向前复制延伸，在同一个终止点上结束,两个复制叉上的延伸速度可以是不同的,E coli的复制起始点在82位点，终止点在32位点,E. Coli 基因组结构,复制起始点,复制终止点,82位点,32位点,在复制的终止阶段，要切除引物，并填补引物切除后留下的空隙。对于E coli DNA的复制，主要由DNA pol 发挥这一作用。最后，由DNA连接酶将不连续的片段进行连接，从而成为完整的DNA分子。,二、真核生物DNA复制的特点,真核生物DNA复制也比原核生物的复制过程复杂得多，在细胞的S期完成DNA复制,真核生物DNA复制为多点双向复制，有多个复制起始点，形成多个复制子,真核生物的DNA复制与核小体装配同步进行,真核生物的DNA末端有端粒结构，由端粒酶催化形成,真核生物DNA的多点双向复制,两个复制起始点之间的一段序列为一个复制单位，也称复制子,三、滚环复制,一些简单的环状DNA如质粒、病毒DNA或F因子经接合作用转移DNA时，采用滚环复制 (rolling cycle replication ),滚环复制时，亲代双链DNA的一条链在复制起点处被切开， 5 端游离出来。DNA pol 可以将脱氧核苷酸聚合在3-OH端。,外环的5-端不断向外侧伸展，作为模板指导另一条链的合成延伸,DNA的滚环复制,四、端粒DNA及端粒酶,由特殊DNA即短的GC丰富区重复序列(repeats of short, GC-rich sequences)及蛋白质组成，覆盖在染色体两个末端的庞大结构，称为端粒,端粒的概念,对维持染色体DNA的稳定，防止DNA链的缩短有重要意义,端粒的功能,端粒的特征序列,端粒的重复序列有种属特异性，在四膜虫为TTGGGG / AACCCC；在脊椎动物包括人为TTAGGG / AATCCC,端粒酶(telomerase),是一种由RNA及蛋白质组成的复合酶,以端粒酶中的RNA为模板，经逆转录而延伸末端的DNA,人的端粒酶(telomerase)组成,端粒酶RNA (human telomerase RNA, hTR) 端粒酶协同蛋白(human telomerase associated protein 1, hTP1) 端粒酶逆转录酶(human telomerase reverse transcriptase, hTRT),第四节 DNA损伤、突变和修复,DNA Damage (Mutation) and Repair,DNA突变(DNA mutation )或基因突变是指DNA分子中有碱基的改变，也称DNA损伤(DNA Damage ),DNA碱基的改变可发在复制过程中，或在某些理化因素作用下引起DNA突变,一、引起DNA损伤的因素,1. 物理因素，如紫外线，幅射等,紫外线可使DNA分子中相邻的两个嘧啶碱基发生共价交联形成嘧啶二聚体。,Turn to 81,2. 化学因素,包括一些药物、化学试剂、食品添加剂、工业排出废物、汽车排放废气、某些农药等。,亚硝酸盐或亚硝胺类可使碱基发生突变，如胞嘧啶脱氨突变为尿嘧啶,氮芥类烷化剂能使碱基或核糖被烷基化。,苯并比类使DNA中嘌呤碱基产生共价交联。,3. 生物因素,某些病毒或噬菌体的感染，可导致基因的突变，与某些肿瘤或癌症的发生密切相关。,乙肝病毒为噬肝细胞的部分双链DNA病毒，可整合至宿主染色体DNA，其整合及表达产物均可引起宿主细胞基因突变及表达失常。,乙肝病毒感染人群发生肝癌的危险度为非感染人群的100倍以上。,二、基因突变类型,1. 点突变,2. 缺失、插入及框移突变,3. 重排,DNA分子上的碱基发生错配称为点突变，包括碱基的转换、颠换,包括多个碱基或一段核苷酸序列的缺失、插入 ，常导致翻译的读码框架改变，称框移突变,DNA分子中的某个片段从一位置转到另一个位置，或不同DNA分子间DNA片段的转移及重新组合,三、DNA损伤的修复,即通过细胞内一系列酶系统的作用，消除DNA分子上的突变部位，使其恢复正常结构,主要类型,光修复(light repair),切除修复(excision repair),重组修复(recombinational repair),SOS修复(SOS repair),1、光修复(light repair),300600nm范围内的光波可激活细胞内的光修复酶(photolyase)，该酶能特异地识别共价交联的嘧啶二聚体，断裂两个嘧啶环间形成的共价键，使二聚体解聚，恢复DNA原来的结构,Go to 75,2、切除修复(excision repair),(1) 碱基切除修复(base excision repair，BER),切除修复可分为碱基切除修复和核苷酸切除修复等方式，其基本过程包括识别、切除、修补和连接。,指切除和替换由内源性化学物质作用产生的DNA碱基损伤， DNA糖基化酶(DNA glycosylase)参与此过程。,DNA碱基切除修复,(2) 核苷酸切除修复 (nucleotide excision repair, NER),原核细胞中，由Uvr A、Uvr B 和Uvr C蛋白形成ABC切除核苷酸酶复合物，在损伤点5 端第8个磷酸二酯键和3 端第15个磷酸二酯键切除包括损伤部位在内的一段碱基，留下缺口由DNA聚合酶I和DNA连接酶来修补,原核生物核苷酸的切除修复,3. 重组修复(recombinational repair),当DNA分子损伤来不及修复完善时所采用的修复机制,人类这种切除核苷酸酶活性由810个蛋白协同完成,着色性干皮病基因(xereoderma pigmentosum pomplementary group，XP) 产物为XPAXPG，ERCC系列,有切除核苷酸酶活性,XP产物功能,该系列基因如产生突变，可造成切除修复缺陷，对光尤其是紫外光非常敏感，癌变率很高。,4. SOS修复( SOS repairing ),生物体内DNA损伤面较大的紧急状态下诱导产生的一种修复机制。,不能将大范围内受损伤的DNA完全精确地修复，留下的错误较多，故也称为错误倾向修复(error-prone r