DNA复制与修复 (1)

1、基因信息传递基因信息传递 基因：为生物活性产物编码的基因：为生物活性产物编码的DNA功能片段功能片段 DNA RNA 蛋白质 转录 翻译 复制 逆转录 RNA复制 生物的遗传信息以密码的形式储存在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，通过苷酸排列顺序。在细胞分裂的过程中，通过DNA复制复制把亲代细胞所含的把亲代细胞所含的 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，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， 这些遗传信息通过这些遗传信息通过转录转录传递给传递给RNA，再由，再由

2、RNA通过通过翻译翻译转变成相应的转变成相应的 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 胞中一些胞中一些RNA病毒能以自己的病毒能以自己的RNA为模板复制为模板复制出新的病毒出新的病毒RNA，还有，还有 一些一些RNA病毒能以其病毒能以其RNA为模板合成为模板合成DNA，称为，称为逆转录逆转录这是中心法则这是中心法则 的补充。的补充。 DNA的生物合成的生物合成 DNA Biosynt

3、hesis 本章内容本章内容 复制复制( (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DNA 为模板合成子链为模板合成子链DNA的过程。的过程。 复制复制 亲代亲代DNA 子代子代DNA DNA复制的基本规律复制的基本规律 第一节第一节 DNA在复制时，两条在复制时，两条 链解开分别作为模板，在链解开分别作为模板，在 DNA聚合酶的催化下按碱聚合酶的催化下按碱 基互补的原则合成两条与基互补的原则合成两条与 模板链互补的新链，以组模板链互补的新链，以组 成新的成新的DNA分子。这样新分子。这样新 形成的两个形成的两个DNA分子与亲分子与亲 代代DNA分子的碱基

4、顺序完分子的碱基顺序完 全一样。由于子代全一样。由于子代DNA分分 子中一条链来自亲代，另子中一条链来自亲代，另 一条链是新合成的，这种一条链是新合成的，这种 复制方式称为半保留复制复制方式称为半保留复制。 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 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

5、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 复制过程中形复制过程中形 成的复制叉成的复制叉 子代子代DNA 子链继承母链遗传信息的几种可能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 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

6、度离心结果 19581958年年 Meselson & Meselson & stahlstahl用同位用同位 素示踪标记素示踪标记 加密度梯度加密度梯度 离心技术离心技术实实 验验, ,证明了证明了 DNADNA是采取半是采取半 保留的方式保留的方式 进行复制进行复制. 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，即子代保留了亲代的 全部遗传信息，体现了遗传的全部遗传信息，体现了遗传的保守性保守性。 半保留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遗传的保守性，是物种稳定性的分子 基础，但基础，

7、但不是绝对的不是绝对的。 复制中的放射自显影图象复制中的放射自显影图象 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 5 3 oriorioriori 5 3 5 5 3 3 5 5 3 复制子复制子 3 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) DNA复制的酶学复制的酶学 第二节第二节 (dNMP)n + dNTP (dNMP)n+1

8、+ PPi 聚合反应的特点：聚合反应的特点：DNA新链生成需引物和模板新链生成需引物和模板 新链的延长只可延新链的延长只可延5-3方向进行方向进行 复制中的分子解链及复制中的分子解链及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解成单解成单 链，它才能起模板作用。链，它才能起模板作用。 （一）解螺旋酶、引物酶和单链（一）解螺旋酶、引物酶和单链DNA结合蛋白结合蛋白 理理顺顺DNA链链拓拓扑扑异异构构酶酶 (gyrA, B) 稳稳定定已已解解开开的的单单链链单单链链DNA 结结合合蛋蛋白白 SSB 催催化化RNA引引物物生生成成

9、引引物物酶酶DnaG (dnaG) 运运送送和和协协同同DnaB DnaC (dnaC) 解解开开DNA双双链链 解解螺螺旋旋酶酶DnaB (dnaB) 辨辨认认起起始始点点 DnaA (dnaA) 蛋蛋白白质质（基基因因）通通用用名名功功能能 原原核核生生物物复复制制起起始始的的相相关关蛋蛋白白质质 解螺旋酶解螺旋酶(helicase) 利用利用ATP供能，作用于氢键，使供能，作用于氢键，使DNA双双 链解开成为两条单链链解开成为两条单链 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 单链单链DNA结合蛋白结合蛋白(single stranded

10、 DNA binding protein, SSB) 在复制中维持模板处于单链状态并保护在复制中维持模板处于单链状态并保护 单链的完整单链的完整 1010 8 8 局部解链后局部解链后 解链过程中正超螺旋的形成解链过程中正超螺旋的形成 拓扑异构酶作用特点拓扑异构酶作用特点 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

11、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。 作用机制作用机制 功能功能：对复制中的错误进行校读，对复制和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。修复中出现的空隙进行填补。 DNA-pol （109kD） DNA-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。 它参与它参与DNA损伤的应急状态修复。损伤的应急状态修复。 功能功能 是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶。是原核生物复制延长中真

12、正起催化作用的酶。 DNA-pol (250kD) 需要借助需要借助ATP或或NAD+水解提供的能量水解提供的能量 在在DNA修复和重组中起缝合缺口的作用，修复和重组中起缝合缺口的作用， 连接酶有缺陷的突变株不能进行连接酶有缺陷的突变株不能进行DNA复制、复制、 修复和重组。是基因工程重要的工具酶。修复和重组。是基因工程重要的工具酶。 P O O- O- O HO 5 P O O- O- O 3 3 5 DNA连接酶连接酶 ATP ADP 53 53 DNA生物合成过程生物合成过程 第三节第三节 复制过程分为三个阶段：起始、延伸和终止复制过程分为三个阶段：起始、延伸和终止 E.coli复制起始

13、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 由由245bp组成，关键序列：三个组成，关键序列：三个13bp序列和四个序列和四个9bp序列序列 Dna A Dna B、 Dna C DNA拓扑异构酶拓扑异构

14、酶 引物引物 酶酶 SSB 3 5 3 5 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。 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 领头链的合成领头链的合成 随从链的合成随从链的合成 阶段阶段1 阶段阶段2 阶段阶段3 阶段阶段4 复复 制制 过过 程程 简简 图图 ori ter E.coli 82 32 ori ter SV40 50 0 5 5 5 RNA酶酶 OHP 5 DNA

15、-pol dNTP 5 5 P ATP ADP+Pi 5 5 DNA连接酶连接酶 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 DNA的复制只发生在的复制只发生在S期期 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 二、真核生物的二、真核生物的DNA生物合成生物合成 逆转录和其它复制方式逆转录和其它复制方式 (reverse transcription) 第四节第四节 逆转录逆转录酶酶 RNA 模板模板 逆转录酶逆转录酶 DNA-RNA 杂杂 化双链化双链 RNA酶酶 单链单链DNA 逆转录酶逆转录酶 双链双链DNA RNA 衣壳衣壳 被膜被膜 逆转逆

16、转 录酶录酶 转录转录 转译转译 整合入宿主细胞染色体整合入宿主细胞染色体DNA 进入细胞进入细胞 丢失被膜丢失被膜 丢失衣壳丢失衣壳 逆转录逆转录 RNA RNA cDNA 衣壳蛋白衣壳蛋白 被膜蛋白被膜蛋白 逆转录酶逆转录酶 分子生物学研究可应用逆转录酶，作为获取基因工分子生物学研究可应用逆转录酶，作为获取基因工 程目的基因的重要方法之一，此法称为程目的基因的重要方法之一，此法称为cDNA法。法。 以以mRNA为模板，经逆转录合成的与为模板，经逆转录合成的与mRNA碱基序碱基序 列互补的列互补的DNA链。链。 试管内合成试管内合成cDNA cDNA complementary DNA 二、

17、逆转录研究的意义二、逆转录研究的意义 逆转录酶和逆转录现象，是分子生物学研究中的逆转录酶和逆转录现象，是分子生物学研究中的 重大发现，是分子生物学重要工具酶。重大发现，是分子生物学重要工具酶。 逆转录现象扩充了中心法则，说明至少在某些生逆转录现象扩充了中心法则，说明至少在某些生 物，物，RNA同样兼有遗传信息传代与表达功能。同样兼有遗传信息传代与表达功能。 对逆转录病毒的研究，拓宽了对逆转录病毒的研究，拓宽了20世纪初已注意到世纪初已注意到 的病毒致癌理论。的病毒致癌理论。 滚环复制滚环复制(rolling circle replication) 三、滚环复制和三、滚环复制和D环复制环复制 某

18、些低等生物的复制形式，如某些低等生物的复制形式，如 X174和和 M13噬菌体等。噬菌体等。 3 -OH 5 -P 5 5 5 3 3 3 3 5 滚环复制滚环复制 5 5 3 3 5 dNTP DNA-pol D环复制环复制(D-loop replication) 是线粒体是线粒体DNA (mitochondrial DNA， mtDNA)的复制形式。的复制形式。 DNA损伤与修复损伤与修复 第五节第五节 遗传物质的结构改变而引起的遗传物质的结构改变而引起的 遗传信息改变，均可称为遗传信息改变，均可称为突变。突变。 在复制过程中发生的在复制过程中发生的DNA突变突变 称为称为DNA损伤损伤(

19、DNA damage)。 从分子水平来看，突变就是从分子水平来看，突变就是 DNA分子上碱基的改变。分子上碱基的改变。 UV 常见的化学诱变剂常见的化学诱变剂 化合物类别化合物类别作作 用用 点点分子改变分子改变 碱基类似物碱基类似物 如：如：5-BU A 5-BU G - A - - T - - G - - C - 羟胺类（羟胺类（NH2OH）T C - T - - A - - C - - G - 亚硝酸盐（亚硝酸盐（NO2）C U - G - - C - - A - - T - 烷化剂烷化剂 如：氮芥类，如：氮芥类，Nitromins G mG G mG DNA缺失缺失G 镰形红细胞贫血病人镰形红细胞贫血病人Hb (HbS) 亚基亚基 N-val his leu thr pro val glu C 肽链肽链 CAC GTG 基因基因 正常成人正常成人Hb (HbA)亚基亚基