分子生物学染色体与DNAppt课件.ppt

第二章 染色体与DNA,染色体 DNA的结构 DNA的复制 DNA的修复 DNA的转座,1,分子生物学研究已经证实DNA控制了生物的性状遗传。无论DNA或RNA，都是由许许多多个核苷酸连接而成的生物大分子，而每个核苷酸又由磷酸、核糖和碱基3部分组成。,2,图2-1 核苷酸的组成与结构。核苷的 5位和3位都可能与磷酸基团相连。,3,.,2.1 染色体（Chromosome),内容提要： 染色体概述 染色体与染色质 染色体的结构和组成（原核生物 、 真核生物） 核小体 原核生物和真核生物基因组结构特点比较,4,2.1 染色体,2.1.1染色体遗传物质的主要载体染色体在遗传上起着主要作用，因为亲代能够将自己的遗传物质以染色体（chromosome）的形式传给子代，保持了物种的稳定性和连续性。,5,In the first phase of mitosis the chromatin fibers condense into chromosomes.,6,.,Chromosomes consisting of two Identical chromatids,7,染色体包括DNA和蛋白两大部分。同一物种内每条染色体所带DNA的量是一定的，但不同染色体或不同物种之间变化很大，人X染色体有1.28亿个核苷酸对，而Y染色体只有0.19亿个核苷酸对。,8,人类22对 染色体及 性染色体 显微结构 图,9,2.1.1染色体概述,10,襻平均含40kb DNA，襻在基部被固定，襻的双链DNA被未知的各种碱性蛋白质压缩,(1)原核生物(prokaryote),E.coli 2.4109 Da，42000 Kb（1300微米）， 闭合环状，约编码2000个基因。 E.coli的类核由支架 (scafford）和向四周伸出的100个DNA环组成，支架的形状因染色体而异，长度为3-5m ，支架是含RNA和蛋白质的复合结构，四周的每个环就是一个独立的功能区， 长40Kb，13m。,11,Bacterial DNA is compacted in a structure called the nucleoid, which occupies a large fraction of the bacterial cells volume,12,拟核(nucleoid)是原核细胞含基因组的区域。DNA同蛋白质结合并没有被膜包住。 染色体（chromosome）是细胞在有丝分裂时遗传物质存在的特定形式，是间期细胞染色质结构紧密包装的结果。是基因组的一个分立单元并携带很多基因。 真核生物的染色体在细胞生活周期的大部分时间里都是以染色质的形式存在的。 染色质(chromatin)是一种纤维状结构，叫做染色质丝，它是由最基本的单位核小体(nucleosome)成串排列而成的。它是间期期间，细胞核DNA及与其连接的蛋白质的状态。,13,(2)染色体形态,14,2. 1. 2 真核细胞染色体的组成,作为遗传物质，染色体具有如下征： 分子结构相对稳定； 能够自我复制，使亲子代之间保 持连续性； 能够指导蛋白质的合成，从而控 制整个生命过程； 能够产生可遗传的变异。,15,16,.,17,.,18,.,Mitotic chromosome (有丝分裂期的染色体),19,.,20,.,2. 1. 2. 1 蛋白质,染色体蛋白主要分为组蛋白和非组蛋白两类。 真核细胞的染色体中，DNA与组蛋白的质量比约为1：1。DNA、组蛋白和非组蛋白及部分RNA（尚未完成转录而仍与模板DNA相连接的那些RNA，其含量不到DNA的10%）组成了染色体。,21,真核生物染色体的组成,22,组蛋白是染色体的结构蛋白，分H1、H2A、H2B、H3及H4五种，为与DNA共同组成核小体。 组蛋白含有大量的赖氨酸和精氨酸，其中H3、H4富含精氨酸，H1富含赖氨酸。H2A、H2B介于两者之间。,23,组蛋白的一般特性：, 进化上的极端保守性，牛与豌豆的H4相差2个氨基酸 无组织特异性：鸟/鱼例外，H5取代H1 肽链氨基酸分布的不对称性：氨基端（N）多的碱性氨基酸易于DNA的负电区结合，羧基端（C）与其他组蛋白、非组蛋白结合。 H5组蛋白的特殊性：富含赖氨酸（24%）可能与染色质失活有关。 组蛋白的可修饰性：甲基化、乙基化、磷酸化等，H3,H4修饰作用普遍,24,保守程度：H1 H2A、H2B H3 、H4,组蛋白,上海生化所分子遗传学试题： 在真核生物核内。五种组蛋白（H1 H2A H2B H3 和H4）在进化过程中，H4极为保守，H2A最不保守 （ - ）,25,在细胞周期特定时间可发生甲基化、乙酰化、磷酸化和ADP核糖基化等。H3、H4修饰作用较普遍，H2B有乙酰化作用、H1有磷酸化作用。,所有这些修饰作用都有一个共同的特点，即降低组蛋白所携带的正电荷。这些组蛋白修饰的意义：一是改变染色体的结构，直接影响转录活性；二是核小体表面发生改变，使其他调控蛋白易于和染色质相互接触，从而间接影响转录活性。,组蛋白的可修饰性,26,简述真核生物染色体上组蛋白的种类，组蛋白修饰的种类及其生物学意义 中国科学院2003年硕士研究生入学生物化学与分子生物学试题,27,(5)非组蛋白,非组蛋白约占组蛋白总量的60%-70% 包括酶类如RNA聚合酶、核孔复合蛋白及肌动蛋白等。可能是染色体的结构成分 高速泳动蛋白HMG：与DNA结合不牢固，可能与DNA的超螺旋结构有关。 DNA结合蛋白：与DNA结合紧密，可能是一些与DNA复制或转录有关的酶或调解物 A24非组蛋白，呈酸性，含有较多的谷氨酸和天冬氨酸。,28,(1) C值反常现象（C-value paradox)/C值矛盾 真核细胞基因组的最大特点是它含有大量的重复序列，而且功能DNA序列大多被不编码蛋白质的非功能DNA所隔开。 C值是一种生物的单倍体基因组DNA的总量。C值往往与种系的进化复杂程度不一致，即基因组大小与遗传复杂性之间没有必然的联系，某些较低等的生物C值却很大，如一些两栖动物的C值甚至比哺乳动物还大。这就是著名的“C值反常现象”。,2.1.2、真核生物基因组DNA,简述DNA的C值以及C值矛盾（C Value paradox）. 中科院上海生化所；上海第二军医大： C值矛盾,29,两栖类,同类生物不同种属之间DNA总量变化很大。从编码每类生物所需的DNA量的最低值看，生物细胞中的C值具有从低等生物到高等生物逐渐增加的趋势。,30, 1.不重复序列/单一序列：在基因组中有一个或几个拷贝。真核生物的大多数基因在单倍体中都是单拷贝的。不重复序列长约7502 000bp,如：蛋清蛋白、血红蛋白等。占40%-80%。功能：主要是编码蛋白质。 2.中度重复序列：在基因组中的拷贝数为101-104。 如：rRNA、tRNA。总DNA的10%40%，如小鼠中占20%，果蝇中占15%，各种rRNA、tRNA以及某些结构基因如组蛋白基因等都属于这一类。 一般是不编码蛋白质的序列，在调控基因表达中起重要作用。,根据 DNA复性动力学研究，DNA序列可以分成哪几种类型？并加以举例说明。(上海生化所）,真核细胞DNA序列可被分为3类：,31,图2-6 非洲爪蟾的rRNA基因结构示意图,在动物卵细胞形成过程中，rDNA可进行几千次不同比例的复制，产生2106个拷贝，使rDNA占卵细胞DNA的75%，从而使该细胞能积累1012个核糖体，以合成大量蛋白质供细胞分裂之需。,32, 3.高度重复序列：拷贝数达到几百个到几百万个。,只存在于真核生物中，占基因组的10%60%，由6100个碱基组成，在DNA链上串联重复高达数百万次。因为卫星DNA不转录，其功能不详。它们是异染色质的成份，可能与染色体的稳定性有关。,33,（三）核小体(nucleosome),Nucleosome、chromosome、genome 中科院2002年硕士学位研究生入学分子遗传学试题,1、定义：用于包装染色质的结构单位，是由DNA链缠绕一个组蛋白核构成的。,34,6.8:1,40:1,1000:1,8000:1,DNA double helix,Nucleosome (10 nm fiber),30 nm Fiber,Loops I,Loops II,chromosome,2、染色体的包装超螺旋结构,35, 基因组很小，大多只有一条染色体 结构简炼 存在转录单元(trnascriptional operon) 多顺反子(polycistron),X174 D-E-J-F-G-H mRNA 蛋白J、F、G H D E,E.coli 色氨酸操纵子 9个顺反子 9个酶,1、原核生物基因组结构特点,（四）原核生物和真核生物基因组结构特点比较,36, 有重叠基因（Sanger发现） 基因内基因 部分重叠基因 一个碱基重叠,上海第二军医大硕士研究生入学考试试题： 基因组的特点（真核、原核比较 ）,37,4、真核生物基因组结构特点,38,2.2 DNA的结构,1） 概念 指4种脱氧核苷酸的连接及其排列顺序， DNA序列是这一概念的简称。碱基序列,1、 DNA的一级结构,39,2）特征： 双链反向平行配对而成 脱氧核糖和磷酸交替连接，构成DNA骨架，碱基排在内侧 内侧碱基通过氢键互补形成碱基对（A：T，C：G）。,40,3）DNA结构的表示法,41,42,2、DNA 的二级结构,1）定义：指两条多核苷酸链反向平行盘绕所产生的双螺旋结构。,43,绕DNA双螺旋表面上出现的螺旋槽（沟），宽的沟称为大沟，窄沟称为小沟。大沟，小沟都、是由于碱基对堆积和糖-磷酸骨架扭转造成的。,44,A,B,Z,大沟宽,小沟窄,小沟窄,大沟变深,小沟宽深,大沟不存在,小沟窄而深,2）DNA二级机构分类：,右手螺旋：A-DNA，B-DNA 左手螺旋：Z-DNA,45,A,B,Z,46,DNA双链的变性和复性,1) DNA的变性和复性 变性（Denaturation) DNA双链的氢键断裂，最后完全变成单链的过程称为变性。 增色效应(Hyperchromatic effect) 在变性过程中，260nm紫外线吸收值先缓慢上升，当达到某一温度时骤然上升，称为增色效应。,47,融解温度（Melting temperature Tm ) 变性过程紫外线吸收值增加的中点称为融解温度。 生理条件下为85-95 影响因素：G+C含量，pH值，离子强度，尿素，甲酰胺等,48,49,复性（Renaturation) 热变性的DNA缓慢冷却，单链恢复成双链。 减色效应（Hypochromatic effect) 随着DNA的复性， 260nm紫外线吸收值降低的现象。,50,2.2.3 DNA的高级结构,1）定义：指DNA双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结构。是一种比双螺旋更高层次的空间构象。 2）超螺旋结构是DNA高级结构的主要形式，可分为正超螺旋与负超螺旋两大类，它们在特殊情况下可以相互转变。,51,使每圈的核苷酸数不等于10，出现双螺旋空间结构的改变，产生额外的张力。如果额外的张力不能释放，则导致DNA分子内部原子空间位置的重排，造成扭曲，即出现超螺旋结构。 在电场作用下，相同分子质量的超螺旋DNA比线性DNA迁移率大，线性DNA又比开环的DNA迁移率大。,52,拓扑异构酶 or溴化乙锭,拓扑异构酶 or溴化乙锭,DNA扭曲与双螺 旋相同（拧紧）,DNA扭曲与双螺旋相反（松开）,负超螺旋,松弛DNA,正超螺旋,53,2.3 DNA的复制,内容提要： DNA的半保留复制 与DNA复制有关的物质 DNA的复制过程（大肠杆菌为例） DNA复制的其它方式 真核生物中DNA的复制特点,54,2. 3 DNA的复制,生命的遗传实际上是染色体DNA自我复制的结果，而染色体DNA的自我复制主要是通过半保留复制(Semi-conservative)来实现的，是一个以亲代DNA分子为模板合成子代DNA链的过程。 由于DNA是遗传信息的载体，因此亲代DNA必须以自身分子为模板来合成新的分子准确地复制成两个拷贝，并分配到两个子代细胞中去，才能真正完成其遗传信息载体的使命。,55,由于DNA分子由两条多核苷酸链组成，两条链上的碱基G只能与C相配对，A只能与T相配对，所以，两条链是互补的，一条链上的核苷酸排列顺序决定了另一条链上的核苷酸排列顺序。,56,DNA的半保留复制 （semi-conservative replication）,DNA在复制过程中，每条链分别作为模板合成新链，产生互补的两条链。这样新形成的两个DNA分子与原来DNA分子的碱基顺序完全一样。因此，每个子代分子的一条链来自亲代DNA，另一条链则是新合成的，这种复制方式被称为DNA的半保留复制。,57,1、定义：由亲代DNA生成子代DNA时，每个新形成的子代DNA中，一条链来自亲代DNA，而另一条链则是新合成的，这种复制方式称半保留复制。,DNA的半保留复制（semi-conservative replication）,半保留 保守型 分散型,58,DNA的半保留复制 Semi-conservative mechanism,15N labeling experiment,1958年，Meselson 和Stahl研究了经 15N标记3个世代的大肠杆菌DNA, 首次证明了DNA的半保留复制。 DNA的半保留复制保证了 DNA在代谢上的稳定性，与 DNA的遗传功能相符合。,59,.,DNA的半不连续复制 （semidiscontinuous replication）,由于DNA双螺旋的两条链是反向平行的，因此在复制叉附近解开的DNA链一条是53方向，另一条是35方向，两个模板极性不同。而所有已知DNA聚合酶的合成方向都是53，两条链无法同时进行复制。为了解释DNA的等速复制现象，日本学者冈崎（Okazaki）等提出了DNA的半不连续复制模型。,前导链的连续复制和滞后链的不连续复制在生物界是有普遍性的，因而称之为DNA的半不连续复制。,60,Synthesis of Okazaki fragments requires priming, extension, removal of RNA, gap filling, and nick ligation,61,2. 3. 2 DNA复制的基本概念,复制时，双链DNA要解开成两股链分别进行，所以，复制起点呈叉子形式，被称为复制叉(Replication fork)。 DNA的复制是由固定的起始点开始的。一般把生物体的复制单位称为复制子 （replicon），一个复制子只含一个复制起点。,62,63,表2-9 部分生物复制子的比较,物种,细胞内复制子 数目（个）,平均长度/kb,复制子移动速度,(bpmin-1),大肠杆菌,1,4 200,50 000,酵母 果蝇 蟾蜍 蚕豆,500 3 500 15 000 35 000,40 40 200 300,？ 2 600 500 ？,64,细菌、病毒和线粒体的DNA分子都是作为单个复制子完成复制的； 真核生物基因组可以同时在多个复制起点上进行双向复制，也就是说它们的基因组包含有多个复制子。,65,中国科学院上海生化与细胞所2002年招收硕士研究生分子遗传学入学考试： 请设计一个实验来证明DNA复制是以半保留方式进行的（8分）。,66,2、实验证据（1958 Meselson 和Stahl）：,Matthew Messelson Franklin Stahl,67,68,3、DNA半保留复制的生物学意义：,DNA的半保留复制表明DNA在代谢上的稳定性，保证亲代的遗传信息稳定地传递给后代。,69,（二）与DNA复制有关的物质,1、原料：四种脱氧核苷三磷酸（dATP、dGTP、 dCTP、dTTP) 2、模板：以DNA的两条链为模板链，合成子代DNA 3、引物：DNA的合成需要一段RNA链作为引物 4、引物合成酶（引发酶）：此酶以DNA为模板合成一段RNA,这段RNA作为合成DNA的引物（Primer)。实质是以DNA为模板的RNA聚合酶。,70,5、 DNA聚合酶:以DNA为模板的DNA合成酶 以四种脱氧核苷酸三磷酸为底物 反应需要有模板的指导 反应需要有3-OH存在 DNA链的合成方向为5 3 ,71,主要是对DNA损伤的修复；以及在DNA复制时切除RNA引物并填补其留下的空隙。,修复紫外光引起的DNA损伤,DNA 复制的主要 聚合酶，还具有3-5 外切酶的校对功能，提高DNA复制的保真性,原核生物中的DNA聚合酶(大肠杆菌）,Klenow片段（Klenow fragment）：E.coli DNA聚合酶I经部分水解生成的C末端605个氨基酸残基片段。该片段保留了DNA聚合酶I的5-3聚合酶和3-5外切酶活性，但缺少完整酶的5-3外切酶活性。,72,DNA聚合酶是负责DNA复制主要的酶，参与先导链和滞后链的合成。 而DNA聚合酶的功能是补全去掉RNA引物后的缺口。,真核生物中的DNA聚合酶,73,6、DNA连接酶（1967年发现）：若双链DNA中一条链有切口，一端是3-OH，另一端是5-磷酸基，连接酶可催化这两端形成磷酸二酯键，而使切口连接。 但是它不能将两条游离的DNA单链连接起来 DNA连接酶在DNA复制、损伤修复、重组等过程中起重要作用。,74,7、DNA 拓扑异构酶(DNA Topisomerase)： 拓扑异构酶：使DNA一条链发生断裂和再连接，作用是松解负超螺旋。主要集中在活性转录区，同转录有关。 例：大肠杆菌中的蛋白 拓扑异构酶：该酶能暂时性地切断和重新连接双链DNA，作用是将负超螺旋引入DNA分子。同复制有关。 例：大肠杆菌中的DNA旋转酶,上海生化所分子遗传学试题：拓扑异构酶,75,8、DNA 解螺旋酶 /解链酶（DNA helicase) 通过水解ATP获得能量来解开双链DNA。 E.coli中的rep蛋白就是解螺旋酶，还有解螺旋酶I、II、III。,rep蛋白沿3 5移动，而解螺旋酶I、II、III沿5 3移动。,rep蛋白：原核生物DNA复制中的一种解旋酶，与前导链结合，延3-5方向移动。解开即将复制的一段双链DNA。,76,77,9、单链结合蛋白(SSBP-single-strand binding protein)：稳定已被解开的DNA单链，阻止复性和保护单链不被核酸酶降解。,78,（三）DNA的复制过程（大肠杆菌为例）,双链的解开 RNA引物的合成 DNA链的延伸 切除RNA引物，填补缺口，连接相邻的DNA片段,79,1、双链的解开,DNA的复制有特定的起始位点，叫做复制原点。 ori(或o）、富含A、T的区段。,基本概念：,上海生化所1998年分子遗传学试题： 真核生物复制起始点的特征包括（ ） A富含GC区 B富含AT区 C Z DNA D无明显特征,80,从复制原点到终点，组成一个复制单位，叫复制子,复制时，解链酶等先将DNA的一段双链解开，形成复制点，这个复制点的形状象一个叉子，故称为复制叉,81,复制方向和速度：,单起点、双向等速,多起点、双向等速,82,双链解开、复制起始,识别,解旋,83,大约20个DnaA蛋白在ATP的作用下与oriC处的4个9bp保守序列相结合,84,在HU蛋白和ATP的共同作用下,Dna复制起始复合物使3个13bp直接重复序列变性,形成开链,Hu蛋白是一种二聚体，相当于真核的H2B，能使DNA压缩 、盘绕成念珠状的结构，它还可以刺激DNA的复制,85,解链酶六体分别与单链DNA相结合(需DnaC帮助),进一步解开DNA双链,86,87,2、RNA引物的合成,DnaB蛋白活化引物合成酶，引发RNA引物的合成。 引物长度约为几个至10个核苷酸，,基因组DNA复制时，先导链的引物是DNA，后随链的引物是RNA (-) 2002年上海生化与细胞所,88,DNA的半不连续复制（semi-discontinuous replication),DNA复制时其中一条子链的合成是连续的，而另一条子链的合成是不连续的，故称半不连续复制。,在DNA复制时，合成方向与复制叉移动的方向一致并连续合成的链为前导链；合成方向与复制叉移动的方向相反，形成许多不连续的片段，最后再连成一条完整的DNA链为滞后链。,3、DNA链的延伸,89,在DNA复制过程中，前导链能连续合成，而滞后链只能是断续的合成53 的多个短片段，这些不连续的小片段称为冈崎片段。,90,91,92,引发体（primosome）：一种多蛋白复合体，E.coli中的引发体包括催化DNA滞后链不连续DNA合成所必需的，短的RNA引物合成的引发酶，解旋酶。,93,华中科技大学2004年生物化学与分子生物学 硕士研究生入学试题 名词解释 ：冈崎片段（3分）,武汉大学2003年硕士研究生入学分子生物学试题： Replicon、 semi-conservative replication,94,华中科技大学2004年生物化学与分子生物学硕士研究生入学试题 原核DNA合成酶中（ C ）的主要功能是合成前导链和冈崎片段 A、DNA聚合酶 B、DNA聚合酶 C、DNA聚合酶 D、引物酶,95,4、切除RNA引物，填补缺口，连接相邻的DNA片段 （复制终止）,在DNA聚合酶催化下切除RNA引物；留下的空隙由DNA聚合酶催化合成一段DNA填补上；在DNA连接酶作用下，连接相邻的DNA链,96,三.复制的终止,1.E.coli的复制终止 现已发现有两个终止区域（terE,D,A和ter C,B），位于相遇点的另一侧100Kb处。每一终止顺序对某一方向移动的复制叉来说是特异的。 ter顺序有一个23bp的区域，在体外可导致复制的终止，但其功能显示了一定的方向性。,97,终止需要tus(terminus utilization substance)基因的产物Tus(36kD)， Tus能识别ter保守顺序，并阻止复制叉继续前进。 ter-Tus复合物可能通过抑制解旋酶来实行终止,98,2.3.3 复制的几种主要方式,2.3.3.1 线性DNA双链的复制 2.3.3.2 环状DNA双链的复制,(1)型 (2) 滚环型(rolling circle) (3) D-环型(D-loop),99,图2-19 大肠杆菌质粒DNA双向复制的模式与实,验验证。上：形复制模式图；下：3H标记质粒,DNA合成图。,环状DNA双链的复制- 型,100,.,图2-20 环状DNA可以通过滚环式复制产生 多单元单链DNA,双链环状DNA,复制起始于某 一条DNA链上,新生DNA链延伸，,不断取代母链,复制一圈，产生,单位长度的线性,DNA链,若复制继续进行，,可产生多单元线,性DNA链,（1）模板链和新合成的链分开; （2）不需RNA引物，在正链3OH上延伸 （3）只有一个复制叉;,101,D环复制,D loop 是单向复制的特殊方 式。首先在动物线粒体中被 发现。一条短RNA与一条 DNA互补，取代了该区域原 来的互补的DNA链，使得两 条链的合成高度不对称，一 条链上迅速合成出互补链， 另一条链则为游离的单环。,102,（五）真核生物中DNA的复制特点,1.原核生物基因组DNA有1个复制子，真核生物有多个复制子。 2.原核生物比真核生物DNA复制速度快。 3.真核生物复制一旦启动，在完成本次复制前，不能在再启动新的复制，而原核复制起始位点可以连续开始新的复制，特别是快速繁殖的细胞。 4.原核生物引物由引物酶催化合成的，真核生物引物由DNA聚合酶催化合成的 5.原核生物与真核生物DNA聚合酶不同。真核生物的聚合酶没有5-3外切酶活性，需要一种叫FEN1的蛋白切除5端引物，原核的DNA聚合酶I具有5-3外切酶活性。 6.真核生物端粒DNA的合成由端粒酶催化合成的，原核生物不存在这种情况。 7.真核生物和原核生物的复制调控不同。,103,（六）DNA复制的调控,DNA链延伸的速度在同种生物的不同细胞中，几乎是恒定的，只是复制叉的数量不同。 迅速分裂的细胞具有较多的复制叉，而分裂缓慢的细胞复制叉较少并出现复制的间隙。复制起始频率的直接调控因子是蛋白质和RNA.,104,大肠杆菌染色体DNA的复制调控,复制起始不依赖于细胞分裂，而复制终止则能引发细胞分裂 复制子由起始物位点和复制起点组成 起始物位点编码复制调解蛋白，复制调解蛋白和复制起点相互作用起点相互作用启动复制 DNA复制的调控主要发生在起始阶段。大肠杆菌主要有OriC和OriH两种复制起点,大肠杆菌有两个起点，一个是正常起点OriC，位于基因图谱83分左右；另一个是非正常起点OriH，此点只在RNaseH缺乏的突变株上发现，二者起始机制是不同的。,105,真核细胞DNA的复制调控,细胞生活周期水平调控（限制点调控）：决定细胞停留在G1期还是进入S期（by Cyclins,Cdc(Cell Division Cycle)gene products）。 染色体水平调控：决定不同染色体或同一染色体不同部位的复制子按一定顺序在S期起始复制。 复制子水平调控：决定复制的起始与否，并且是高度保守的。,106,2. 5 DNA的修复,由于染色体DNA在生命过程中占有至高无上的地位，DNA复制的准确性以及DNA日常保养中的损伤修就着特别重要的意义。,107,四、DNA的修复,扼要说明细胞中DNA修复系统有哪几种（8分） 中国科学院2002年硕士学位研究生入学分子遗传学试题,108,1、错配修复,Dam甲基化酶使母链位于5GATC序列中腺甘酸甲基化 甲基化紧随在DNA复制之后进行 根据复制叉上DNA甲基化程度，切除尚未甲基化的子链上的错配碱基。 “保存母链，修正子链”的原则,109,MutS包围着含有纽节的错配DNA，接下来，MutL结合上来，MutH是一种内切核酸酶， MutS的ATP酶活性催化ATP的水解。MutH在DNA上接近错配的位置产生一个切口。紧接着，一个外切核酸酶消化切口链。向着错配方向移动。最后产生的单链的缺口由DNA聚合酶填补并消除错配。,110,Dam甲基化酶在复制叉上的甲基化,111,根据母链甲基化原则找出错配碱基的示意图,发现错配碱基,在水解ATP的作用下，MutS， MutL与碱基错配点的DNA双链结合,MutS-MutL在DNA双链上移动，发现甲基化DNA后由MutH切开非甲基化的子链,112,甲基化指导的错配修复示意图,错配碱基位于切口3下游端，则由核酸外切酶Vii和RecJ来切。,错配碱基位于切口5上游端，则由核酸外切酶I来切,113,114,2.1、碱基切除修复,一些碱基在自发或悠变下会发生脱酰胺，然后改变配对性质，造成氨基转换突变 腺嘌呤(A)变为次黄嘌呤(I)与胞嘧啶(C)配对 鸟嘌呤(G)变为黄嘌呤与胞嘧啶(C)配对 胞嘧啶(C)变为尿嘧啶(U)与腺嘌呤(A)配对,115,胞嘧啶去氨基生成尿嘧啶,116,如果复制发生就会产生一个突变,117,糖苷水解酶识别改变了的碱基，把碱基从N-糖苷键处切下来，在DNA链上形成去嘌呤或去嘧啶位点，统称为AP位点。,118,由AP磷酸内切酶将受损核甘酸的糖苷-磷酸键切开,并移去包括AP位点核苷酸在内的小片段DNA。,119,。 DNA连接酶连接,利用DNA聚合酶I合成新的片段，最终由DNA连接酶完成连接。,120,2.2、核苷酸切除修复,1）通过特异的核酸内切酶识别损伤部位 2）由酶的复合物在损伤的两边切除几个核苷酸 3） DNA 聚合酶以母链为模板复制合成新子链 4）DNA连接酶将切口补平,121,识别损伤部位,损伤的两边切除几个核苷酸,DNA 聚合酶以母链为模板复制合成新子链,DNA连接酶将切口补平,122,重组修复是DNA修复机制之一，即双链DNA中的一条链发生损伤，在DNA进行复制时，由于该损伤部位不能成为模板，不能合成互补的DNA链，所以产生缺口，而从原来DNA的对应部位切出相应的部分将缺口填满，从而产生完整无损的子代DNA的这种修复现象。,3 、重组修复,123,4 、DNA的直接修复,在DNA光解酶的作用下将环丁烷胸腺嘧啶二体和6-4光化物还原成为单体,甲基转移酶使O6-甲基鸟嘌呤脱甲基生成鸟嘌呤，防止G-T配对,生物体内还存在DNA损伤直接修复而并不需要切除碱基或核苷酸的机制。,124,五、 DNA的转座,（一）基本概念：,DNA的转座：由可移位因子介导的遗传物质重排现象。,转座子（transposon）：存在与染色体DNA上可自主复制和位移的基本单位。,所有转座于都有两个结构特征： 两端有20一40bp的反向重复序列(IR)；具有编码 转座酶(transposase)的基因，这种酶催化转座子插入新的位置。复合转座子除了转座过程必需的基因外还含有一到几个基因。,125,1983. Barbara McClintock,DNA transposable elememt,126,1983年，McClintock由于在50年代提出并发现了可移动遗传因子（jumping gene或称mobile element）而获得Nobel奖。,127,（二）转座子的类型和结构特征,原核生物转座子的类型：,1、插入序列(insertional sequence,IS),2、复合转座子(composite transposon),3、TnA家族,转座子（transposon，Tn）是存在于染色体DNA上可自主复制和位移的基本单位。,128,1、插入序列(IS),最简单的转座子不含有任何宿主基因而常被称为插入序列（insertional sequence，IS），它们是细菌染色体或质粒DNA的正常组成部分。一个细菌细胞常带有少于10个IS序列。,：IS1,细胞中自主转座子表达的转座酶会识别这些末端反向重复序列，从而帮助非自主转座因子发生移位。,129,常见的IS序列都是很小的DNA片段（约1kb），末端具有倒置重复序列，转座时常复制宿主靶位点415bp的DNA形成正向重复区 。 大部分IS序列只有一个开放读码框，翻译起点紧挨着第一个倒置重复区，终止点位于第二个倒置重复区或附近。 IS1含有两个分开的读码框，只有移码通读才能产生功能型转座酶。,1、插入序列(IS),130,131,.,复合式转座子（ composite transposon）是一类带有某些抗药性基因（或其他宿主基因）的转座子，其两翼往往是两个相同或高度同源的IS序列。 一旦形成复合转座子，IS序列就不能再单独移动，因为它们的功能被修饰了，只能作为复合体移动。,2、复合转座子(composite transposon),细菌中，携带的同转座功能无关的标记如耐药性的那些转座子，命名为Tn,后面再加上数字。,132,133,TnA家族,除了末端带有IS序列的复合转座子以外，还存在一些没有IS序列的、体积庞大的转座子（5 000bp以上）-TnA家族。 这类转座子带有3个基因，其中编码-内酰胺酶（AmpR），两个则是转座所必需的。所有TnA类转座子两翼都带有38bp的倒置重复序列。,134,2.6.2 真核生物中的转座子,玉米中的控制因子（controlling element）- 转座子 玉米中的控制因子分为两类，即自主性因子和非自主性因子。前者具有自主剪接和转座的功能；后者单独存在时是稳定的，不能转座，当基因组中存在与非自主性因子同家族的自主性因子时，它才具备转座功能。成为与自主性因子相同的转座子。 同一家族的自主性因子能为非自主性因子的转座提供反式作用蛋白（转座酶）。 研究发现：玉米转座子同样具有典型的IS特征在转座子的两翼有两个倒置重复序列，在靶DNA插入位点有两个短正向重复序列。,135,2.6.3 转座作用的机制,转座发生时，受体分子中有一段很短（312bp）、被称为靶序列的DNA会被复制，使插入的转座子位于两个重复的靶序列之间。,不同转座子的靶序列长度不同，但特定转座子所复制的靶序列长度是一样的。IS1两翼总有9个碱基对的靶序列，而Tn3两端总有5bp