DNA复制与修复.ppt

第十二章DNA的复制和修复 本章重点介绍遗传中心法则和DNA的半保留复制以及逆转录的过程和机理 对DNA的损伤和修复 突变和重组作一般介绍 返回 思考 DNA是绝大多数生物体遗传信息的载体 继1953年Watson Crick提出DNA双螺旋结构模型后 1958年 Crick提出了 中心法则 Centraldogma 揭示了遗传信息的传递规律 遗传信息传递的中心法则 生物的遗传信息以密码的形式储存在DNA分子上 表现为特定的核苷酸排列顺序 在细胞分裂的过程中 通过DNA复制把亲代细胞所含的遗传信息忠实地传递给两个子代细胞 在子代细胞的生长发育过程中 这些遗传信息通过转录传递给RNA 再由RNA通过翻译转变成相应的蛋白质多肽链上的氨基酸排列顺序 由蛋白质执行各种各样的生物学功能 使后代表现出与亲代相似的遗传特征 后来人们又发现 在宿主细胞中一些RNA病毒能以自己的RNA为模板复制出新的病毒RNA 还有一些RNA病毒能以其RNA为模板合成DNA 称为逆转录这是中心法则的补充 中心法则总结了生物体内遗传信息的流动规律 揭示遗传的分子基础 不仅使人们对细胞的生长 发育 遗传 变异等生命现象有了更深刻的认识 而且以这方面的理论和技术为基础发展了基因工程 给人类的生产和生活带来了深刻的革命 目录 第一节DNA的复制 DNA指导下的DNA合成 第二节DNA的损伤与修复第三节DNA突变第四节逆转录作用 RNA指导下的DNA的合成 第五节DNA的遗传重组 第一节DNA的半保留复制 一 概念和实验依据二 DNA聚合反应有关的酶类三 DNA的复制的起始点和方式四 原核细胞DNA的复制过程五 DNA复制的忠实性六 真核细胞DNA的复制 DNA的半保留复制的概念 DNA在复制时 两条链解开分别作为模板 在DNA聚合酶的催化下按碱基互补的原则合成两条与模板链互补的新链 以组成新的DNA分子 这样新形成的两个DNA分子与亲代DNA分子的碱基顺序完全一样 由于子代DNA分子中一条链来自亲代 另一条链是新合成的 这种复制方式称为半保留复制 DNA的半保留复制实验依据 1958年Meselson stahl用同位素示踪标记加密度梯度离心技术实验 证明了DNA是采取半保留的方式进行复制 15N DNA 14N 15N DNA 14N DNA 14N 15N DNA 复制中的大肠杆菌染色体放射自显影图 Caims实验 将3H 胸苷标记大肠杆菌DNA 经过近两代的时间 3H 胸苷掺入大肠杆菌DNA 用溶菌酶把细胞壁消化掉 使完整的大肠杆菌染色体DNA释放出来 放射自显影 得到上图 非复制部分 C 银粒子密度较低 由一股放射性链和一股非放射性链构成 已复制部分站整个染色体的三分之二 其中一条双链 B 仅有一股链是标记的 另外一股双链 A 的两股链都是标记的 银粒子密度为前二者的两倍 染色体全长约为1100微米 原核生物DNA聚合反应有关的酶类 1 DNA聚合酶 DNApolymetases 2 引物酶 peimase 和引发体 primosome 启动RNA引物链的合成 3 DNA连接酶 DNAligase 4 DNA解链酶 DNAhelicase 5 单链结合蛋白 single strandbindingprotein SSB 结合在解开的DNA单链上 防止重新形成双螺旋 6 拓扑异构酶 topoisomerase 兼具内切酶和连接酶活力 能迅速将DNA超螺旋或双螺旋紧张状态变成松驰状态 便于解链 DNA聚合酶催化的链延长反应 子链 3 5 模板链 大肠杆菌三种DNA聚合酶比较 DNA聚合酶 分子量每个细胞的分子统计数5 3 聚合酶作用3 5 核酸外切酶作用5 3 核酸外切酶作用转化率 DNA聚合酶 109 000400 1 120 000100 0 05 400 00010 20 50 比较项目 DNA聚合酶 切除引物修复 修复 复制 功能 1999年发现聚合酶 和 它们涉及DNA的错误倾向修复 erroounerepair DNA聚合酶的3 5 外切酶水解位点 3 3 5 5 错配碱基 DNA聚合酶5 3 外切酶活力 5 3 核酸外切酶水解位点 单链缺口 5 大肠杆菌DNA聚合酶 全酶的结构和功能 延长因子 DNA聚合酶 异二聚体 核心酶 校对 引物的结合和识别 促使核心酶二聚化 连接酶连接切口 Mg2 连接酶 A T C G P T T P P P A A C C T G A P A C P P P P OH T G G A T C G P T T P P P A A C C T G A P A C P P P T G G P 缺口 3 3 5 5 5 5 3 3 模板链 模板链 DNA的双向和单向复制 大肠杆菌复制起点成串排列的重复序列 原核细胞DNA的半不连续复制复制过程 复制叉的移动方向 3 5 3 5 复制的起始 DNA链的延长 DNA链终止 聚合酶III核心酶 大肠杆菌复制体结构示意图 聚合酶I 聚合酶III核心酶 滞后链 前导链 解螺旋酶 引物合成酶 RNA引物 引发体 拓扑异构酶II 夹子 聚体 夹子 复合物 RNA引物 单链结合蛋白 SSB 大肠杆菌染色体复制的终止 复制叉2 复制叉1 终止复制叉2 终止复制叉1 复制叉1 复制叉2 完成复制 DNA拓扑异构酶 连锁染色体 复制叉处前导链和随后链同时合成的工作模型 复制的忠实性 DNA复制过程是一个高度精确的过程 据估计 大肠杆菌DNA复制5 109碱基对仅出现一个误差 保证复制忠实性的原因主要有以下三点 DNA聚合酶的高度专一性 严格遵循碱基配对原则 但错配率为7 10 6 DNA聚合酶的校对功能 错配碱基被3 5 外切酶切除 起始时以RNA作为引物 DNA聚合酶的校对功能 DNA聚合酶的校对功能 聚合酶 错配硷基 复制方向 正确核苷酸 5 5 5 3 3 3 切除错配核苷酸 起始时以RNA作为引物的作用 DNA复制为什么要合成一个RNA引物 而后又把这个引物消除呢 这是保证DNA聚合过程高度精确的又一措施 已知DNA聚合酶具有3 5 外切酶功能校对复制过程中的核苷酸 也就是说聚合酶在开始形成一个新的磷酸二酯键前 总是检查前一个碱基是否正确 这就决定了它不能从头开始合成 因此先合成一条低忠实性的多核苷酸来开始DNA的合成 并以核糖核苷酸来表示是 暂时 的 当DNA开始聚合以后再以5 3 外切酶的功能切除 以高忠实性的脱氧核苷酸取而代之 确保复制的忠实性 真核细胞DNA复制的特点 多个起点复制 真核生物的DNA聚合酶 端粒 telemere 复制 真核生物的DNA聚合酶 端粒酶 telomerase DNA复制需要引物 但在线形DNA分子末端不可能通过正常的机制在引物被降解后合成相应的片段 如果没有特殊的机制合成末端序列 染色体就会在细胞传代中变得越来越短 这一难题是通过端粒酶的发现才得到了澄清 端粒酶是一种含RNA的蛋白复合物 实质上是一种逆转录酶 它能催化互补于RNA模板的DNA片段的合成 使复制以后的线形DNA分子的末端保持不变 初步研究表明 人体中生殖细胞的端粒长度保持不变 而体细胞的端粒长度则随个体的老化而逐步缩短 对此的一个推论是 人的生殖细胞具端粒酶的活力 体细胞则否 这一问题的解决无疑会有助于对生命衰老的认识 端粒酶 端粒合成的一种模型 整合和杂交 真核和原核DNA细胞复制比较 第二节DNA的损伤与修复 某些物理化学因子 如紫外线 电离辐射和化学诱变剂等 都有引起生物突变和致死的作用 其机理是作用于DNA 造成DNA结构和功能的破坏 称为DNA的损伤 DNA的修复主要有以下类型 暗修复 四 诱导修复 SOS修复 一 光裂合酶修复 二 切除修复 三 重组修复 DNA紫外线损伤的光裂合酶修复 1 形成嘧啶二聚体 2 光复合酶结合于损伤部位 3 酶被可见光激活 4 修复后酶被释放 DNA的损伤和切除修复 碱基丢失 碱基缺陷或错配 结构缺陷 切开 核酸内切酶 核酸外切酶 切除 DNA聚合酶 DNA连接酶 AP核酸内切酶 核酸外切酶 切开 切除 修复 连接 糖苷酶 插入酶 碱基取代 DNA的重组修复 胸腺嘧啶二聚体 复制 核酸酶及重组蛋白 修复复制 DNA聚合酶 DNA连接酶 重组 SOS反应的机制 未诱导的细胞 靶基因 lexA基因被LexA蛋白质部分阻遏 recA基因被LexA蛋白质部分阻遏 40个不同的位点被阻遏 LexA 阻遏物 RecA 辅蛋白酶 第三节DNA的突变 DNA分子中的核苷酸序列发生突然而稳定的改变 从而导致DNA的复制以及后来的转录和翻译产物随之发生变化 表现出异常的遗传特性 称为DNA的突变 它包括由于DNA损伤和错配得不到修复而引起的突变 以及由于不同DNA分子之间的交换而引起的遗传重组 二 诱变剂的作用 碱基类似物 baseanalog 碱基修饰剂 basemodifier 嵌入染料 intercalationdye 紫外线 ultraviolet 和电离辐射 ionizingradiation 一 突变的类型 碱基对的置换 substitution 移码突变 framesshiftmutation DNA突变的类型 野生型基因 碱基对的置换 substitution 移码突变 framesshiftmutation 第四节逆转录作用 一 概念 二 逆转录酶 三 病毒逆转录过程 四 逆转录的生物学意义 扩充了中心法则有助于对病毒致癌机制的了解与真核细胞分裂和胚胎发育有关逆转录酶是分子生物学重要工具酶 三种功能 逆转录过程中cDNA的合成 逆逆转录病毒的生活周期生活周期 RNA 衣壳 被膜 逆转录酶 转录 转译 整合入宿主细胞染色体DNA 进入细胞 丢失被膜 丢失衣壳 逆转录 RNA RNA cDNA 衣壳蛋白 被膜蛋白 逆转录酶 第五节DNA的遗传重组 DNA分子内或分子间发生遗传信息的重新组合 称为遗传重组 geneticrecombination 或者基因重排 generearrangement 重组产物称为重组体DNA recombinantDNA 重组的意义在于 它能