郜刚分子生物学06dna端粒的复制幻灯片

线性染色体端粒 DNA的复制 线性DNA复制后的问题 线性DNA复制后在其新生链的5端总是留下一段空隙，即缩短 35 53 35 53 两条模板链 各自复制 引物切除 留下空隙 引物 新生链 35 53 35 53 35 53 对于线性DNA来讲，复制时，由于受DNA聚合酶特性 限制，子代DNA链的最后一个片断去除引物后，无法 填补空隙，易造成子代DNA链的缩短。 染色体末端缩短 l对于染色体来讲，由于RNA引物的原因，DNA 聚合酶一定会留下染色体末端的一段DNA（即 一段端粒）使其不被复制。那么真核细胞染色 体末端的端粒就会随着细胞分裂而缩短。这个 缩短的端粒传给子细胞后，随着细胞的再次分 裂进一步缩短。 端粒 位于真核生物染色体末端（一条链的3-OH）， 由蛋白质和DNA（人类：“TTAGGG”重复序列 ）紧密结合的保护染色体末端的结构。 端粒功能： 避免染色体DNA链的缩短；防止染色体 的融合或降解；维持染色体结构的稳定性和 完整性。 端粒的生物学意义 l （1）维持染色体结构的完整性，防止染色体被核 酸酶降解及染色体间相互融和。 l （2）防止染色体结构基因在复制时丢失，解决了 末端复制的难题。 l DNA复制时，DNA聚合酶必须在RNA引物基础 上从5向3方向延伸，而5端RNA引物去除后因无引物 的存在而不能复制，结果每复制一次染色体末端将丢 失一段序列。端粒的存在使每次丢失的仅为端粒的一 部分，从而保护了染色体内部的结构基因。另外，有 些研究还显示，端粒与核运动有关，可能对同源染色 体的配对重组有重要意义。 l。 染色体末端端粒随着每次细胞分裂逐渐缩短，直到不 能分裂走向衰老。这就是人类细胞衰老的原因之一。 但是人类的种系细胞一生中都能维持分裂、不断增殖 。其原因在于：该细胞表达端粒酶。 端粒酶以自身一段RNA为模板，通过逆转录酶，转录 出一段端粒片段并使之连接于染色体的端粒末端，使 端粒不缩短，维持完整，从而保持了细胞的永生化生 长。 在单细胞生物、多细胞生物的种系细胞中都显示出弱 的端粒酶活性。而在人类正常体细胞均无端粒酶活性 。值得注意的是，在绝大多数恶性肿瘤细胞中显示明 显的端粒酶活性，这可能是肿瘤细胞具有永生性生长 的原因之一。 端粒的合成主要依靠端粒酶来催化 l端粒酶（telomerase） :是一种自身携 带RNA模板的逆转录酶，可以催化合成 端粒。 DNA 实际上端粒 酶是一种 RNA-蛋白质 复合体,它自 身携带的 RNA具有物 种特异性， 可以作为模 板, 通过逆 转录过程对 该物种DNA 末端进行延 长 端粒复制的爬行模型 .TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGG .AACCCCAACCCC AACCCCAAC 5 3 35 dGTP .TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTT .AACCCCAACCCC AACCCCAAC 5 3 35 dGTP .TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTT .AACCCCAACCCC AACCCCAAC 5 3 3 5 3 RNA template Telomerase RNA template 5 5 5 RNA template 端粒酶的爬行模型（动画演示） 母链藉非标准碱基配对回折 DNA聚合酶 端粒合成完成 进一步加工 如上图所示, (a)端粒酶以其RNA为模板, 通过逆转录 作用, 催化富含G链的延伸; (b)端粒酶向端粒新3端移动, 继续以其RNA为模板, 催化富含G的DNA母链延长; (c) 端粒酶反复移位, 通过逆转录反应使端粒富含G链增长 到足够长度; (d)富含C链的空缺部分不需要引物酶合成 引物提供3-OH, 而是富含G的链突出的寡脱氧核苷酸 d(GGGGTTTTGGGG)通过非Watson-Crick配对方式自 身的GGGG之间按G G配对, 回折形成发卡并提供3- OH; (e)由发卡引发富含C链在3-OH以富含G链为模板, 由DNA聚合酶添加新的dNTP, 进一步延伸填补空缺, 间 隙最后由DNA连接酶封口; (f)端粒DNA与端粒蛋白结合, 完成加工后, 形成完整的端粒。 如上图所示, (a)端粒酶以其RNA为模板, 使用右边的 AAC与新掺入的TTG配对, 催化富含G链的延伸; (b) 端 粒酶向端粒新3端移动, 此时模板RNA左边的AAC与3 端新掺入的TTG配对; (c) 端粒酶在模板RNA指导下将6 个一组GGGTGG添加到端粒G链3端, 重复(a) (c)反应 使端粒富含G链增长; (d) 富含G链充分延伸, 而空缺的富 含C链部分由引物酶合成引物RNA, 其序列互补于富含G 链3端; (e) 在新合成引物引发下, DNA聚合酶合成DNA 用以填补端粒富含C链的缺口; (f) 引物被切除后, 对应的 富含G链突出1016个核苷酸; (g) 这种带重复序列的端 粒DNA与端粒蛋白结合后, 通过GG配对自身回折在染 色体末端形成套索结构(t环, telomere loop)。 附加：反转录作用（RNA指导的DNA合成） v定义: 以RNA为模板, 按照RNA中的核苷酸顺序 合成DNA的过程称为反转录(reverse transcription, RT)。该过程由反转录酶催化进行。 v1970年Temin和Baltimore同时分别从(鸡)劳氏肉 瘤病毒和小白鼠白血病病毒等致病RNA病毒中分 离出反转录酶，迄今已知的致癌RNA病毒都含有 反转录酶。 + RNA+ DNA- RNA+ DNA- DNA+ v病毒RNA的反转录过程 （以前病毒形式整合到宿主细 胞DNA中而使细胞恶性转化） 单链病毒RNA RNA-DNA杂交分子 双链DNA（前病毒） 反转录酶 反转录酶 v v反转录酶也和DNA聚合酶一样, 沿53 方向合成 DNA, 并要求短链RNA作引物。 v 反转录酶是多功能酶，兼有3种酶的活性： RNA指导的DNA聚合酶活性 DNA指导的DNA聚合酶活性 核糖核酸酶H的活性，专一水解RNA-DNA杂交 分子中的RNA，可沿5 3和3 5两个方向起核 酸外切酶的作用。 l cDNA：利用反转录酶可合成出与任何RNA模板（ mRNA，tRNA或rRNA）的碱基序列互补的DNA 互补DNA（complementary DNA, cDNA）。 l l几乎所有真核生物mRNA分子的3 末端都有一段 polyA, 当加入寡聚dT作为引物时，mRNA就可作为模 板，在反转录酶催化下在体外合