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1、第四章DNA的复制第四章 DNA 复制(DNA Replication) 1主要内容1)DNA复制概览2)细菌DNA复制3)真核DNA复制DNA的复制特点DNA复制的酶系统2 教学要求1)掌握原核生物和真核生物2)熟悉原核生物和真核生物 第一节DNA复制概述第二节DNA复制的酶学 第三节原核生物DNA复制 第四节真核生物DNA复制 第一节 DNA 复制概述 (DNA Replication: An Overview)一、基本概念二、DNA的半保留复制三、复制起点、方式和方向四、DNA复制的半不连续性一、基本概念复制子(Replicon,复制单位或复制元):DNA中含有一定复制起点和复制终点的复

2、制单位。1.3万一90万不等A unit of the genome in which DNA contain a regi on from origi n to termi nator复制体(Replisome):复制叉处的许多酶和蛋白组成的复合体,协同动作合成DNA。:The multi :- protein (30 ) ructure that assembles at replicating fork to undertake synthesis of DNA二、DNA的半保留复制(Semi-C on servatio n Replicati on)CsCl (Cesium chlor

3、ide) density gradient ultracentrifugation( CsCl 密度梯度超离心)Labeled E.Coli DNA with 15N14N :-三、复制起点、方向和方式?All prokaryotic chromosomes and many bacteriophage and viral DNA molecules are circles and comprise sin gle replicati ons.(单复制子)1、复制起点(origin,ori或O,复制原点)复制开始处DNA分子的特定位置原核生物(Prokaryote):单复制起点,即整个染色体只

4、有一个复制单位真核生物(Eukaryote):多复制起点,即一个genome中有多个复制单位2、复制方向(复制过程的顺序性)复制叉(Replication fork):染色体中参与复制的活性区域,即复制正在发生的位点复制眼(replication eye):电子显微镜下观察正在复制的DNA,复制的区域形如一只眼睛真核生物的多复制子多个复制眼(1)单双向复制取决于起点处有一个还是两个复制叉(2)复制的多模式单起点、单方向(原核)多起点、单方向(真核)单起点、双方向(原核)多起点、双方向(真核)3、复制方式(1) 从新起始(de novo ini tiation )或复制叉式(replicatio

5、 n fork )(2) 置换式(Displacement form )又称 D环复制(3) 共价延伸方式( covale nee elon gati on )或滚环式复制( rolli ng circle replicati on )DNA复制方式(1) 从新起始(de novo initiation)或复制叉式(replication fork )或 0 复制A replicati on eye forms a theta structure in circular DNA. :(2) 置换式 Displacementform,又称 D 环复制线粒体和叶绿体 DNA的复制方式(3) 共价延

6、伸方式( covale nee elon gati on )或滚环式复制( rolli ng circle replicati on )由于复制时产生的滚环结构形状象d,又称6复制病毒、细菌因子四、DNA复制的半不连续性(Semi-Disc on ti nu ous Replicatio n)复制方向的问题:冈崎片段(Okazaki fragment )1968 年冈崎(Reiji Okazaki )设计了两组 实验,其一是 脉冲标 记实验(pilse labeling experime nt )。冈崎利用T4噬菌体侵染E.cili(t-)菌株,并分别用dTTP(3H-T)进行2, 7 ,15

7、 ,30 的脉冲标记12分离提取T4噬菌体DNA,变性后,进行 Cscl密度梯度离心,以检测具放射性的沉降片断,判断片断大小。结果表明经不同标记时间的,被3H-T标记的新合成的DNA片段几乎都为10-20S,即均为1000-2000 核苷酸大小(图 3-)。第二组实验是脉冲追踪实验(pulse chase experiment ),为了研究在脉冲标记实验中所发现的10 20s的小片段在复制全过程中的发展结局,冈崎将实验菌株先进行同位素标记培养30秒,然后转入正常培养基继续培养数分钟,分离DNA进行密度梯度离心,发现小片段已被连接成为70 120S的大片段。为此将 DNA的这种复制方式称为不连续

8、复制模式,将最初合成的10 20s片段称为冈崎片段(图 3 ) o如果两条极性单链的DNA复制均按这种不连续的模式进行,后随链的合成可以在模板单链暴露到1000 2000核苷酸长度后,开始从5t 3合成冈崎片段,而先导链的合成从进化的原则讲,大可不必按冈崎片段的模式不断地启动小片段的合成,既耗时又费能。换言之,DNA的复制应该是按一种半不连续的方式进行,即先导链以连续复制的方式完成子代DNA的合成,而后随链以不连续复制的方式完成冈崎片段的合成。但在Okazaki的脉冲标记实验结果中,被标记的DNA全部为小片段。其实在E.coli的细胞内存在 dUTP和dTTP两种类似物,其比例大约为1 : 3

9、00,而DNA聚合酶III 又不能区分这两者,一旦将dUMP聚合到DNA分子中,必然会导致生物的基因表达与进化过程中的潜在危险,实际上 E.coli依靠了两种机制阻止了dUMP掺入到DNA分子的过程。由 dut基因编码的dUTP酶(dUTPase )能有效地将 dUTP , dUDP分解为dUMP,从而避免了 dUMP作为底物而 掺入到DNA分子中。即使 dUTPase能将绝大部分的 dUTP降解,但仍有约 1 / 1200的几率dUTP 分子的逃逸,细胞内的ung基因编码的尿嘧啶一 N 糖苷酶(ungase )可以迅速地将已经掺入到DNA分子中的dUMP切除,形成一个无嘌呤或嘧啶的Ap位点(

10、apurinic或apyrimidinic ),再由Ap内切酶进一步将 Ap位点酶解成缺口,以与其对应的亲代链为模板重新聚合和连接,完成切补修复过程显然在先导链合成的初期过程中,约1200个核苷酸就有一个dUMP被切除的可能,在 Ap内切酶未完全作用前提取DNA并进行变性分析,就会得到与冈崎片段相似大小的1000 2000核苷酸的片段,这种片段也被称为dUMP片段,Okazaki对dut 和ung 两种突变体的研究结果证实。在dut突变体的脉冲标记实验中,由于dUMP掺入的几率增加,冈崎片段变短。而在ung突变体的脉冲标记实验中,由于已掺入的 dUMP被切除的几率降低,冈崎片段变长。冈崎选用连

11、接酶突变体(lig-)进行的脉冲追踪实验中,先导链的dUMP片段均不能被连接成大片段,(图3 )o进一步证明了在脉冲标记实验中后随链的冈崎片段与先导链的dUMP片段均以相似大小表现在其研究结果中。1978年Olivera据此提出了 DNA复制的半不连续模式。第二节 DNA 复制的酶学(Enzymologyof DNA Replication)复制是在酶催化下的核苷酸聚合过程,需要多种高分子物质共同参与DNA复制的体系底物:dNTP(dATP dGTP dCTP dTTP)聚合酶(polymerase): DNA-pol 依赖 DNA 的 DNA 聚合酶(DDDP)模板(template):解开

12、成单链的 DNA母链引物(primer):寡核苷酸片段,提供3-OH末端,使dNTP聚合其它酶和蛋白质因子:解链酶,解旋酶,单链结合蛋白,连接酶一、DNA聚合酶二、DNA 连接酶(DNA Ligase)三、与DNA几何学性质相关的酶一、DNA聚合酶催化dNTP聚合到核酸链上的酶。是DNA复制的主要酶。全称叫依赖DNA的DNA聚合酶(DNA dependentDNA polymerase )或 DNA 指导的 DNA 聚合酶(DNA-directedDNA polymerase ),均缩写为 DDDP。(一) DNA聚合酶催化的反应5宀3的聚合活性5宀3外切酶活性3宀5外切酶活性1、5至3的聚合

13、活性催化四种dNTP以磷酸二酯键一个一个地接到DNA链上去(dNMP)n + dNTP 宀(dNMP)n+1 + PPi聚合反应的特点:(1) 以单链DNA为模板(2) 以dNTP为原料(3) 弓I物或DNA链提供3-OH(4) 聚合方向为5宀32、3 5外切核酸酶活性校对功能(proofreading)3、5 3外切核酸酶活性(二) 原核生物的DNA聚合酶(E.coli )1957 Arthur Kornberg 首次发现In fact, there are 5 polymerases to date, although we will focus only on- 3DNA pol IDN

14、A pol n DNA pol 川、1. DNA Polymerase I2. DNA Polymerase n和 川DNA pol n: 5、t 3、聚合酶活性及3 t 5外切核酸酶活性。DNA pol川:k由10个亚基组成,分别为 a 、B、t & S B、k及。是原核生物体内真正起 复制作用的酶。-a亚基:5 t 3聚合酶活性-&亚基:3 t 5外切酶,校对和编辑-0亚基为装配所必须亚基决定了 Pol : - III全酶的持续合成能力3. 三种大肠杆菌 DNA聚合酶特性之比较三种大肠杆菌DNA聚合酶的主要功能DNApol I -主要功能是切除引物,填补冈崎片段产生的空隙及DNA损伤的修复

15、。:DNApol :- n -是主要的修复酶DNApol :- m -是主要的复制酶三种DNA聚合酶在决定 DNA合成方面的共同特性 三种酶都只有5 聚合酶的功能,而没有3T聚合酶功能,说明 DNA链的延伸只能从 5向3端进行。 他们都没有直接起始合成DNA的能力,只能在引物存在下进行链的延伸,因此,DNA的合成必须有引物引导才能进行。 三种酶都有核酸外切酶的功能,可对合成过程中发生的错误进行校正,而保证DNA复制的高度准确性。为什么子链DNA延伸方向只能是5 t3二、DNA 连接酶(DNA Ligase )催化单链DNA切口上5-P和3-0H形成磷酸二酯键三、与DNA几何学性质相关的酶(一)

16、 解螺旋酶(helicase)模板对复制的指导作用在于碱基的准确配对,而碱基却埋在双螺旋的内部。只有把DNA解开成单链,它才能起模板作用。解螺旋酶是最早发现的与复制有关的蛋白质,当时称为rep蛋白。作用是利用ATP供能,解开DNA双链。复制相关蛋白的基因:dna A、dna B、dna Cdna X相应的表达产物蛋白质:Dna A、Dna B、Dna C Dna XDna A :辨认复制起始位点Dna B :解螺旋酶Dna C :辅助解螺旋酶使其在起始点上结合并打开双链。(二) DNA 拓扑异构酶(topoisomerase)拓扑:是指物体或图像作弹性移位而又保持物体不变的性质。拓扑异构酶:是

17、一类可改变DNA拓扑性质的酶。对 DNA分子的作用是既能水解、又能连接磷酸二酯键。可松弛DNA超螺旋,有利于 DNA解链。拓扑异构酶I (topo I )一蛋白。在原核生物曾被称为主要作用是切开 DNA双链中的一股,使 DNA解链旋转中不打结,DNA变为松弛状态再封闭切口。 反应不需要ATP拓扑异构酶II ( topo II )?在原核生物又叫旋转酶(gyrase)。?能切断DNA双链,使螺旋松弛。在 ATP参与下,松弛的 DNA进入负超螺旋,再连接断端。TopoI和TopoII松弛DNA负超螺旋(三) 单链DNA结合蛋白(SSB):在大肠杆菌,它是由 177个氨基酸残基组成的同四聚体,结合单

18、链DNA的跨度约32个核苷酸单位。SSB与解开的DNA单链紧密结合, 防止重新形成双链,维持模板处于单链状态; 免受核酸酶降解。表4参与DNA复制的酶及蛋白质酶或蛋白质主要作用拓扑异构酶类克服解链时打结及缠绕、松驰或引进负超螺旋解链酶类解开DNA双链单链DNA结合蛋白 维持已解开单链 DNA的稳定引物酶合成RNA引物DNA聚合酶m DNA复制DNA聚合酶I水解引物、填补空隙、修复作用DNA 连接酶 催化双链 DNA 中单链缺口的连接 小结1、基本概念DNA 复制 复制子 复制体 复制时期2 、半保留复制3 、复制起点:结构特征复制方向:复制叉 复制眼 单双向复制的决定条件 复制的多模式 复制方

19、式:复制叉式(从头起始)D 环复制(置换式)b复制(滚环复制)4 、复制酶学1) 三种DNApol DNApol I和 山的主要活性和功能聚合活性外切活性(两种)延伸方向2)DNA 连接酶3)和 DNA 的几何学性质相关的酶螺旋酶 旋转酶5、 DNA 复制的半不连续性实验证据 先导链 后随链4.3 Bacterial DNA replication4.3.1 Initiation (起始)4.3.2 Elongation (延伸)4.3.3 Termination of DNA replication4.3.1 Initiation (起始)?Study system: the E. coli

20、 origin locus oriC is cloned into plasmids to produce more easily studied minichromosomes.?Initiation is divided into the following steps:1. recog niti on of the origi n(识另 U原点)2. separati on of pare ntal stra nds and stabilizati on of sin gle stra nds(分开双链,稳定单链)-3. i nitiation of daughter stra nd s

21、yn thesis through actio n of the PRIMOSOME(通过引发体起动子代链的合成反应)How do we know that there is only one origin of replication in E. coli?假定每个染色体都在同样的一个起始点( i)开始复制,那么距 i近的基因将先被复制而复制得多 些,远离 i 的基因将复制得少些。因此在一个群体中离 i 点越近的基因出现频率越高。? 假如复制是-单向的,基因频率呈单向梯度-双向的,基因频率以 i 为中心呈双向梯度How do we know that there is only one or

22、igin of replication in E. coli? 测定了大肠杆菌染色体上很多基因的频率,发现以 OriC 基因附近为中心呈双向下降。What does this experiment show?There is a single place on the chromosome where replication starts?Replication proceeds in both directions?The two replication forks meet at near 31 on the genetic mapThe structure of OriCOriCHow

23、is replication initiated?DnaA protein binds to 9-mers (9nt 聚合体 )?DnaA together with HU 类组蛋白 denature the DNA?DnaB helicase 解旋酶 binds the open DNAInitiation of DNA replication in E. coli1. i nitial complex(起始复合体)?Al ong with the HU prote in, the dnaA protei n-ATP complex binds to the DNA, en compass

24、ing包围the four nin e-mers .In all, this complex covers about 200bp.(随同HU蛋白一起, dnaA protein-ATP 复合体结合到 DNA上,包围4个9-mers区,总的覆盖 200bp )2. Open complex(开放复合体)和 Prepriming complex(前引发复合体)DnaA蛋白使13bp重复单位熔解而形成开放性复合体,这一过程需要ATP。这时DnaB,和DnaC蛋白进入DNA的熔解区与OriC结合形成前引发复合体。Separated strands in the oriC region are pre

25、vented from reannealing by the binding of single- stra nded binding prote in (SSB prote in).3. The primosome complex forms?A helicase (Dn aB) beg ins to unwind the stra nds.?SSB binds to preve nt reann eali ng.?Gyrase relieves the ten sio n.旋转酶解除链的张力?Primase 引物酶 synthesizes a short strand of RNA.?Pr

26、imase binds to dnaB protein at oriC and forms a primosome引发体.Let s review the roles of the major players?Dn aA-Recog ni zes orig in and den atures the duplex?Dn aB-Helicase that unwinds the DNA?Dn aC-Required for DnaB binding?HU-hist on e-like protein stimulates in itiatio n?Primase (Dn aG) Syn thes

27、izes RNA primers?SSB-Si ngle stra nded DNA bin di ng protein?RNA polymerase Facilitates 促进 DnaA activity?DNA gyrase Relieves torsional 扭转的 strain?Dam methylase Methylates GATC seque nces at oriCReview Initiation of DNA replication in E. coli1) oriC contains four 9 bp binding sites for the in itiator

28、 prote in Dn aA. Syn thesis of DnaA is coupled 联系 to growth rate so that initiation of replication is also coupled to growth rate.2) DnaA forms a complex of 30-40 molecules, facilitating促进 melting 解链 of three 13 bp AT-richrepeat seque nee for DnaB binding.3) DnaB is a helicase that use the energy of

29、 ATP hydrolysis 水解 to further melt the double- stran ded DNA .4) SSB (sin gle-stra nded binding prote in) coats the unwin ded DNA to preve nt DNA ren aturi ng.5) DNA primase load to 负担 synthesizes a short RNA primer for synthesis of the leading strand.4. Primosome (弓丨发体):DnaB helicase and DNA primas

30、e4.3.2 Elo ngati on (延伸)?Elo ngation in volves ano ther complex of protei ns called the REPLISOME (复制体,复制颗粒 ).It isassembled from its comp onents each time replicati on occurs.E. coli replicati on machi nery(El on gatio n phase)1) Helicase-unwind DNA at replication fork in a reaction coupled to ATP

31、hydrolysis2) Single-strandedDNA binding proteins (ssb)-bind and stabilize the DNA in a single-strandedcon formatio n after melt ing by helicases3) Primosome-s yn thesizes RNA primers on laggi ng stra nd4) DNA Pol III-the true E. coli replicase5) DNA Topoisomerase II-relaxes supercoiled DNA that form

32、s ahead of replicati on fork-decate nates the fully replicated DNA6) DNA Pol Ireplaces RNA primers with DNA by nick-translation7) DNA ligase 连接酶 joins Okazaki fragmentsConcurrent 协同的 DNA Synthesis- Both strands replicate simultaneously at the same replication fork- The lagging template strandis loop

33、ed to invert the physical direction of synthesis, but not thechemical direction- DNA polymerase III functions as a dimer, with each core enzyme achieving synthesis on one or the other strand?If the polymerase complex is moving continuously along the leading strand, how does it discontinuously synthe

34、size DNA along the lagging strand in the opposite direction?4.3.3 Termination of DNA replication?Specific termination sites of DNA replication exist in E. coli.?Termination involves the binding of the tus gene product (tus protein) -ter binding protein, an inhibitor of the DnaB helicase (终止位点结合蛋白,是

35、DnaB 解旋酶的抑制剂)?This ter binding protein may act to prevent helicase from unwinding DNA (will therefore halt停止pol III and pol I action).?DNA replication produces two interlocking rings(连环) which must be separated.?This is accomplished via the enzyme topoisomerase. Termination of E. coli DNA replicatio

36、n Terminator sequences (终止序列) : ?Trap the replication forks (使复制叉受到限制) ?Contain sequences that facilitate decate-nation and partitioning of daughter chromosomes(包含促进连锁分开和姐妹染色体分开的序列) .?300 bp? 需要 TUS ( Terminator Utilization Substance ) 识别终止序列Summary of steps in E. coli DNA synthesis:1. dnaA protein

37、melts duplex in oriC region.2. dnaB (helicase), along with dnaC and ATP binds to replication fork (dnaC protein exits). (Prepriming complex)3. Single strand binding protein (ssb protein) binds to separated strands of DNA and prevents reannealing.4. Primase complexes with helicase, creates RNA primer

38、s (pppAC(N)7-10) on the strands of the open duplex2 (Primase+helicase constitute the Primosome).5. After making the RNA primers, DNA pol III holoenzyme comes in and extends the RNA primer (laying down dNTPs) on the leading strand.4. As the replication fork opens up (via helicase + ATP action) leadin

39、g strand synthesis is an uninterrupted 不间断的 process, the lagging strand experiences a gap.7. The gap region of the lagging strand can wind 旋紧 around one active site unit of the Pol III complex, and bound 阻止 Primase initiates an RNA primer in the gap region.8. On the lagging strand, Pol III extends t

40、he RNA primer with dNTP s as the lagging template strand is looped through the Pol III complex.9. After synthesis of a nascent 初始 fragment the lagging strand loop is released and the single strand region further up near the replication fork is subsequently looped through the Pol III complex.10. Step

41、s 7-9 are repeated.11. Meanwhile 其间 , Pol I removes the RNA primer regions of the Okazaki fragments via 5 to 3 exonuclease activity ( nick translation Pol I exits and ligase joints the DNA fragments (on lagging strand).4.4 Eukaryotic DNA replicati on441 Experimental system4.4.2 cell cycle4.4.3 ini t

42、iati on4.4.4 replicatio n forks4.4.5 nu clear matrix4.4.6 telomere replicati on4.4.1 Experimental systems?Yeast (Saccharomyces cerevisiae)酵母:has much smaller genome(1.4 X 107 bp in 16 chromosomes) and only 400 replic ons.?SV40 (simian virus 40猿猴病毒 40, 5 kb): is good mammalian models for replication

43、fork.?Cell-free extract 无纟田胞提取物 prepared from Xenopus laevis (非洲爪蟾)eggs containing high concen tratio n of replicati on prote ins and can support in vitro replicati on.4.4.2细胞周期(cell cycle)的调控1. 细胞周期4个时期2. 检验点及其调控3. 细胞周期蛋白和依赖于细胞周期蛋白的激酶1. 细胞周期4个时期?cell cycle细胞从一次有丝分裂结束到下一次有丝分裂完成所经历的一个有序过程。?细胞周期时相组成:?

44、间期(interphase): G1 phase,S phase, G2 phase,细胞可由 G1期进入一个非增殖期G0期或称静止期。?M phase:有丝分裂期(Mitosis),胞质分裂期(Cytok in esis)2. 检验点(Checkpoint )及其调控?细胞周期检验点是细胞周期调控的一种机制。?细胞周期随细胞周围的环境而调整,以免受损伤的细胞发生增殖。?检验点是当外界条件不适合细胞分裂时,可以中断细胞周期的一些阶段。?主要检验点位于 G1和G2的后期,在 G1期的R点,当缺乏促细胞分裂原时,细胞会脱离细胞周期进入非增殖的G0期。3. 细胞周期蛋白和依赖细胞周期蛋白的激酶细胞周

45、期是通过多种蛋白激酶复合物催化的蛋白磷酸化来实施调控的,这些复合物包含:regulatory sub un its (调节亚基)Cyclin (细胞周期蛋白)catalytic sub un it(催化亚基)Cycli n-depe nde nt kin ase(CDK)(依赖细胞周期蛋白的激酶)不同的复合物调控细胞周期中的不同时期。图 Cyclin-dependent kinase (Cdk)4.4.3 Origins and InitiationOrigins and 人 Initiation (起始点与起始)ARS (自主复制序列)Lice nsing factor con trols

46、eukaryotic replicati on (特许因子)Differences in DNA betwee n eukaryotes and prokaryotesEukaryotic geno mes are much bigger Replication in eukaryotes occurs during a small portion of the cell cycleDNA in 九 eukaryotes is bound by hist onesEukaryotic chromosomes are lin ear图 Multiple Replication OriginsOr

47、igins and Initiation(起始点与起始)?O nly once in one cell cycle(每个细胞周期只有一次复制)?Clusters of about 20-50 replicons ( 复制子)initiate simultaneously at defined times throughout S-phase (20-50个复制子在S期同时起始复制)?ln itiati on of each replic on within an in itiati on zone may occur at random(复制子可能在起始区域内的任意位置起始)不同区域的染色质起

48、始复制的时间不同?Early S-phase: euchromatin ( 常染色质)replication?Late S-phase: heterochromatin (异染色质)replication?Centromeric (着丝粒的)and telomeric (端粒的)DNA replicate at lastOrigins (起始点)Yeast orig in: the mini mal 11 bp consen sus:A/TTTTATA/GTTTA/TBound by origin recognition complex (ORC 起始识别复合体)activated 激活 by

49、 CDK.ARS: Auto no mously Replicati ng Seque nee (自主复制序列)。单细胞酵母的复制起点克隆进原核生物的质粒,由于这些复制起点序列允许质粒在酵母中复制而被称之为ARS。The yeast ARSLicensing factor controls eukaryotic replication(特许因子控制真核生物DNA 复制)Lice nsing factor con trols eukaryotic rereplicati on DNA Replicati on?The mach inery of replicatio n-Additional f

50、eatures of eurkaryotic cells?One replicati on per cycle- con trol?The orig in of replicati on passage through a series of steps? Origin of replication bound by ORCs? Lice nsing factors bi nd assemble the prereplicatio n complex? Lice nsing factors -at least six Mcm2-Mcm7? Mcm prote ins move with the

51、 replicatio n fork? Mcm proteins are then displaced from DNA but remain in nucleus? Mcm proteins cannot reassociate with an origin of replication which has already fired 444 replicat on fork?The mach inery of replicatio n?Additional features of eurkaryotic cells-Chromati n structure?Nucleosomes and

52、the replicati on fork-Hist ones - H3H4 tetramers 四聚体 remai n in tact and are distributed betwee n the daughter duplexes-Old and new H3H4 tetramers found on each duplex-H2A/H2B dimers -separate and bind ran domly to H3H4 tetramers already in placeReplicati on of NucleosomesEukaryotic DNA is packaged

53、with hist ones in structures called n ueleosomes.Whathappensto the nueleosome when the replication fork and thereplicationmach inery pass by and ope n up the DNA double stra nd?Nucleosomes are found properly - spaced on both postreplicative DNA strands immediately after passage of replicati on fork.图 A model for nucleosome replication图 A model for nu

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