医用分子遗传学-真核生物复制

ORC OriginRecognitionComplex 5 真核生物复制的起始 Licensingmechanisms S期DNA合成 MCM 微染色体支持蛋白 二DNA链的延长 一 原核生物DNA链的延伸延伸反应 在RNA引物的OH端由DNA聚合酶III 按碱基互补规则延伸 前导链的延长 3 5 方向这条链做模板链的新链合成可以随着复制叉向前移动 连续合成 5 3 随从链的延长 5 3 方向这条链做模板链的新链合成则不能随着复制叉向前移动进行连续合成 只能分段合成一小段 这一小段新合成的DNA链称冈奇片段 每一段新合成的一小段中有RNA 由RNA酶水解 DNA聚合酶I补平 最后由连接酶连接 DNA链延长的要点 1 DNA聚合酶不能从头合成新链 只能在3 OH羟基端延长 复制起始时的3 OH羟基端是RNA 2 按照碱基互补原则合成新链 3 两条链同时复制 新链的延伸方向是5 3 一条链连续合成 称主导链 另一条链不连续合成 称随从链 后随链 4 复制以双向进行 复制正在进行的部位称复制叉 Replicationfork 复制叉从起始点沿着DNA移动 二 SV40的DNA延伸 1 前导链的延伸Pol 合成一段新链在RFC和PCNA协助下 Pol Pol 转换由Pol 完成全部前导链的合成2 后随链的延伸 复制的基本模式 型 细菌 滚环式 X174D型线粒体DNA Aprotein Phage编码滚环可形成多联体 线粒体DNA复制 裸露闭环双链状D型复制H链 富含GL链 富含CDNA聚合酶 三复制的终止 对于线性DNA复制例如 噬菌体等比较简单 复制到分子末端终止 对于环状的大肠杆菌DNA复制和真核生物的DNA复制就比较复杂 复制叉到达终止区 完成复制前 复制暂停 两个子代DNA缠绕在一起 需要分开 大肠杆菌 有复制起始点 也有复制终止点 细菌复制终止区含有多个约22bp的终止子 terminator 位点 E coli有7个终止子位点 Tus Terminusutilizationsubstance 线性DNA在复制完成后 其末端由于引物RNA的水解而可能出现缩短 需要在端粒酶 telomerase 的催化下 进行延长反应 端粒DNA 2009诺贝尔生理 医学奖 端粒和端粒酶发现大事记1939年 BarbaraMcClintock发现玉米细胞的染色体断裂末端容易融合1972年 JamesWatson提出染色体复制的末端隐缩问题1978年 报道四膜虫的端粒序列1982年 端粒的发现导致人工染色体的发明1984年 报道酵母的端粒序列1985年 报道四膜虫的端粒酶活性1989年 报道四膜虫端粒酶的RNA亚基1994年 报道酵母端粒酶的RNA亚基2019年 报道酵母端粒酶活性2019年 纯化了四膜虫端粒酶的催化亚基 遗传筛选到酵母端粒酶的催化亚基2019年 证明了四膜虫和酵母端粒酶的催化亚基 端粒酶 telomerase 依赖RNA的DNA聚合酶 其实质是一种逆转录酶 能识别特定的端粒重复序列 以自身RNA的部分序列 5 CUAACCCUAAC 3 为模板 合成新的端粒重复序列 使端粒延长 保持染色体的完整不需要DNA模板已知的恶性肿瘤特异性最强的标志 永生细胞生殖细胞 造血干细胞 ips等非肿瘤细胞端粒的缩短与衰老 端粒酶以自身的RNA为模板 在3 端合成DNA序列 RNA引物 端粒酶的爬行模型 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 逆向转录 ReverseTranscription 上世纪之初发现肿瘤RNA病毒 64年 Temin报道了抑制DNA合成的放线菌素D能抑制鸡肉瘤RNA病毒的繁殖 据此提出鸡肉瘤RNA病毒的繁殖须经过形成DNA的阶段 70年Temin和Baltimore两个实验室同时从 鸡 劳氏肉瘤病毒和小白鼠白血病病毒等致病RNA病毒中发现 在逆转录病毒病毒颗粒中存在着一种以RNA为模板合成DNA的酶 称为RNA指导的DNA聚合酶 遗传信息从RNA流向DNA 即以RNA为模板合成DNA称为逆向转录 因此催化这一反应的酶又称逆转录酶 逆向转录酶 由逆转录病毒基因组中pol基因编码 是一种多功能酶 有以RNA为模板和以DNA为模板合成DNA的DNA聚合酶活性 需要RNA或DNA做引物 有核糖核酸酶H的活性 在逆转录酶的C端 能从3 5 和从5 3 水解RNA 使RNA与DNA的杂交体分离 逆向转录过程 三逆向转录酶的生物学意义 1用于合成cDNA 建立cDNA文库 cDNALibrary 获得基因或探针 2与PCR连用RT PCR 互补DNA complementaryDNA cDNA 第四节DNA复制的调控 DNA复制是细胞增殖的一个关键事件 因此 DNA复制与细胞分裂是互相协调 互相调控的 无论原核还是真核细胞中DNA复制都只发生在细胞周期中特定时期 在一个细胞周期中 DNA必须也只能复制一次 一大肠杆菌复制的调节 1 起始体 orisome 起始复合物 蛋白质 oriC复合物 的装配参与形成orisome的组分 DnaA Hu IHF Fis Dpi IciA Cnu Hha Rob SeqA ArcA相互作用 Fis IHF调节DnaA ATP与oriC的结合 HU调节DnaA IHF结合到oriC 并增强DnaA解链能力 2 防止复制再次起始 1 DnaA活性的抑制DnaA ADPDnaA ATP无活性RIDA有活性 RIDA regulatoryinactivationofDnaA oriC 2 降低游离形式的DnaA水平 DnaA结合位点datA区 在复制后极短时间内降低DnaA水平 可以结合300分子的DnaA 3 隔离oriC oriC GATC CTAG 甲基化 未甲基化 摸板链 新合成链 SeqA特异识别 并结合于半甲基化oriC的GATC序列 使oriC被隔离 防止复制再次发生 二真核生物复制起始调控 1 DNA复制起始的调控2 细胞周期监控点机制 主要调控复制的起始 一 DNA复制起始的调节 1 复制起始点的选择复制起始点数量的调控真核细胞有多个复制起始点 起用多少起始点决定于S期的长短 S期短 起始点多 S期长 起始点少 遗传性起始点 DNA上的起始元件功能性起始点 实际起始点遗传性起始点多于功能性起始点 酵母 自主复制序列 autonomouslyreplicatingsequeences ARS 酵母细胞3号染色体上有14个遗传性复制起始点 只有6个功能性复制起始点 将Ura4基因处的强复制起始点突变后 在其附近的弱复制起始点就成为强复制起始点 Ura4 乳清苷酸脱羧酶 高等真核生物细胞至今未发现遗传性复制起始点的序列特征 但确实存在功能性的复制起始点 CHO细胞核蟾蜍卵细胞抽提物损坏CHO细胞核或裸露DNA非随机起始 同正常随机起始CHO细胞复制起始点的选择与细胞核或染色体结构密切相关 2 复制起始调控机制 1 复制的允许机制 Licensingmodel 2 蛋白激酶的调控 1 复制的允许机制 Licensingmodel 一个细胞周期中DNA复制发生一次且只能发生一次 蟾蜍卵细胞Licensingcontrol复制 外源细胞核 复制后 LicensingFactor失活 失活的LicensingFactor不能再次启动复制 核膜破裂后 细胞分裂后 新的LicensingFactor进入核 启动下一周期的DNA复制 2 蛋白激酶的调控 真核细胞复制起始绝对必须的蛋白激酶 CDK和Cdc7 Dbf4激酶 1 前复制起始复合物的形成组成成分 ORC OriginRecognitionComplex 含6种蛋白质 Cdc6 RLF ReplicationLicensingFactor 复制允许因子 2 CDK激活前复制起始复合物复制前复合物受蛋白激酶的调控 或变成起始复合物 起始复制 或在复制过程中转变成复制后复合物 就再也不能启动复制 CDK CyclinDependent Cdc7 Dbf4激酶 蛋白激酶A 蛋白磷酸酶2A 都参与复制的起始 在不同阶段起作用 前复制起始复合物 pre replicativecomplex pre RC 在遗传性复制起始点装配 CDK起始复合物 ReplicativeComplex RC 在功能性复制起始点形成 在G1期向S期过渡期间 CDK活性很高 CDK同时又是防止在同一细胞周期中DNA复制再次发生的因素 阻止复制起始复合物的组装 CDK对某些起始因子磷酸化 调控其在细胞内水平 二 复制检查点机制 识别DNA损伤或DNA复制阻断 通过复杂的信号转导途径 阻断细胞周期 启动修复机制 恢复基因组的完整性 修复后再进入细胞周期 在长期进化过程中 细胞形成一套保证细胞周期中DNA复制和染色体分配质量的检查机制 即细胞周期检查点 检查点 1 G1S期检查点查看DNA有无损伤DNAdamagecheckpoint细胞周期暂时减慢或停止 查看DNA复制的进度DNAreplicationcheckpoint限制DNA复制速度 2 G2M管理染色体的正确分配Spindleassemblycheckpoint 第五节DNA损伤与修复 DNA损伤类型和产生原因点突变DNA聚合酶复制错误产生 碱基自发的突变 甲基化分析 缺失或插入核苷酸的缺失或插入碱基的缺失 化学修饰氧化 甲基化 烷化 DNA分子交联顺铂 丝裂酶素 DNA分子断裂DNA单链断裂DNA双链断裂 射线 重金属 病毒整合 DNA重排 DNA损伤的修复 核苷酸修复dGTP氧化产生8 氧代dGTP8oxodG8 氧代dGTP三磷酸脂酶水解该酶突变 A T C G突变高100 10000倍 dGTP 直接修复O6 甲基鸟嘌呤 DNA甲基转移酶 MGMT 光修复 3 碱基切除修复 DNA转葡糖基酶 4 核苷酸切除修复 5 错配修复 DNA链断裂的修复非同源末端连接non homologousend joining 同源重组修复homologousrecombination 7 大肠杆菌SOS修复 LexA RecA 修复完成后 DinI蛋白抑制RecA作用 Yeasttwohybrid DNA损伤修复的调控机制 1 G1期checkpoint 确保DNA损伤不被复制 这一阶段 DNA损伤激活蛋白激酶ATM ATR和c ABL 导致P53的磷酸化 并进一步上调P21WAF1表达水平 P21可以结合cyclin CDK从而调节细胞周期 同时DNA损伤诱导Cdc25A的泛素化和降解 从而阻止细胞周期进行 2 S期checkpoint 主要是当DNA损伤在G1期没有能够进行修复时防止DNA复制 3 G2期checkpoint 主要功能是当细胞在S期晚期或者G2期DNA受到损伤时 阻止细胞分离 从而防止DNA损伤传递到子代细胞中 4 M期checkpoint 细胞在M期染色质将发生固缩形成纺锤体结构 在后期姐妹染色体发生分离 当染色体受到损伤时 细胞停滞在M期 染色体重新恢复到染色质 从而使细胞有机会对DNA损伤进行修复后再进入M期 DNA损伤与细胞凋亡 DNA损伤 外源性因素 UV 射线 化学试剂等内源性因素 线粒体呼吸链产生活性氧reactiveoxygenspecies ROS NO50000个损伤 天 细胞 DNA损伤修复与疾病 细胞的保护机制 小分子如谷胱甘肽清除自由基超氧化物歧化酶 SOD 清除羟基自由基等缺失导致肿瘤发生 遗传基因的突变 造成出生缺陷肿瘤影响细胞代谢 衰老DNA损伤修复缺陷 胚胎致死或严重疾病 一些免疫抑制剂如环孢霉素A cyclosporinA 硫唑嘌呤 azathioprine 能插入到DNA链中 使得DNA对UV的敏感性增强 更容易导致DNA损伤 同时影响DNA损伤的核苷酸切除修复 环孢霉素A还能抑制细胞凋亡 促进肿瘤细胞生长 更增加了UV引起突变并致癌的风险 Fair skinnedpeople DNA氧化损伤和肿瘤 MEF细胞体外培养的转化 DNA氧化损伤NIH3T3成纤维细胞过表达NADPH氧化酶增加细胞内过氧化物等产生 将促进细胞转化过氧化物攻击DNA 合成前体 着色性干皮病 xerodermapigmentosum 隐性遗传性疾病核苷酸切除修复相