染色体结构与DNA复制.ppt

第三部分分子生物学,第十章染色体结构与DNA复制,1、本章简介2、掌握内容讲述3、要点回顾4、本章习题,第十章染色体结构与DNA复制,本章介绍了原核/真核生物染色体的结构、生物体内DNA的复制过程、DNA的突变、损伤与修复、重组。重点掌握DNA复制的过程与机制。,第十章染色体结构与DNA复制,10.1原核生物染色体结构10.2染色质结构10.3真核生物染色体结构10.4DNA复制一、半保留半不连续复制机制二、DNA聚合酶三、DNA突变、损伤与修复四、重组,第十章染色体结构与DNA复制,所有细菌的主要基因都位于单一的环状双链染色体DNA上，染色体DNA编码着10005000个蛋白质大肠杆菌染色体结构染色体环中蛋白质与DNA结合，对DNA起着保护、固定和压缩的作用细菌还可能含有质粒,组蛋白与DNA的结合,真核生物染色体DNA组装的不同层次的结构,DNA,核小体链,纤丝,突环,玫瑰花结,螺旋圈,染色体,遗传信息传递的中心法则,遗传信息流即由DNA复制把亲代的遗传信息忠实地传递给子代。在子代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。基因表达是指DNA经过转录产生RNA，RNA经过翻译产生蛋白质。,1、DNA的半保留复制2、DNA复制的起点与方向3、DNA的半不连续复制4、DNA复制的分子基础5、DNA复制的过程6、DNA复制的忠实性7、真核生物复制（端粒酶）,DNA的复制,DNA的半保留复制,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。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复制的起始、方向（53),复制叉,复制叉,未复制DNA,单向复制,双向复制,真核细胞DNA多个起点复制（53),复制起始点、复制子与复制叉（动画演示）,以35方向的亲代DNA链作模板的子代链在复制时基本上是连续进行的，其子代链的聚合方向为53，这一条链被称为前导链(leadingstrand)。以53方向的亲代DNA链为模板的子代链在复制时则是不连续的，其链的聚合方向也是53，这条链被称为后随/滞后链(laggingstrand)。前导链连续复制而后随链不连续复制，就是复制的半不连续性。,DNA的半不连续复制,两条子链的合成方向都是53,由于亲代DNA双链在复制时是逐步解开的，因此，后随链的合成也是一段一段的。DNA在复制时，由后随链所形成的一些子代DNA短片段称为冈崎片段(Okazakifragment)。冈崎片段的大小，在原核生物中约为10002000个核苷酸，而在真核生物中约为100个核苷酸。,DNA的半不连续复制,前导链(leadingstrand),后随/滞后链(laggingstrand),DNA的半不连续复制,冈崎片段(okazakifragment),DNA复制的分子基础,1.底物dNTP(dATP,dGTP,dCTP,dTTP)2.有关的酶拓扑异构酶、解链酶、引物酶、聚合酶（DNA聚合酶I、II、III）、DNA连接酶3.模板单链的DNA母链4.引物寡核苷酸引物（RNA)5.其他蛋白质因子单链结合蛋白（SSB维持模板处于单链状态，保护单链的完整）,DNA拓扑异构酶(解旋酶）既能水解，又能打断碱基互补配对的氢键在引发体前引入负超螺旋,以抵消复制过程产生的正螺旋打开超螺旋DNA解链酶解开双螺旋引物酶是RNA聚合酶，合成一段RNA引物解链酶、引物酶形成移动的引发体,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,DNA聚合酶（复合物）,109，000400+1,120，000100+-0.05,400，00010-20+-50,比较项目,DNA聚合酶的活性,5至3的聚合活性53方向链的延伸核酸外切酶活性53外切酶活性切除引物35外切酶活性校对功能,参与DNA复制的DNA聚合酶，必须以一段具有3端自由羟基（3-OH）的RNA作为引物(primer)，才能开始聚合子代DNA链。RNA引物的大小，在原核生物中通常为50100个核苷酸，而在真核生物中约为10个核苷酸。RNA引物的碱基顺序，与其模板DNA的碱基顺序相配对。,需要引物,5至3的聚合活性（53）,DNA-pol的核酸外切酶活性和及时校读,A：DNA-pol的外切酶活性35切除错配碱基；并用其聚合酶活性53掺入正确配对的底物B：碱基配对正确，DNA-pol不表现外切酶活性。,35外切酶活性校对功能,连接酶连接缺口,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,3,5磷酸二酯键,DNA的复制过程,（一）复制的起始,（二）复制的延伸,（三）复制的终止,起始的过程,打开DNA超螺链,打开双螺旋,防止复螺旋,单链结合蛋白,解链酶,引发体引物复合体,引物酶,拓扑异构酶,合成,DNA复制起始过程,拓扑异构酶,解链酶,单链结合蛋白,DNA聚合酶,引物酶及引发体,DNA连接酶,引物,DNA双链,拓扑异构酶,解链酶,单链结合蛋白,DNA聚合酶,引物酶及引发体,DNA连接酶,引物,DNA复制起始的过程,拓扑异构酶与DNA双链结合，松弛超螺旋。,拓扑异构酶,解链酶,单链结合蛋白,DNA聚合酶,引物酶及引发体,DNA连接酶,引物,DNA复制起始过程,解链酶解开DNA双螺旋,拓扑异构酶,解链酶,单链结合蛋白,DNA聚合酶,引物酶及引发体,DNA连接酶,引物,单链结合蛋白防止复螺旋,DNA复制起始的过程,拓扑异构酶,解链酶,单链结合蛋白,DNA聚合酶,引物酶及引发体,DNA连接酶,引物(RNA),DNA复制起始过程,引物酶合成引物,(二)DNA复制的延伸DNA聚合酶,1.DNA聚合酶把新生链的第一个脱氧核苷酸加到引物的3OH上，开始新生链的合成过程,引物,组成DNA的脱氧核糖核苷酸一个个连接起来,3,5-磷酸二酯键,引物,引物,引物,引物,引物,引物,引物,引物,DNA模板链,DNA新链,引物,2.半不连续复制与冈崎片段,前导链,滞后链,冈崎片段,5,3,2.半不连续复制与冈崎片段,前导链、后随链/滞后链、半不连续复制、冈崎片段。,DNA聚合酶,DNA聚合酶,(三)复制的终止,遇到终止子停止复制DNA聚合酶利用53外切酶活性水解引物DNA聚合酶聚合活性填补缺口DNA连接酶连接缺口。,3,3,3,3,3,3,3,3,5,5,5,5,5,5,5,5,5,原核细胞DNA的半不连续、半保留复制过程,复制叉的移动方向,拓扑异构酶,解链酶,DNA聚合酶I,3,5,3,5,复制的起始、方向,DNA链的合成与延长,DNA链合成的终止,DNA聚合酶,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109-1010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四点:,a、DNA聚合酶的高度专一性（严格遵循碱基配对原则）,b、DNA聚合酶的校对功能（错配碱基被3-5外切酶切除）,c、起始时以RNA作为引物,d、DNA的损伤修复系统,DNA的突变、损伤与修复,（一）DNA的突变,（二）DNA的损伤与修复,DNA碱基在物理或化学因素影响下发生结构变化，绝大部分可被DNA修复纠正，如果没有被纠正而变成可遗传的永久的改变基因突变最简单的突变是点突变（单独一个碱基的突变），可分为转换和颠换点突变如果发生在DNA的非编码区或密码子的第3个碱基，一般不会改变其编码的蛋白质沉默突变,点突变改变了Pr的AA错义突变，对Pr功能的影响可小可大甚至致死，这取决于Pr的重要性点突变如使一个密码子变成了终止子，结果基因产物是变短的Pr无义突变插入或缺失一个或多个碱基引起移码突变，所翻译的Pr从突变点到C末端序列发生改变与调节、生长、分裂、死亡相关基因的突变可能诱发癌症；沉默突变、非致死突变的积累产生遗传多态性，即“正常”DNA-Pr序列可接受的突变,DNA突变的类型,野生型基因,碱基对的置换(substitution),移码突变(framesshiftmutation),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,（4）诱导修复（SOS修复）,（1）DNA光解酶修复,（2）切除修复,（3）错配修复,光修复紫外光照射可使相邻的两个T形成二聚体光复活酶可使二聚体解聚为单体状态，DNA完全恢复正常。光修复酶的激活需300-600m波长的光。,1、形成嘧啶二聚体,2、光解酶结合于损伤部位,3、酶被可见光激活,4、修复后酶被释放,DNA紫外线损伤的光解酶修复（高等哺乳动物没有）,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位点核酸内切酶,核酸外切酶,切开,切除,修复,连接,糖基化酶,插入酶,碱基取代,识别错误碱基并切断糖苷键,DNA重组,（一）重组,（二）特异位点重组,（三）转座,（二）反转录病毒,DNA重组,重组:两条双链DNA分子之间发生部分区域交换，是导致基因组大规模变化、生物进化的重要过程。可分为同源重组、特异位点重组、转座同源重组发生在真核生物减数分裂，需要同源染色体在较长区域内具有序列相同或相似特异位点重组只要求短区域内有相同序列转座重组需要转座子,转座,转座子/可转座元件:一些较短的DNA序列，可以插入细胞基因组的任何位置。不需要序列同源也不需要特异位点转座酶是内切核酸酶，在染色体DNA上切个交错切口即黏性末