《DNA复制和RNA转录》PPT课件.ppt

1,DNA的复制和RNA的转录,2,1 DNA生物合成的种类和方式,DNA指导下的DNA复制 RNA指导下的DNA复制 DNA复制的忠实性,3, 分子遗传的中心法则 DNA是遗传信息的储存和发布者，它在如图的联系中处于中心地位,4,复制：以亲代DNA或RNA为模板，根据碱基配对的原 则，在一系列酶的作用下，生成与亲代相同的 子代DNA或RNA的过程。,转录：以DNA为模板，按照碱基配对原则合成RNA， 即将DNA所含的遗传信息传给RNA，形成一条 与DNA链互补的RNA的过程,翻译：亦叫转译，以mRNA为模板，将mRNA的密码解 读成蛋白质的氨基酸顺序的过程,逆转录：以RNA为模板，在逆转录酶的作用下，生成 DNA的过程, 中心法则的几个基本概念,5,1.1.1 DNA复制的特点,半保留复制 半不连续复制,1.1 DNA指导下的DNA复制,6, 半保留复制 以亲代DNA双链为模板，按照碱基互补方式合成子代DNA，这样新形成的子代DNA中，一条链来自亲代DNA，而另一条链则是新合成的，这种复制方式叫半保留复制,7,半保留复制的实验依据, 1953年, Watson和Crick提出DNA的半保留复制机制 1958年,Meselson 和Stahl将同位素15N标记的15NH4Cl加入大肠杆菌的培养基中培养12代，使大肠杆菌的DNA都带上15N的标记，然后将该大肠杆菌转入14N的普通培养基中培养后，分离子一代、子二代、子三代、子四代DNA，进行氯化铯密度梯度离心，实验证明了DNA的半保留复制,8,半保留复制的实验依据,9,DNA复制的起点和方向,10, 两个起点，两个生长端的相向复制 DNA每条链有1个复制起点，分别合成1条新DNA，两条新链相向合成，每个生长点只有1条链合成，这种方式存在于线性DNA病毒 1个起点，1个复制区的单向复制 DNA两条链的复制起始点在同一位置，复制向一个方向运动，两条DNA链均被复制，这种方式偶见于一些环形DNA的复制 1个起点，两个复制区的双向复制 这种DNA复制方式最为普遍，复制起始于1个位点，形成两个复制区向相反方向运动，在每个复制区两条DNA链均被复制,DNA复制的起点和方向,11,DNA复制的起点和方向,12, 半不连续复制 DNA双螺旋的两条链是反向平行的，而合成方向只能是53。所以在DNA复制时，1条链的合成方向和复制叉的前进方向相同，可连续复制，称为前导链；而另一条链的合成方向和复制叉的前进方向正好相反，不能连续复制，只能分成几个片段合成，称为滞后链。滞后链的片段叫作冈崎片段(1000b)，它们合成后再连接起来,（前导链）,（滞后链）,冈崎片断,13,1.1.2 DNA复制的酶系,14,拓扑异构酶解开超螺旋,15,拓扑异构酶解开超螺旋,DNA拓扑异构酶催化的反应本质是先切断DNA的磷酸二酯键，改变DNA的链环数之后再连接之，兼具DNA内切酶和DNA连接酶的功能 其断裂反应与连接反应是相互偶联的，不能连接事先已经存在的断裂DNA,16,解链酶和SSB的作用,17,引物酶合成RNA引物,18,DNA聚合酶延长子链,19,原核细胞DNA聚合酶,20,连接酶连接2个冈崎片断,21,连接酶连接2个片断的三步反应,22,DNA复制酶系总览,23,1.1.3 DNA的复制过程,24,解旋：由拓扑异构酶解除DNA的超螺旋结构 解链：由解链酶使双链DNA解开再由单链结合 蛋白与单链结合，防止氢键再形成 识别起点：由DNA指导的RNA聚合酶即引物酶 完成 生成引物：以DNA为模板在引物酶催化下由 DNA转录成 DNA的生成：在RNA引物3末端上按碱基互 补原则经DNA聚合酶III催化生成，其 3 末端与下一个RNA引物5 末端相连,DNA的合成步骤,25,切除引物：由DNA聚合酶I催化切除引物， 剩下的DNA片段即冈崎片段 补齐封口：DNA聚合酶I利用其DNA聚合酶 活性按碱基互补原则沿5 3 方向填 补两个冈崎片段之间的缺口。其3 末端羟基与下一个DNA片段5 末端 相连磷酸基，在DNA连结酶催化下 形成磷酸二酯键而被连结起来，最 终形成DNA模板链的完整新的互补 链，此部由NAD+供能,26,DNA合成的起始与延伸,27,引物的切除，缺口填补，切口连接,28,真核细胞与原核细胞DNA的复制区别 RNA引物和冈崎片段较小 复制速度较慢，这可能与组蛋白的存在使DNA处于稳定的双股状态有关 复制有多个起点 DNA聚合酶为，以及线粒体聚合酶。它们仅能催化聚合作用，而没有原核细胞DNA聚合酶所有的外切酶作用 DNA片段的连结由ATP供能,真核细胞DNA的合成,29,真核细胞DNA聚合酶,30,“for their discovery of the mechanisms in the biological synthesis of ribonucleic acid and deoxyribonucleic acid “,Arthur Kornberg Stanford University Stanford, CA, USA 1918-,Severo Ochoa New York University, College of Medicne New York, NY, USA 1905-1993,31,1.2 RNA指导下的DNA复制(逆转录),32,RNA指导下的DNA复制(逆转录), 以RNA指导的DNA聚合酶催化合成DNA是以dNTP为原料及能源物质，以病毒单链RNA为模板，RNA为引物 反应时模板与引物以氢键相连，在引物3羟基末端开始以53方向进行 DNA的聚合、延伸。合成的DNA以共价键相连，形成DNA-RNA杂合体。在DNA指导的DNA聚合酶催化下以杂合体中的DNA为模板合成一条DNA互补链，形成新的DNA分子 逆转录酶是一种多功能酶 具有合成RNA、合成DNA、水解RNA的能力,33,RNA指导下的DNA复制(逆转录),34,David Baltimore Massachusetts Institute of Technology (MIT) Cambridge, MA, USA 1938-,Renato Dulbecco Imperial Cancer Research Fund Laboratory, London, UK 1914-,Howard Martin Temin University of Wisconsin Madison, WI, USA 1934-1994,“for their discoveries concerning the interaction between tumour viruses and the genetic material of the cell“,35,1.3 DNA复制的忠实性, DNA复制具有高度精确性，在大肠杆菌的细胞DNA复制中其错误率约为1/1091/1010，即每1091010个核苷酸才出现一个错误。这么高的精确性的保证主要与下列因素有关：, 碱基的配对规律：模板链与新生链之间的碱基 配对保证碱基配错几率约为1/1041/105 DNA聚合酶的35外切酶活性的校对功能，使 碱基的错配几率又降低1001000倍 DNA的损伤修复系统(错配修复、直接修复、切 除修复、重组修复、易错修复),36, DNA聚合酶的的自我校正 DNA 聚合酶不能从头合成DNA，即不能把两个dNTP连接起来，而只能将一个个核苷酸单位加到形成碱基配对的引物链3羟基上，如果引物链3羟基出现了和模板链错配的碱基，DNA聚合酶就会立即停止前进，并利用35核酸外切酶活性将错配的核苷酸从引物3端切除，只有引物3端重新出现碱基配对时才继续合成DNA。所以在合成DNA之前必须有正确的碱基配对存在于3端，即DNA聚合酶必须利用RNA引物链来检验3端的碱基配对正确与否，在确认无误后才开始合成,37, 错配校正系统 错配校正系统能发现DNA双螺旋因非互补碱基对间的不对称而产生的变形，它能区分和切除存在于新合成的DNA中错配的核苷酸。E.coli的错配校正系统利用dam基因编码的甲基化酶将DNA碱基序列(GATC)中的A在N6位甲基化，但新合成的A要晚一些才被甲基化，这使碱基序列只是在刚合成的新DNA链中还没有被甲基化，这就能区别新DNA链和模板链,参与错配修复的酶与蛋白质： Dam甲基化酶 ; MutH、MutL、MutS蛋白 ; 解螺旋酶 ; DNA聚合酶 ; 外切酶、 、 ； RecJ核酸酶 DNA连接酶 ；SSB,38,错配校正示意图,39,2 RNA生物合成的种类和方式, DNA指导的RNA合成(转录) RNA指导的RNA合成(RNA复制),在生物界，RNA合成有两种方式：一是DNA指导的RNA合成，此为生物体内的主要合成方式。另一种是RNA指导的RNA合成，此种方式常见于病毒,40,2.1 DNA指导的RNA生物合成(转录),原核细胞RNA的生物合成 2. 真核细胞RNA的生物合成 3. 转录产物的加工,41,2.1.1 原核细胞RNA的生物合成,1960年，RNA 聚合酶被发现。在E.coli中，RNA 聚合酶催化RNA的合成需要： 模板：双链或单链 DNA 活性单体物质：四种NTP 二价金属离子：Mg2+或Mn2+，在生物体 中(in vivo)发现的是Mg2+ 合成方向：5 3,42,转录不需要引物 只转录DNA分子中的一个片段(称为操纵子operon) 双链DNA中只有一条链具有转录活性(称为模板链) RNA聚合酶无校对功能,RNA的合成与DNA合成的不同,43,复制和与转录的区别,44,DNA的有义链和反义链,启动子(promoter),终止子(terminator),模板链（templatte strand） 反义链(antisense strand),有义链(sense strand),非信息区,DNA,5,5,3,3,模板链：双链DNA中具有转录活性的的链称为模板 链，又称反义链(或负链，Watson链) 编码链：双链DNA中无转录活性的链称为编码链， 又称有义链(或正链，Crick链),45,DNA的有义链和反义链,46,E.Coli中的RNA聚合酶,47,E.Coli中的RNA聚合酶,(亚基：转录的启动子识别),48,真核生物中的RNA聚合酶,49,启动子和转录因子,50,终止子和终止因子,51,RNA转录的终止,转录终止信号有两种： 简单终止子(不依赖因子)： (1) 能形成发夹结构 (2) 在终止点之前具有一系列U核苷酸(连续6个)； 回文对称区通常有一段富含GC序列 依赖因子的终止子： 回文结构区不含富有GC区，回文结构之后也无寡聚U,52,不对称转录,53,转录时DNA双链局部解开,54,RNA转录过程,RNA转录由识别、起始、延伸、终止四个阶 段组成 识别: RNA聚合酶在亚基的引导下结合于启动 子；DNA双链局部解开，形成转录泡； 起始：在模板链上通过碱基配对合成最初RNA链 延伸：亚基脱离，核心酶沿着DNA链由3 5的 方向移动，转录区间的DNA双链解螺旋，而 转录完的区间DNA又恢复双螺旋结构 终止：核心酶到达终止子，RNA与核心酶从DNA上 脱落,55,RNA转录的起始,56,解螺旋,恢复螺旋,转录泡,模板链,编码链,RNA聚合酶作用示意图,57,RNA转录的延伸,58,2.1.2 真核细胞RNA的生物合成,真核生物的RNA聚合酶主要分布于细胞核内，RNA合成也就主要发生在细胞核中,59,“for his studies of the molecular basis of eukaryotic transcription“,Roger D. Kornberg Stanford University, CA, USA 1947-,60,罗杰 科恩伯格(右)接受父亲阿瑟 科恩伯格(左)的祝贺,幼年时的罗杰 科恩伯格(左一)和家人在一起,61,罗杰科恩伯格的贡献, 阐明了真核细胞转录的具体机理,62,2.1.3 RNA的转录后加工,63,原核生物的rRNA加工,64,原核生物的tRNA加工, 真核生物的tRNA加工与E.Coli相似,65,原核生物的mRNA加工,66,真核生物的rRNA加工,67,真核生物的mRNA加工,68,真核mRNA的5-加帽,69,真核mRNA的3-加尾,70,真核mRNA的剪辑,(真核生物的结构基因通常是断裂的),71,“for their discoveries of split genes“,Richard J. Roberts United Kingdom New England Biolabs Beverly, MA, USA 1943-,Phillip A. Sharp Massachusetts Institute of Technology (MIT) Cambridge, MA, USA 1944-,72,真核mRNA的剪辑,(切除内含子与拼接外显子),73,2.2 RNA指导的RNA合成 (RNA复制),概念：RNA病毒以自身RNA为模板合成与自身RNA完全相 同RNA分子的过程称为RNA的复制,两个阶段:,（1）病毒RNA可充