生物化学与分子生物学：第14章 DNA的生物合成

1、目录目录 第第 14 章章 DNA的生物合成的生物合成 DNA Biosynthesis ( Replication ) 目录目录 n本章主要内容：本章主要内容： 复制的基本规律复制的基本规律 DNA复制的酶学和拓扑学变化复制的酶学和拓扑学变化 原核生物原核生物DNADNA复制的过程复制的过程 真核生物真核生物DNADNA复制的过程复制的过程 逆转录和其他复制方式逆转录和其他复制方式 目录目录 目录目录 复制复制(replication)(replication) 是指遗传物质的传代，以母链是指遗传物质的传代，以母链DNADNA为模板为模板 合成子链合成子链DNADNA的过程，将遗传信息准确地

2、从亲的过程，将遗传信息准确地从亲 代传递给子代。代传递给子代。 复制复制 亲代亲代DNA 子代子代DNA 复制的基本规律复制的基本规律 Basic Rules of DNA Replication 第第 一一 节节 目录目录 复制的方式复制的方式 半保留复制半保留复制(semi-conservative replication) 双向复制双向复制(bidirectional replication) 半不连续复制半不连续复制(semi-discontinuous replication) n复制的基本规律复制的基本规律 目录目录 一、半保留复制是一、半保留复制是DNA复制的基本特征复制的基本特

3、征 DNA生物合成时，母链生物合成时，母链DNA解开为两解开为两 股单链，各自作为模板股单链，各自作为模板(template)按碱基配按碱基配 对规律，合成与模板互补的子链。子代细对规律，合成与模板互补的子链。子代细 胞的胞的DNA，一股单链从亲代完整地接受过，一股单链从亲代完整地接受过 来，另一股单链则完全从新合成。两个子来，另一股单链则完全从新合成。两个子 细胞的细胞的DNA都和亲代都和亲代DNA碱基序列一致。碱基序列一致。 这种复制方式称为这种复制方式称为半保留复制半保留复制。 n半保留复制半保留复制的概念的概念: : A G G T A C T G C C A C T G G T C

4、C A T G A C G G T G A C C C C A C T G G G G T G A C C A G G T A C T G T C C A T G A C T C C A T G A C A G G T A C T G A G G T A C T G C C A C T G G T C C A T G A C G G T G A C C A G G T A C T G C C A C T G G T C C A T G A C G G T G A C C + 母链母链DNA复制过程中形成复制过程中形成 的复制叉的复制叉 子代子代DNA 目录目录 n子链继承母链遗传信息的几种可能

5、方式子链继承母链遗传信息的几种可能方式: : 全保留式全保留式 半保留式半保留式 混合式混合式 目录目录 n密度梯度实验密度梯度实验: : 实验结果支持实验结果支持半保留复制半保留复制的设想。的设想。 含重氮含重氮-DNA的细菌的细菌 培养于普培养于普 通培养液通培养液 第一代第一代 继续培养于继续培养于 普通培养液普通培养液 第二代第二代 梯度离心结果梯度离心结果 目录目录 按半保留复制方式，子代按半保留复制方式，子代DNA与亲代与亲代DNA A 的的碱基序列一致碱基序列一致，即子代保留了亲代的全部遗，即子代保留了亲代的全部遗 传信息，体现了遗传的传信息，体现了遗传的保守性保守性。 n半保留

6、复制的意义半保留复制的意义: : 遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础， 但但不是绝对的不是绝对的。 DNA DNA分子中的遗传信息通过转录和翻译，即基因分子中的遗传信息通过转录和翻译，即基因 表达，决定了细胞的蛋白质结构和功能，决定了生物的表达，决定了细胞的蛋白质结构和功能，决定了生物的 特性和类型。体现了遗传过程的相对保守性。特性和类型。体现了遗传过程的相对保守性。 目录目录 (origin) 二、二、DNA复制从起始点向两复制从起始点向两 个方向延伸形成双向复制个方向延伸形成双向复制 目录目录 5 3 oriorioriori 5 3 ori ter

7、 A B C 目录目录 原核生物复制时，原核生物复制时，DNA从从起始点起始点(origin)向两向两 个方向解链，形成两个延伸方向相反的复制个方向解链，形成两个延伸方向相反的复制 叉，称为叉，称为双向复制双向复制。 复制中的放射自显影图像复制中的放射自显影图像 目录目录 A. 环状双链环状双链DNA及复制起始点及复制起始点 B. 复制中的两个复制叉复制中的两个复制叉 C. 复制接近终止点复制接近终止点(termination, ter) ori ter A B C 目录目录 DNADNA复制时，局部双螺旋解开形成两条复制时，局部双螺旋解开形成两条 单链，这种叉状结构称为单链，这种叉状结构称为

8、复制叉复制叉。 真核生物每个染色体有多个起始点，是真核生物每个染色体有多个起始点，是 多复制子的复制。习惯上把两个相邻起多复制子的复制。习惯上把两个相邻起 始 点 之 间 的 距 离 定 为 一 个始 点 之 间 的 距 离 定 为 一 个 复 制 子复 制 子 (replicon)(replicon) 。 复制子是独立完成复制的功能单位。复制子是独立完成复制的功能单位。 目录目录 5 3 oriorioriori 5 3 5 5 3 3 复制子复制子 C C A C T G G A G G T A C T G T C C A T G A C G G T G A C C C C A C T G

9、 G A G G T A C T G T C C A T G A C A G G T A C T G G G T G A C C 目录目录 目录目录 三、三、DNA一股子链复制的方向与解链一股子链复制的方向与解链 方向相反导致半不连续复制方向相反导致半不连续复制 目录目录 3 5 3 5 解链方向解链方向 3 5 3 3 5 领头链领头链 (leading strand) 随从链随从链 (lagging strand) 目录目录 顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的，顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的， 这股链称为这股链称为领头链领头链(leading strand)。 另一股链因为

10、复制的方向与解链方向相反，不能另一股链因为复制的方向与解链方向相反，不能 顺着解链方向连续延长，这股不连续复制的链称顺着解链方向连续延长，这股不连续复制的链称 为为随从链随从链(lagging strand)。 领头链连续复制而随从链不连续复制，就是复制领头链连续复制而随从链不连续复制，就是复制 的半不连续性。的半不连续性。 目录目录 目录目录 DNA复制的酶学和拓扑学变化复制的酶学和拓扑学变化 第第 二二 节节 The Enzymology and Topology of DNA Replication 目录目录 n参与参与DNA复制的物质复制的物质: 底物底物(substrate): dA

11、TP, dGTP, dCTP, dTTP； 聚合酶聚合酶(polymerase): 依赖依赖DNA的的DNA聚合酶，聚合酶， 简写为简写为 DNA-pol； 模板模板(template): 解开成单链的解开成单链的DNA母链；母链； 引物引物(primer): 提供提供3 -OH末端使末端使dNTP可以依次可以依次 聚合；聚合； 其他的酶和蛋白质因子。其他的酶和蛋白质因子。 目录目录 一、核苷酸和核苷酸之间生成磷酸二酯键一、核苷酸和核苷酸之间生成磷酸二酯键 是复制的基本化学反应是复制的基本化学反应 (dNMP)n + dNTP (dNMP)n+1 + PPi 目录目录 n聚合反应的特点聚合反应

12、的特点: : DNA 新链生成需新链生成需引物引物和和模板模板； 新链的延长只可沿新链的延长只可沿5 3 方向进行。方向进行。 目录目录 二、二、DNA聚合酶催化核苷酸之间聚合聚合酶催化核苷酸之间聚合 全称：全称：依赖依赖DNA的的DNA聚合酶聚合酶 (DNA-dependent DNA polymerase) 简称：简称：DNA-pol 活性：活性： 1. 53 的聚合活性的聚合活性 2. 核酸外切酶活性核酸外切酶活性 5 A G C T T C A G G A T A 3 | | | | | | | | | | | 3 T C G A A G T C C T A G C G A C 5 3

13、 5 外切酶活性外切酶活性: 5 3 外切酶活性外切酶活性: ? 能切除引物或突变的能切除引物或突变的 DNA片段。片段。 能辨认错配的碱基对，并将其水解。能辨认错配的碱基对，并将其水解。 n核酸外切酶活性核酸外切酶活性: : 目录目录 （一）原核生物的（一）原核生物的DNA聚合酶分为三型聚合酶分为三型 DNA-pol DNA-pol DNA-pol 目录目录 原核生物的原核生物的DNADNA聚合酶聚合酶 可能可能不可能不可能可能可能基因突变后的致死性基因突变后的致死性 无无无无有有5 3 核酸外切酶活性核酸外切酶活性 20？400分子数分子数/细胞细胞 多亚基不对称多亚基不对称 二聚体二聚体

14、 ？单肽链单肽链组成组成 250120109分子量分子量(kD) DNA-pol IIIDNA-pol IIDNA-pol I 可能可能不可能不可能可能可能基因突变后的致死性基因突变后的致死性 无无无无有有5 3 核酸外切酶活性核酸外切酶活性 20？400分子数分子数/细胞细胞 多亚基不对称多亚基不对称 二聚体二聚体 ？单肽链单肽链组成组成 250120109分子量分子量(kD) DNA-pol IIIDNA-pol IIDNA-pol I 目录目录 DNA-pol （109kD）：）：AR共共 18个个-螺旋肽段。螺旋肽段。 功能：对复制中的错误进行较读，对复制中出现的功能：对复制中的错误进

15、行较读，对复制中出现的 空隙进行填补。空隙进行填补。 目录目录 323个氨基酸个氨基酸 小片段小片段 5 核酸外切酶活性核酸外切酶活性 大片段大片段/Klenow 片段片段 604个氨基酸个氨基酸 DNA聚合酶活性聚合酶活性 5 核酸外切酶活性核酸外切酶活性 N 端端 C 端端 木瓜蛋白酶木瓜蛋白酶 DNA-pol Klenow片段是实验室合成片段是实验室合成DNA，进行，进行 分子生物学研究中常用的工具酶。分子生物学研究中常用的工具酶。 目录目录 功能：功能： 对复制中的错误进行校读，对复制和修复对复制中的错误进行校读，对复制和修复 中出现的空隙进行填补。中出现的空隙进行填补。 目录目录 D

16、NA-pol （120kD） DNA-pol II基因发生突变，细菌依然能存活。基因发生突变，细菌依然能存活。 DNA-pol 对模板的特异性不高，即使在已发生对模板的特异性不高，即使在已发生 损伤的损伤的DNA模板上，它也能催化核苷酸聚合。因模板上，它也能催化核苷酸聚合。因 此认为，它参与此认为，它参与DNA损伤的应急状态修复。损伤的应急状态修复。 目录目录 个核心酶个核心酶 1个个 -复合物（复合物（ 、 、 、 、 、 6种亚种亚 基）基） 1对对 -亚基（可滑动亚基（可滑动 的的DNA夹子）夹子） DNA聚合酶聚合酶全酶结构全酶结构 全酶结构包括：全酶结构包括： 是原核生物复制延长中真

17、正起催化作用的酶。是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶。 目录目录 亚基亚基（130 000）主要功能是合成）主要功能是合成DNA 亚基亚基具有具有35 外切酶活性（复制保真性外切酶活性（复制保真性 所必需）所必需） 亚基可增强其活性亚基可增强其活性 亚基亚基可能起组装作用可能起组装作用 核心酶由核心酶由 、 和和 亚基组成：亚基组成： 两侧的两侧的 亚基发挥夹稳亚基发挥夹稳DNADNA模板链，并使酶沿模模板链，并使酶沿模 板滑动的作用板滑动的作用 目录目录 2个个 -亚基亚基分别和分别和1个核心酶相互作用，其个核心酶相互作用，其 柔性连接区可以确保在复制叉柔性连接区可以确保在复制叉1个全酶

18、分子的个全酶分子的 2个核心酶能够相对独立运动，分别负责合成个核心酶能够相对独立运动，分别负责合成 前导链和后随链。前导链和后随链。 功能：功能：有促进全酶组装至模板上及增强核心酶有促进全酶组装至模板上及增强核心酶 活性的作用活性的作用 -复合物由复合物由6种亚基组成：种亚基组成： 、 、 、 、 、 目录目录 目录目录 （二）常见的真核细胞（二）常见的真核细胞DNA聚合酶有五种聚合酶有五种 DNA-pol 起始引发，有引物酶活性。起始引发，有引物酶活性。 延长子链的主要酶，有解螺旋酶活性。延长子链的主要酶，有解螺旋酶活性。 参与低保真度的复制参与低保真度的复制 。 在复制过程中起校读、修复和

19、填补缺在复制过程中起校读、修复和填补缺 口的作用。口的作用。 在线粒体在线粒体DNA复制中起催化作用。复制中起催化作用。 DNA-pol DNA-pol DNA-pol DNA-pol 目录目录 真核生物的真核生物的DNA聚合酶聚合酶 填填补补引引物物 空空隙隙，切切 除除修修复复， 重重组组 延延长长子子 链链的的主主 要要酶酶， 解解螺螺旋旋 酶酶活活性性 线线粒粒体体 DNA复复 制制 低低保保 真真度度 的的复复 制制 起起始始引引 发发，引引 物物酶酶活活 性性 功功能能 +- 3 5 核核酸酸外外切切 酶酶活活性性 高高高高高高？中中5 3 聚聚合合活活性性 25.512.514.

20、04.016.5分分子子量量（kD） DNA-pol 填填补补引引物物 空空隙隙，切切 除除修修复复， 重重组组 延延长长子子 链链的的主主 要要酶酶， 解解螺螺旋旋 酶酶活活性性 线线粒粒体体 DNA复复 制制 低低保保 真真度度 的的复复 制制 起起始始引引 发发，引引 物物酶酶活活 性性 功功能能 +- 3 5 核核酸酸外外切切 酶酶活活性性 高高高高高高？中中5 3 聚聚合合活活性性 25.512.514.04.016.5分分子子量量（kD） DNA-pol 目录目录 三、核酸外切酶的校读活性和碱基选择三、核酸外切酶的校读活性和碱基选择 功能是复制保真性的酶学依据功能是复制保真性的酶学

21、依据 复制按照碱基配对规律进行，是遗传信息能复制按照碱基配对规律进行，是遗传信息能 准确传代的基本原理。准确传代的基本原理。 此外还需酶学的机制来保证复制的保真性。此外还需酶学的机制来保证复制的保真性。 目录目录 遵守严格的碱基配对规律；遵守严格的碱基配对规律； 聚合酶在复制延长时对碱基的选择功能；聚合酶在复制延长时对碱基的选择功能； 复制出错时有即时校对功能。复制出错时有即时校对功能。 nDNA复制的保真性至少要依赖三种机制：复制的保真性至少要依赖三种机制： 目录目录 （一）复制的保真性依赖正确的碱基选择（一）复制的保真性依赖正确的碱基选择 DNADNA聚合酶靠其大分子结构协调非共价（氢键）

22、聚合酶靠其大分子结构协调非共价（氢键） 与共价（磷酸二酯键）键的有序形成。与共价（磷酸二酯键）键的有序形成。 嘌呤的化学结构能形成顺式和反式构型，与相应嘌呤的化学结构能形成顺式和反式构型，与相应 的嘧啶形成氢键配对，嘌呤应处于反式构型。的嘧啶形成氢键配对，嘌呤应处于反式构型。 目录目录 （二）核酸外切酶活性在复制中辨认切除错配（二）核酸外切酶活性在复制中辨认切除错配 碱基并加以校正碱基并加以校正 目录目录 A：DNA-pol的外切酶活性切除错配碱基；并用其聚合活的外切酶活性切除错配碱基；并用其聚合活 性掺入正确配对的底物。性掺入正确配对的底物。 B：碱基配对正确，：碱基配对正确， DNA-po

23、l不表现活性。不表现活性。 DNA pol 的校读功能的校读功能 目录目录 四、复制中的分子解链伴有四、复制中的分子解链伴有DNA 分子拓扑学变化分子拓扑学变化 DNA分子的碱基埋在双螺旋内部，只有把分子的碱基埋在双螺旋内部，只有把 DNA解成单链，它才能起模板作用。解成单链，它才能起模板作用。 目录目录 E. Coli 基因图基因图 （一）多种酶参与（一）多种酶参与DNA解链和稳定单链状态解链和稳定单链状态 目录目录 参与 参与DNA复制的主要成员复制的主要成员 主要成员主要成员主要作用主要作用 DnaA 识别复制起始位点识别复制起始位点 解螺旋酶解螺旋酶 解开解开DNA双链双链 SSB 维

24、持已解开单链维持已解开单链DNA的稳定的稳定 引物酶引物酶 合成合成RNA引物引物 TOPO 使打结、缠绕、正超螺旋的使打结、缠绕、正超螺旋的DNA松驰松驰 DNA-pol DNA复制复制 DNA-pol 水解引物、填补空隙、修复作用水解引物、填补空隙、修复作用 DNA连接酶连接酶 催化双链催化双链DNA中单链缺口的连接中单链缺口的连接 27/62 目录目录 理顺理顺DNA链链拓扑异构酶拓扑异构酶 (gyrA, B) 稳定已解开的单链稳定已解开的单链单链单链DNA 结合蛋白结合蛋白 SSB 催化催化RNA引物生成引物生成引物酶引物酶DnaG (dnaG) 运送和协同运送和协同DnaB DnaC

25、 (dnaC) 解开解开DNA双链双链 解螺旋酶解螺旋酶DnaB (dnaB) 辨认起始点辨认起始点 DnaA (dnaA) 蛋白质（基因）蛋白质（基因）通用名通用名功能功能 原核生物复制起始的相关蛋白质原核生物复制起始的相关蛋白质 目录目录 解螺旋酶解螺旋酶(helicase)利用利用ATP供能，作用于供能，作用于 氢键，使氢键，使DNA双链解开成为两条单链。双链解开成为两条单链。 DnaB 目录目录 引物酶引物酶(primase) 复制起始时催化生成复制起始时催化生成 RNA引物的酶。引物的酶。 目录目录 单链单链DNA结合蛋白结合蛋白(single stranded DNA bindin

26、g protein, SSB) 在复制中维持模板处于单链状在复制中维持模板处于单链状 态并保护单链的完整态并保护单链的完整； 单链有利于复制，但容易降解单链有利于复制，但容易降解 ； SSB通过不断的结合、脱离来发挥作用；通过不断的结合、脱离来发挥作用； 目录目录 10 8 局部解链后局部解链后 （二）（二）DNA拓扑异构酶改变拓扑异构酶改变DNA超螺旋状态、超螺旋状态、 理顺理顺DNA链链 n复制过程正超螺旋的形成：复制过程正超螺旋的形成： 目录目录 解链过程中正超螺旋的形成解链过程中正超螺旋的形成 目录目录 既能水解既能水解 、又能连接磷酸二酯键。、又能连接磷酸二酯键。 拓扑异构酶拓扑异构

27、酶 拓扑异构酶拓扑异构酶 n拓扑异构酶分类：拓扑异构酶分类： n拓扑异构酶作用特点：拓扑异构酶作用特点： 目录目录 拓扑异拓扑异 构酶构酶 切断切断DNA双链中双链中一股一股链，使链，使DNA 解链旋转不致打结；适当时候封解链旋转不致打结；适当时候封 闭切口，闭切口，DNA变为松弛状态变为松弛状态。 反应反应不需不需ATP。 拓扑异拓扑异 构酶构酶 切断切断DNA分子分子两股两股链，断端通过链，断端通过 切口旋转使超螺旋松弛。切口旋转使超螺旋松弛。 利用利用ATP供能，连接断端，供能，连接断端， DNA 分子进入负超螺旋状态。分子进入负超螺旋状态。 n作用机制：作用机制： 目录目录 n拓扑酶的

28、作用方式：拓扑酶的作用方式： 目录目录 五、五、DNA连接酶连接连接酶连接DNA双链中的双链中的 单链缺口单链缺口 连接连接DNA链链3 -OH末端和相邻末端和相邻DNA链链5 -P 末端，使二者生成磷酸二酯键，从而把两段相末端，使二者生成磷酸二酯键，从而把两段相 邻的邻的DNA链连接成一条完整的链。链连接成一条完整的链。 n DNA连接酶连接酶(DNA ligase)作用方式：作用方式： 目录目录 P O O- O- O HO5 P O O- O- O 3 3 5 DNA连接酶连接酶 ATP ADP 53 53 nDNA连接酶的作用：连接酶的作用：连接双链间的单链缺口连接双链间的单链缺口 。

29、 目录目录 DNA连接酶在复制中起最后接合缺口的连接酶在复制中起最后接合缺口的 作用。作用。 在在DNA修复、重组及剪接中也起缝合缺修复、重组及剪接中也起缝合缺 口作用。口作用。 也是基因工程的重要工具酶之一。也是基因工程的重要工具酶之一。 n功能：功能： 目录目录 提供核糖提供核糖3 -OH提供提供5 -P结果结果 DNA聚合酶聚合酶引物或延长中的引物或延长中的 新链新链 游离游离dNTP 去去PPi (dNMP)n+1 连接酶连接酶复制中不连续的两条单链复制中不连续的两条单链不连续不连续连续链连续链 拓扑酶拓扑酶切断、整理后的两链切断、整理后的两链改变拓扑状态改变拓扑状态 DNA聚合酶，拓

30、扑酶和连接酶催化聚合酶，拓扑酶和连接酶催化 3 ,5 -磷酸二酯键生成的比较磷酸二酯键生成的比较 目录目录 参与 参与DNA复制的主要成员复制的主要成员 主要成员主要成员主要作用主要作用 DnaA 识别复制起始位点识别复制起始位点 解螺旋酶解螺旋酶 解开解开DNA双链双链 SSB 维持已解开单链维持已解开单链DNA的稳定的稳定 引物酶引物酶 合成合成RNA引物引物 TOPO 使打结、缠绕、正超螺旋的使打结、缠绕、正超螺旋的DNA松驰松驰 DNA-pol DNA复制复制 DNA-pol 水解引物、填补空隙、修复作用水解引物、填补空隙、修复作用 DNA连接酶连接酶 催化双链催化双链DNA中单链缺口

31、的连接中单链缺口的连接 27/62 目录目录 DNA生物合成过程生物合成过程 The Process of DNA Replication 第第 三三 节节 目录目录 （一）复制起始：（一）复制起始：DNA解链形成引发体解链形成引发体 需要解决两个问题：需要解决两个问题： 1. DNA解开成单链，提供模板。解开成单链，提供模板。 2. 形成引发体，合成引物，提供形成引发体，合成引物，提供3 -OH末端。末端。 一、原核生物的一、原核生物的DNA生物合成生物合成 起始是复制中较为复杂的环节，在此过程起始是复制中较为复杂的环节，在此过程 中，各种酶和蛋白因子在复制起始点处装配引中，各种酶和蛋白因子

32、在复制起始点处装配引 发体，形成复制叉并合成发体，形成复制叉并合成RNARNA引物。引物。 目录目录 E.coli复制起始点复制起始点 oriC GATTNTTTATTT GATCTNTTNTATT GATCTCTTATTAG 1 13 17 29 32 44 1 13 17 29 32 44 TGTGGATTA-TTATACACA-TTTGGATAA-TTATCCACA 58 66 166 174 201 209 237 24558 66 166 174 201 209 237 245 串联重复序列串联重复序列 反向重复序列反向重复序列 5 3 5 3 1. DNA解链：解链：oriC，24

33、5bp 目录目录 原核生物的复制起始部位及解链原核生物的复制起始部位及解链 目录目录 Dna A Dna B、 Dna C DNA拓扑异构酶拓扑异构酶 引物引物 酶酶 SSB 3 5 3 5 2. 引发体和引物引发体和引物 含有解螺旋酶、含有解螺旋酶、DnaC蛋白、引物酶和蛋白、引物酶和DNA 复制起始区域的复合结构称为引发体。复制起始区域的复合结构称为引发体。 目录目录 3 5 3 5 引物是由引物酶催化合成的短链引物是由引物酶催化合成的短链RNA分子。分子。 引物引物 3 HO 5 引物引物 酶酶 目录目录 目录目录 目录目录 （二）复制的延长过程：领头链连续复制，（二）复制的延长过程：领

34、头链连续复制， 随从链不连续复制随从链不连续复制 复制的延长指在复制的延长指在DNA-pol催化下，催化下，dNTP以以 dNMP的方式逐个加入引物或延长中的子链上，的方式逐个加入引物或延长中的子链上， 其化学本质是磷酸二酯键的不断生成。其化学本质是磷酸二酯键的不断生成。 5 5 3 3 5 5 dATP dGTP dTTP dCTP dTTP dGTPdATP dCTP OH 3 3 3 DNA-pol 目录目录 n领头链的合成：领头链的合成： 领头链的子链沿着领头链的子链沿着5 5 33 方向可以连续地延长。方向可以连续地延长。 n随从链的合成随从链的合成 n同一复制叉上领头链和随从链由相

35、同的同一复制叉上领头链和随从链由相同的 DNA-pol催化延长催化延长 目录目录 在复制叉同时合成前导链和后随链在复制叉同时合成前导链和后随链 目录目录 阶段一阶段一阶段二阶段二阶段三阶段三阶段四阶段四 复复 制制 过过 程程 简简 图图 目录目录 目录目录 原核生物基因是环状原核生物基因是环状DNA，双向复制的复制片段，双向复制的复制片段 在复制的终止点在复制的终止点(ter)处汇合。处汇合。 ori ter E.coli 82 32 ori ter SV40 50 0 （三）复制的终止过程：切除引物、填补（三）复制的终止过程：切除引物、填补 空缺、连接切口空缺、连接切口 目录目录 5 5

36、5 RNA酶酶 OHP 5 DNA-pol dNTP 5 5 P ATP ADP+Pi 5 5 DNA连接酶连接酶 n 随从链上不连续性片段的连接：随从链上不连续性片段的连接： 目录目录 目录目录 目录目录 A. 环状双链环状双链DNA及复制起始点及复制起始点 B. 复制中的两个复制叉复制中的两个复制叉 C. 复制接近终止点复制接近终止点(termination, ter) ori ter A B C 目录目录 真核生物真核生物DNA生物合成生物合成过程过程 The Process of DNA Biosynthesis in eukaryotes 第第 四四 节节 目录目录 真核生物复制子多

37、、冈崎片段短、复制叉真核生物复制子多、冈崎片段短、复制叉 前进速度慢等；前进速度慢等； DNA复制从引发进入延伸阶段发生复制从引发进入延伸阶段发生DNA聚聚 合酶合酶 / 转换；转换； 切除冈崎片段切除冈崎片段RNA引物的是核酸酶引物的是核酸酶RNAse H和和FEN1等。等。 真核生物与原核生物真核生物与原核生物DNA复制的差异：复制的差异： 目录目录 哺乳动物的哺乳动物的 细胞周期细胞周期 DNA合成期合成期 G1 G2 S M 细胞能否分裂，决定于进入细胞能否分裂，决定于进入S期及期及M期这两个关期这两个关 键点。键点。G1S及及G2M的调节，与蛋白激酶活的调节，与蛋白激酶活 性有关。性

38、有关。 蛋白激酶通过磷酸化激活或抑制各种复制因子蛋白激酶通过磷酸化激活或抑制各种复制因子 而实施调控作用。而实施调控作用。 目录目录 真核生物每个染色体有多个起始点，是多复制真核生物每个染色体有多个起始点，是多复制 子复制。子复制。复制有时序性，即复制子以分组方式复制有时序性，即复制子以分组方式 激活而不是同步起动。激活而不是同步起动。 复制的起始需要复制的起始需要DNA-pol （引物酶活性）和（引物酶活性）和 pol （解螺旋酶活性）参与。还需拓扑酶和复（解螺旋酶活性）参与。还需拓扑酶和复 制因子制因子(replication factor, RF)。 （一）真核生物复制的起始与原核基本相

39、似（一）真核生物复制的起始与原核基本相似 目录目录 酵母复制起点为酵母复制起点为自主复制序列（自主复制序列（autonomously replicating sequences，ARS）： A(T) TTTATA(G)TTTAT 酵母染色体含有多个复制起点。酵母染色体含有多个复制起点。 元件元件A(富含富含A/T的共有序列的共有序列)：结合一个特异的蛋白质：结合一个特异的蛋白质 复制起点识别复合物复制起点识别复合物(ORC)。 3个序列个序列(B1、B2和和B3)可以增加复制起点的效率，其可以增加复制起点的效率，其 中中B2的的9个碱基与上述个碱基与上述ARS共有序列相同。共有序列相同。 酵母

40、复制起始点酵母复制起始点 目录目录 增殖细胞核抗原（增殖细胞核抗原（proliferation cell nuclear antigen，PCNA）在复制起始和延长中起关键作在复制起始和延长中起关键作 用。用。PCNA为同源三聚体，具有与为同源三聚体，具有与E.coli DNA 聚聚 合酶合酶的的亚基相同的功能和相似的构象，即形亚基相同的功能和相似的构象，即形 成闭合环形的可滑动成闭合环形的可滑动DNA夹子，在夹子，在RFC的作用下的作用下 PCNA结合于引物模板链；并且结合于引物模板链；并且PCNA使使pol 获得持续合成能力。获得持续合成能力。PCNA水平也是检验细胞增水平也是检验细胞增

41、殖的重要指标。殖的重要指标。 目录目录 DNA-pol 和和pol 分别兼有解螺旋酶和引物酶活分别兼有解螺旋酶和引物酶活 性。在复制叉及引物生成后，性。在复制叉及引物生成后，DNA-pol 通过通过 PCNA的协同作用，逐步取代的协同作用，逐步取代pol ，在，在RNA引物引物 的的3 -OH基础上连续合成领头链。随从链引物也基础上连续合成领头链。随从链引物也 由由pol 催化合成。然后由催化合成。然后由PCNA协同，协同，pol 置换置换 pol ，继续合成，继续合成DNA子链。子链。 （二）真核生物复制的延长发生（二）真核生物复制的延长发生DNA聚合酶聚合酶 /转换转换 目录目录 前导链：

42、出现在引发后期前导链：出现在引发后期 后随链：发生于每个冈崎片段合成之际后随链：发生于每个冈崎片段合成之际 发生发生DNA聚合酶聚合酶 / 转换的原因是转换的原因是Pol 不具备不具备 持续合成能力持续合成能力。 DNA聚合酶聚合酶 / 转换的转换的关键蛋白是关键蛋白是RFC。 DNA聚合酶聚合酶 / 转换转换 目录目录 3 5 5 3 领头链领头链 3 5 3 5 亲代亲代DNA 随从链随从链 引物引物 核小体核小体 n真核生物复制叉的延长：真核生物复制叉的延长： 目录目录 染色体染色体DNA呈线状，复制在末端停止。呈线状，复制在末端停止。 复制中岡崎片段的连接，复制子之间的连接。复制中岡崎

43、片段的连接，复制子之间的连接。 染色体两端染色体两端DNA子链上最后复制的子链上最后复制的RNA引物，引物， 去除后留下空隙。去除后留下空隙。 （三）端粒酶参与解决染色体末端复制问题（三）端粒酶参与解决染色体末端复制问题 5 3 3 5 5 3 3 5 + 5 3 3 3 3 5 5 目录目录 n线性线性DNA复复 制的末端制的末端 目录目录 端粒端粒(telomere) 指真核生物染色体线性指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构。分子末端的结构。 n端粒的功能：端粒的功能：维持染色体的稳定性 维持染色体的稳定性 维持维持DNA复制的完整性复制的完整性 n端粒的结构特点：端粒的结构特点： 由

44、末端单链由末端单链DNADNA序列和蛋白质构成。序列和蛋白质构成。 末端末端DNADNA序列是多次重复的富含序列是多次重复的富含G G、T T碱基的碱基的 短序列。短序列。 这些重复序列多为双链，但每个染色体的这些重复序列多为双链，但每个染色体的3 3 端比端比5 5 端长，形成单链端长，形成单链ssDNAssDNA。这一特殊结。这一特殊结 构可解决染色体末端复制问题。构可解决染色体末端复制问题。 TTTTGGGGTTTTGGGG 目录目录 端粒酶端粒酶(telomerase) 端粒酶端粒酶RNA (human telomerase RNA, hTR) 端粒酶协同蛋白端粒酶协同蛋白(human

45、 telomerase associated protein 1, hTP1) 端粒酶逆转录酶端粒酶逆转录酶(human telomerase reverse transcriptase, hTRT) n组成：组成： 目录目录 端粒酶（端粒酶（telomerase）是一种核糖核蛋白（是一种核糖核蛋白（RNP），）， 由由RNA和蛋白质组成。和蛋白质组成。 端粒酶以自己的端粒酶以自己的RNA组分作为模板，以染色体的组分作为模板，以染色体的3 端端ssDNA（后随链模板）（后随链模板）为引物，将端粒序列添加为引物，将端粒序列添加 于染色体的于染色体的3 端。这些新合成的端。这些新合成的DNA为单链

46、为单链。 目录目录 n端粒酶催化作用的爬行模型端粒酶催化作用的爬行模型 目录目录 端粒酶的催端粒酶的催 化延长作用化延长作用 爬爬 行行 模模 型型 目目 录录 目录目录 DNADNA聚合酶复制子链聚合酶复制子链 进一步加工进一步加工 目目 录录 目录目录 端粒酶的爬行模型（动画演示）端粒酶的爬行模型（动画演示） 目录目录 真核所有染色体真核所有染色体DNA复制仅仅出现在细胞复制仅仅出现在细胞 周期的周期的S期期，而且只能复制一次。，而且只能复制一次。 五、真核生物染色体五、真核生物染色体DNA在每个细胞周在每个细胞周 期中只能复制一次期中只能复制一次 目录目录 前复制复合物在前复制复合物在G

47、1期形成而在期形成而在S期被激活期被激活 真核细胞真核细胞DNA复制的起始分两步进行，即复制的起始分两步进行，即复复 制基因的选择制基因的选择和和复制起点的激活。复制起点的激活。 复制基因（复制基因（replicator）是指是指DNA复制起始复制起始所所 必需的必需的全部全部DNA序列序列。 目录目录 逆转录和其他复制方式逆转录和其他复制方式 Reverse Transcription & Other DNA Replication Ways 第四节第四节 目录目录 双链双链DNA是大多数生物的遗传物质。某些是大多数生物的遗传物质。某些 病毒的遗传物质是病毒的遗传物质是RNA。少数低等生物如。少数低等生物如 M13噬菌体，它的感染型只含单链噬菌体，它的感染型只含单链DNA。原。原 核生物的质粒，真核生物的线粒体核生物的质粒，真核生物的线粒体DNA， 都是染色体外存在的都是染色体外存在的DNA。这些非染色体。这些非染色体 基因组，采用特殊的方式进行复制。基因组，采用特殊的方式进行复制。 目录目录 逆转录酶逆转录酶(reverse transcriptase) 逆转录逆转录(reverse transcription) 逆转录逆转录酶酶 一、逆转录病毒的基因组是一、逆转录病毒的基因组是RNA， 其复制方式是逆转录其复制方式是逆转录 目录目录 5 5 3