生物化学课件：第12章 核酸的生物合成

1、第十二章第十二章 核酸的生物合成核酸的生物合成 提提 纲纲 第一节第一节 DNA的生物合成的生物合成 一、一、DNA的自我复制的自我复制 （一）（一）DNA的半保留复制的半保留复制 （二）原核生物的（二）原核生物的DNA复制过程（重点）复制过程（重点） 1. 原核原核DNA聚合酶及复制相关蛋白质聚合酶及复制相关蛋白质 2. 原核生物原核生物DNA复制过程复制过程 (三三) 真核细胞的真核细胞的DNA复制特点复制特点（自学）（自学） 二、逆转录作用二、逆转录作用 （一）逆转录酶以病毒（一）逆转录酶以病毒RNA为模板合成为模板合成cDNA （二）逆转录病毒引起癌症或艾滋病（二）逆转录病毒引起癌症或

2、艾滋病 三、三、DNA的体外扩增的体外扩增PCR反应反应（自学）（自学） 四、四、DNA的损伤、修复和突变的损伤、修复和突变 第二节第二节 RNA的生物合成的生物合成 一、转录（重点）一、转录（重点） （一）原核生物（一）原核生物RNA聚合酶的结构与特性聚合酶的结构与特性 （二）原核生物（二）原核生物RNA的合成过程的合成过程 （三）真核生物（三）真核生物RNA合成的特点合成的特点 二、二、RNA的自我复制的自我复制（自学）（自学） 三、三、RNA生物合成的抑制剂生物合成的抑制剂（自学）（自学） 现代生物学已证明，现代生物学已证明，核酸是生物遗核酸是生物遗传的物质基础。传的物质基础。 除除少数

3、少数RNARNA病毒病毒外，几乎所有生物均外，几乎所有生物均以以DNADNA为遗传信息的载体。为遗传信息的载体。 F遗传信息的传递包括：遗传信息的传递包括：FF 1. 1. 复制复制(replication)(replication)：以原以原DNADNA分子为模板，合成出分子为模板，合成出相同相同DNADNA分子的过程。分子的过程。FF 2. 2. 转录转录(transcription)(transcription)：生物遗传信息从生物遗传信息从DNADNA传递给传递给mRNAmRNA的过程。的过程。FF 3. 3. 翻译翻译(translation)(translation)：根据根据mR

4、NAmRNA链上的遗传信息合链上的遗传信息合成蛋白质的过程。成蛋白质的过程。复制复制转录转录翻译翻译逆转录逆转录复制复制1958年：年：Crick提出提出中心法则中心法则(central dogma)F7070年代发现：年代发现：FRNARNA病毒能以自己的病毒能以自己的RNARNA为为模板复制出新的病毒模板复制出新的病毒RNARNA，称称为为RNARNA复制；复制；其中，逆病毒（其中，逆病毒（retrovirusretrovirus）在宿主细胞中能以其在宿主细胞中能以其RNARNA为模为模板合成板合成DNADNA，称为逆转录称为逆转录（reverse transcriptionreverse

5、 transcription）。）。 复制复制转录转录翻译翻译逆转录逆转录复制复制 视频1 中心法则FF 核酸的生物合成包括：核酸的生物合成包括： DNADNA的生物合成：的生物合成：DNADNA复制复制和逆转录和逆转录 RNARNA的生物合成：的生物合成：RNARNA转录转录和和RNARNA复制复制第一节第一节 DNA的生物合成的生物合成FF 19531953年，年，WatsonWatson和和CrickCrick在提出在提出DNADNA双螺旋双螺旋结构模型时，就推测结构模型时，就推测DNADNA可能按照半保留机制进可能按照半保留机制进行自我复制。行自我复制。一、一、DNA的自我复制的自我复

6、制 （一）（一）DNA的半保留复制的半保留复制半保留复制（半保留复制（semiconservative replication） 在复制过程中，亲代双链在复制过程中，亲代双链解开，每条链作为模板，在其解开，每条链作为模板，在其上合成互补的子代链。上合成互补的子代链。 新形成两个子代新形成两个子代DNADNA与亲与亲代代DNADNA分子的碱基顺序完全一分子的碱基顺序完全一样。样。 每个子代每个子代DNADNA分子中有分子中有一一条链完全来自亲代条链完全来自亲代DNADNA，另一，另一条是新合成的条是新合成的。亲代双链亲代双链子代子代DNADNAFF 19581958年，年，MeselsonMes

7、elson和和StahlStahl用用1515N N标记标记E.coli. DNAE.coli. DNA，用密度梯度离心试验，用密度梯度离心试验，证明了证明了DNADNA的复制是半保留复制的复制是半保留复制。15N-15N0 generation1 generation2 generations3 generations4 generations0 and 2 mixed0 and 4 mixed15N-14N15N-15N14N-14NBottomTop该图说明什么？该图说明什么？F半保留复制具有重要的生物学意义半保留复制具有重要的生物学意义:FDNA分子以半保留方式进行复制分子以半保留方式

8、进行复制F亲代亲代DNA的一条链保留在子代的一条链保留在子代DNA分子中分子中F使使遗传信息遗传信息准确传递准确传递给子代细胞给子代细胞F保持保持遗传信息遗传信息相对稳定性相对稳定性F而不致发生而不致发生F进化上不能忍受的变化进化上不能忍受的变化思考题思考题 DNA的复制过程中，的复制过程中， 如何确保如何确保 遗传信息准确传递给子代细胞？遗传信息准确传递给子代细胞？思考题（书思考题（书p317） 4 DNA复制的高度准确性是通过哪些机制复制的高度准确性是通过哪些机制来实现的？来实现的？ （二）、原核生物的（二）、原核生物的DNA复制过程复制过程 1.原核原核DNA聚合酶及复制相关蛋白质聚合酶

9、及复制相关蛋白质 3030多种酶及蛋白质因子多种酶及蛋白质因子 参与参与DNADNA复制复制 DNADNA合成方向为：合成方向为： 5 5 33 (1)DNA聚合酶发生活性的条件聚合酶发生活性的条件 DNA聚合酶聚合酶 DNA模板（反转录时用模板（反转录时用RNA模板）模板） 引物（引物（RNA，提供游离，提供游离3 -OH） 4种种dNTP（高能底物）（高能底物） Mg2+ DNA复制的条件复制的条件 高能的底物：高能的底物：dATPdATP、dGTPdGTP、dCTP dTTPdCTP dTTP。 酶：酶：DNADNA聚合酶、解旋酶、拓扑异构酶、单链聚合酶、解旋酶、拓扑异构酶、单链DNAD

10、NA结合结合蛋白、引物酶、蛋白、引物酶、DNADNA连接酶等。连接酶等。 模板：模板：以以DNADNA两条链为模板合成新两条链为模板合成新DNADNA链。链。 引物：引物：由引物酶催化一小段由引物酶催化一小段RNA(RNA(游离游离3 3 -OH-OH) )的合成作为的合成作为 引物。引物。 方向：方向：5 5 3 3 Mg Mg2+2+n1dATP + n2dGTP + n3dCTP + n4dTTPDNA +（n1+n2+n3+n4）PPi模板模板DNA 引物引物RNAMg2+DNA聚合酶聚合酶 在大肠杆菌中发现了三种在大肠杆菌中发现了三种DNADNA聚合酶：聚合酶： DNADNA聚合酶聚

11、合酶I I、II II、IIIIII。 DNADNA聚合酶聚合酶I I： 主要功能：主要功能：参与参与DNADNA修复，切除修复，切除RNARNA引物。引物。 DNADNA聚合酶聚合酶： 主要功能：主要功能：参与参与DNADNA的损伤修复。的损伤修复。 DNADNA聚合酶聚合酶： 催化大肠杆菌催化大肠杆菌DNADNA复制主要的酶复制主要的酶。 （2 2）. .原核生物原核生物DNADNA聚合酶的种类聚合酶的种类 DNADNA聚合酶聚合酶：有三种功能：有三种功能F单体酶，分子量单体酶，分子量109Kd109Kd，含一个，含一个ZnZn2+ 2+ 。F三种催化活性：三种催化活性： FF具有具有5

12、5 3 3 聚合酶活性：聚合酶活性： 不是主要的聚合酶不是主要的聚合酶 FF具有具有3 3 5 5 外切酶活性：外切酶活性： 只对单链，起校对功能。只对单链，起校对功能。 FF 具有具有5 5 3 3 外切酶活性：外切酶活性： 对双链，损伤修复作用，及切除对双链，损伤修复作用，及切除RNARNA引物并填补引物并填补 其留下的缺口。其留下的缺口。1956年，年，Kornberg首先从大肠杆菌中分首先从大肠杆菌中分离和纯化了离和纯化了DNA聚合酶聚合酶I1959年，获诺贝尔奖年，获诺贝尔奖Structure of the Klenow fragmentof DNA polymease IThe p

13、olymerasedomainThe 3 to 5 exonucleasedomain5 3 聚合酶：聚合酶：催化催化DNA链沿新链的链沿新链的53方向延长方向延长模板链模板链新生链新生链C (unable to pair with A)C removed3 5 外切酶活性：外切酶活性：只对单链，起校对功能。只对单链，起校对功能。单链单链 5 3 外切酶活性：外切酶活性：作用于双链作用于双链DNA，从，从5末端切下单个核苷酸或一段寡核苷酸。末端切下单个核苷酸或一段寡核苷酸。双链双链5 DNA聚合酶聚合酶F单体酶，分子量单体酶，分子量120Kd120Kd。F二种催化活性：二种催化活性：F 具有具

14、有 5 5 3 3 聚合酶活性聚合酶活性( (活性很低活性很低) )F 具有具有 3 3 5 5 外切酶活性外切酶活性F 无无 5 5 3 3 外切酶活性外切酶活性 DNA DNA聚合酶聚合酶 FF 寡聚酶，全酶由寡聚酶，全酶由22个亚基组成，个亚基组成，、和和三种亚基组成核心酶。三种亚基组成核心酶。 二种催化活性：二种催化活性： 具有具有 5 5 33 聚合酶活性：聚合酶活性： 是主是主 要的聚合酶要的聚合酶 具有具有 3 3 5 5 外切酶活性外切酶活性 无无5 5 3 3 外切酶活性外切酶活性DNA聚合酶聚合酶异二聚体异二聚体DNA复制主要酶复制主要酶聚合酶聚合酶III的的-亚基亚基形成

15、钳子结构形成钳子结构围绕围绕DNA末端俯视末端俯视侧视侧视聚合酶聚合酶III-亚基具有催化亚基具有催化DNA合成的活性合成的活性2个个-亚基可以形成亚基可以形成钳子结构钳子结构将要复制的将要复制的DNA链链钳住钳住在复制时可以沿着在复制时可以沿着DNA链滑动前进链滑动前进有利于酶分子与有利于酶分子与DNADNA分子结合分子结合原核生物原核生物聚合酶聚合酶I聚合酶聚合酶II聚合酶聚合酶III功功能能5 3 聚合活性聚合活性+3 5 外切酶活性外切酶活性+5 3 外切酶活性外切酶活性+-分子量分子量109 000 120 000 140 000每个菌体中所含每个菌体中所含的酶分子数的酶分子数400

16、4020聚合速率聚合速率（核苷酸数（核苷酸数/分分/酶）酶）100060 000（3 3）. . 其它主要蛋白其它主要蛋白 DNA旋转酶（旋转酶（gyrase）FF 又称又称拓扑异构酶拓扑异构酶I I，有，有内切酶内切酶和和连接酶连接酶活活力，使力，使DNADNA正超螺旋紧张状态变为松弛状态。正超螺旋紧张状态变为松弛状态。 解链酶（解链酶（helicase）F使使DNADNA双螺旋结构变成单链双螺旋结构变成单链 F解开解开1 1对碱基，需要对碱基，需要2ATP2ATPreprep蛋白：蛋白：帮助解链帮助解链 视频视频4： 拓扑异构酶拓扑异构酶-DNA解螺旋解螺旋 单链结合蛋白（单链结合蛋白（S

17、SB）F结合在单链上结合在单链上F防止解开的单链防止解开的单链DNADNA重新形成双链重新形成双链 DNA连接酶（连接酶（ligase）F催化催化DNADNA双链双链中一条单链切中一条单链切口处游离口处游离3 3 -OH-OH末端，和末端，和5 5 磷磷酸酸基末端，基末端，F形成形成 3 3 ,5,5 - - 磷酸二酯键。磷酸二酯键。 3 -OH5 -P-P DNADNA连接酶：连接酶： 催化催化单链单链DNADNA切口切口共价连接共价连接 切口上的切口上的3 3 -OH-OH与与5 5 - -磷酸磷酸基必须相邻基必须相邻 如果缺少一个或几个核苷酸残基，连接如果缺少一个或几个核苷酸残基，连接酶

18、就不能将缺口弥和。酶就不能将缺口弥和。 也不能将两条游离的单链连接起来。也不能将两条游离的单链连接起来。 大肠杆菌大肠杆菌DNADNA连接酶供能：连接酶供能：NADNAD+ + 真核细胞真核细胞DNADNA连接酶供能：连接酶供能： ATPATP2. 原核生物原核生物DNA复制过程复制过程 DNA复制的起始复制的起始F大肠杆菌复制原点：大肠杆菌复制原点：OriC序列序列，富含，富含ATFdnaA ：在原点：在原点OriC处结合，打开双螺旋处结合，打开双螺旋FdnaB(解链酶解链酶)：使使DNA解螺旋解螺旋F旋转酶（拓扑异构酶旋转酶（拓扑异构酶I）：）：松驰松驰DNA扭曲应力扭曲应力FSSB ：

19、结合单链结合单链DNAF引物酶引物酶(dnaG)： 合成合成RNA引物，约引物，约10核苷酸核苷酸残基的残基的RNA，以提供，以提供3 -OH。 F2020个个DnaADnaA结合在四结合在四组组9bp9bp重复区，形成重复区，形成起始复合物。起始复合物。FDNADNA环绕此复合物环绕此复合物F三组三组13bp13bp重复区依重复区依次变性，产生开放型次变性，产生开放型复合物。复合物。FDnaBDnaB（在（在DnaCDnaC协助协助下）与开放复合物结下）与开放复合物结合，进一步解链。合，进一步解链。思考题（书思考题（书p317） 2 为什么为什么DNA复制需要有复制原点复制需要有复制原点，而

20、转，而转录需要有启动子？录需要有启动子？ DNA复制的延长复制的延长前导链前导链：以亲代以亲代3 3 5 5 链为模板，子代能连续合成。链为模板，子代能连续合成。滞后链滞后链：以以5 5 3 3 为模板，子代不能续合成。为模板，子代不能续合成。冈崎片段冈崎片段：滞后链上的小片段。滞后链上的小片段。DNA聚合酶聚合酶解链酶解链酶单链结合蛋白单链结合蛋白前导链前导链滞后链滞后链冈崎片段冈崎片段引物酶引物酶聚合酶聚合酶连接酶连接酶复制叉复制叉 视频： 2-DNA不连续复制F半不连续复制半不连续复制（semidiscontinuous replication）：）： FDNADNA复制过程中，新生复制

21、过程中，新生DNADNA链一条按链一条按5 5 3 3 方向方向（与复制叉移动方向一致）（与复制叉移动方向一致）连续合成连续合成，另一条按，另一条按5 5 3 3 方向（与复制叉移动方向相反）方向（与复制叉移动方向相反）不连续合成不连续合成。思考题（书思考题（书p317） 3 为什么说为什么说DNA复制是半保留半不连续复复制是半保留半不连续复制？制？半不连续复制半不连续复制复制叉复制叉每一复制叉上仅结合每一复制叉上仅结合一个一个DNA聚合酶聚合酶全酶的二全酶的二聚体。聚体。 同时合成两条子链同时合成两条子链FF 滞后链合成的模板形成环，复制叉上的滞后链合成的模板形成环，复制叉上的二聚二聚体体D

22、NA聚合酶聚合酶全酶全酶同时合成同时合成两条子链两条子链前导链和滞后链合成的协调前导链和滞后链合成的协调 视频： 3-DNA不连续复制过程不连续复制过程v 原核生物复制原核生物复制1.1. RNARNA引物的切除：引物的切除： DNADNA聚合酶聚合酶I I的的 5 5 3 3 外切酶外切酶1.1. 缺口的填补：缺口的填补：DNADNA聚合酶聚合酶I I的的 5 5 3 3 聚合酶聚合酶1.1. 切口的连接：切口的连接：DNADNA连接酶，连接酶， 2.2. 需能需能NADNAD+ +v 真核生物复制真核生物复制DNADNA连接酶，需能连接酶，需能ATPATP。 当一个滞后链被当一个滞后链被合

23、成完成后合成完成后RNA引物被引物被DNA聚合酶聚合酶I除去除去在此空隙中补上在此空隙中补上DNA片段片段留下一个缺口留下一个缺口DNA连接酶连接酶将缺口连接将缺口连接成为完整的链成为完整的链 DNA复制的终止复制的终止大肠杆菌环状大肠杆菌环状DNA复制叉相遇即终复制叉相遇即终止止终止区域：终止区域：Ter序列：序列：20bpTus蛋白：蛋白：形成形成Tus-Ter复合物复合物大肠杆菌为环形大肠杆菌为环形DNADNA。复制叉遇到复制叉遇到TerTer（20bp20bp）后，）后，TusTus与与TerTer结合结合复制叉停止前进复制叉停止前进由由DNADNA聚合酶聚合酶填补空白填补空白连接酶封

24、口。连接酶封口。DNA复制的终止复制的终止DNA聚合酶聚合酶解链酶解链酶单链结合蛋白单链结合蛋白前导链前导链滞后链滞后链冈崎片段冈崎片段引物酶引物酶聚合酶聚合酶连接酶连接酶复制叉复制叉复制的起始：复制的起始：（1 1）复制原点：）复制原点：OriCOriC序列，富含序列，富含ATAT（2 2） DNADNA解链酶解链酶解开双链解开双链DNADNA。（3 3） SSBSSB结合于结合于DNADNA单链。单链。（4 4） DNADNA旋转酶旋转酶引入负超螺旋，消除复制叉引入负超螺旋，消除复制叉前进时带来的扭曲张力。前进时带来的扭曲张力。（5 5）DNADNA引物酶引物酶( (在引发体中在引发体中)

25、 )合成合成RNARNA引物。引物。原核原核DNA复制过程小复制过程小 结结 复制的延伸：复制的延伸：（6）DNA 聚合酶聚合酶在两条新生链上同时合在两条新生链上同时合 成成 DNA。（7）DNA 聚合酶聚合酶切除切除RNA引物，并补上引物，并补上 DNA。（8）DNA 连接酶连接酶连接一个冈崎片段。连接一个冈崎片段。 复制的终止：复制的终止：（9）形成）形成Tus-Ter复合物复合物复制的保真性复制的保真性 严格遵守严格遵守碱基的配对碱基的配对原则原则 聚合酶没有从头合成能力，需要聚合酶没有从头合成能力，需要RNARNA引物引物在复制延长中，在复制延长中，对碱基配对的选择功能。对碱基配对的选

26、择功能。 复制出错时复制出错时, ,有即时的有即时的校读功能校读功能： 3 3 5 5 外切酶活性外切酶活性（作用于单链）（作用于单链）DNA复制的真实性？复制的真实性？生物体生物体DNADNA复制具有高度真实性，复制复制具有高度真实性，复制10108 8-10-101010碱碱基对，只有一个错误碱基。基对，只有一个错误碱基。 碱基配对碱基配对聚合酶反应本身具有超常的忠实性聚合酶反应本身具有超常的忠实性 RNARNA引物的使用引物的使用聚合酶聚合酶、的的3 3 5 5 外切酶功能外切酶功能DNADNA的损伤修复系统的损伤修复系统思考题思考题 DNA复制过程中，碱基配对怎样受到双复制过程中，碱基

27、配对怎样受到双重校对？重校对？ DNA聚合酶为多功能酶，又聚合作用，聚合酶为多功能酶，又聚合作用，又外切作用，互相矛盾，怎样解释？又外切作用，互相矛盾，怎样解释？思考题（书思考题（书p317） 4 DNA复制的高度准确性是通过哪些机制复制的高度准确性是通过哪些机制来实现的？来实现的？ (三三) 真核细胞的真核细胞的DNA复制特点复制特点（自学）（自学） 1.染色质的复制染色质的复制 真核真核DNA聚合酶聚合酶 五种真核五种真核DNA聚合酶：聚合酶：、 2. 端粒端粒 (Telomeres）复制）复制(三三)、真核细胞的、真核细胞的DNA复制特点复制特点（自学）（自学） 真核细胞真核细胞DNAD

28、NA复制复制 在许多方面都与大肠杆菌相似在许多方面都与大肠杆菌相似 如：如： 利用复制叉利用复制叉 进行半保留进行半保留 半不连续复制半不连续复制 FF 逆转录逆转录（reverse transcriptionreverse transcription）：以）：以RNARNA为模板合成为模板合成DNADNA的过程，与通常转录过程的过程，与通常转录过程中遗传信息流从中遗传信息流从DNADNA到到RNARNA的方向相反。的方向相反。二、逆转录作用二、逆转录作用FF 逆转录酶逆转录酶（reverse transcriptasereverse transcriptase）：）：催化逆转录反应的酶。催化

29、逆转录反应的酶。FF 许多具有许多具有RNARNA基因组的病毒含有这种酶，故基因组的病毒含有这种酶，故这类病毒又称为这类病毒又称为逆转录病毒逆转录病毒（retrovirusretrovirus）。）。它们多是致癌病毒。它们多是致癌病毒。（一）逆转录酶以病毒（一）逆转录酶以病毒RNA为模板合成为模板合成cDNA 依赖依赖RNA的的DNA聚合酶活性聚合酶活性cDNA：以以RNA为模为模板，合成互补板，合成互补DNA（cDNA）形成形成RNA-DNA杂交分子杂交分子逆转录酶具有逆转录酶具有3种种活性：活性： 依赖依赖RNA的的DNA聚合酶活性聚合酶活性 RNase H（核糖核酸酶（核糖核酸酶H）活性

30、）活性 依赖依赖DNA的的DNA聚合酶活性聚合酶活性逆转录酶具有逆转录酶具有: : DNADNA聚合酶活性聚合酶活性: : RNARNA指导指导DNADNA聚合酶聚合酶 方向方向: 5: 5 3 3 DNADNA指导指导DNADNA聚合酶聚合酶 方向方向: 5: 5 3 3 RNase HRNase H活性活性（降解（降解RNARNA活性）活性）逆转录病毒逆转录病毒 逆转录酶和逆转录过程逆转录酶和逆转录过程 视频5、 6 （二）、逆转录病毒引起癌症或艾滋病（二）、逆转录病毒引起癌症或艾滋病F逆转录酶逆转录酶F存在于所有致癌存在于所有致癌RNARNA病毒中病毒中F它存在与它存在与RNARNA病毒

31、引起细胞恶性转化有关。病毒引起细胞恶性转化有关。F艾滋病毒（艾滋病毒（AIDSAIDS）人类免疫缺陷病毒（人类免疫缺陷病毒（HIVHIV）也是一种反转录病毒也是一种反转录病毒主要感染主要感染T T4 4淋巴细胞和淋巴细胞和B B淋巴细胞淋巴细胞 艾滋病毒是逆病毒，病毒感染细胞后能杀艾滋病毒是逆病毒，病毒感染细胞后能杀死寄主淋巴细胞，导致免疫系统瘫痪。死寄主淋巴细胞，导致免疫系统瘫痪。 其基因组较为复杂。这个病毒基因组的其基因组较为复杂。这个病毒基因组的enuenu基因突变非常快基因突变非常快，复制时出错率非常，复制时出错率非常高，因而使艾滋病的防治非常困难。高，因而使艾滋病的防治非常困难。 有

32、些病毒可以引起癌症有些病毒可以引起癌症 例如例如劳氏肿瘤病毒劳氏肿瘤病毒 其基因组中含有一个其基因组中含有一个src基因基因。此基因编码。此基因编码酪氨酸蛋白激酶酪氨酸蛋白激酶，能大量促进细胞分裂，能大量促进细胞分裂，乃至形成肿瘤。乃至形成肿瘤。 劳氏肉瘤病毒的基因组劳氏肉瘤病毒的基因组 三、三、DNA的体外扩增的体外扩增PCR反应（自学）反应（自学）FF一些物理化学因子如紫外线、电离辐射、化学诱一些物理化学因子如紫外线、电离辐射、化学诱变剂均可引起变剂均可引起DNADNA损伤，破坏其结构与功能。损伤，破坏其结构与功能。FF在一定条件下，生物机体能使这种损伤得到修复。在一定条件下，生物机体能使

33、这种损伤得到修复。 四、四、DNA的损伤、修复和突变的损伤、修复和突变FF 紫外线紫外线可使可使DNADNA分子中同一条链上两个相邻的胸分子中同一条链上两个相邻的胸腺嘧啶碱基之间形成腺嘧啶碱基之间形成二聚体（二聚体（TTTT），两个，两个T T以共价以共价键形成环丁烷结构。键形成环丁烷结构。CTCT、CCCC间也可形成少量二聚体间也可形成少量二聚体（CTCT、CCCC），使复制、转录受阻。），使复制、转录受阻。 （一）、（一）、DNA损伤损伤二聚体（二聚体（TTTT）2015年诺贝尔化学奖，授予：年诺贝尔化学奖，授予：瑞典科学家托马斯瑞典科学家托马斯林达尔、美国科学家保罗林达尔、美国科学家保罗

34、莫德里莫德里克和拥有美国、土耳其国籍的科学家阿齐兹克和拥有美国、土耳其国籍的科学家阿齐兹桑贾尔。桑贾尔。DNA修复的细胞机制研究修复的细胞机制研究 视频8 2015年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖 DNA修复的细胞机制研究修复的细胞机制研究DNA修复机理：修复机理： 林达尔：林达尔：碱基切除修复。碱基切除修复。即细胞里有一些酶（即细胞里有一些酶（尿嘧啶糖苷水解酶、糖苷酶等），鉴别某些特尿嘧啶糖苷水解酶、糖苷酶等），鉴别某些特定的定的DNA碱基错误，然后把它从碱基错误，然后把它从DNA的链上切的链上切掉，从而修复它。掉，从而修复它。 莫德里克：莫德里克：DNA错配修复。错配修复。细胞会对细胞会对DN

35、A链进链进行标记，蛋白质可以凭借这种标记来判断哪条行标记，蛋白质可以凭借这种标记来判断哪条是旧链、哪条是新链，从而知道该去修复谁。是旧链、哪条是新链，从而知道该去修复谁。 桑贾尔：桑贾尔：核苷酸切除修复。核苷酸切除修复。细菌细菌DNA在致命的在致命的紫外线照射下之后，如果再用可见蓝光照射，紫外线照射下之后，如果再用可见蓝光照射，它们能死里逃生，复苏过来。把细菌它们能死里逃生，复苏过来。把细菌DNA从紫从紫外线的损伤中解救出来的功臣是外线的损伤中解救出来的功臣是光解酶光解酶，所以，所以这个过程被称为核苷酸切除修复。这个过程被称为核苷酸切除修复。 这三种发现都是这三种发现都是DNA修复的机理修复的

36、机理 其中任何一种出现问题，都会导致疾病其中任何一种出现问题，都会导致疾病 如癌症的产生。如癌症的产生。 碱基切除修复如果有缺陷，会增加患碱基切除修复如果有缺陷，会增加患肺癌肺癌的的风险；风险；DNA错配修复如果出问题，会增加错配修复如果出问题，会增加患患遗传性结肠癌遗传性结肠癌的风险；核苷酸切除修复如的风险；核苷酸切除修复如果遭受先天性损伤，会让人对紫外线极为敏果遭受先天性损伤，会让人对紫外线极为敏感，并且在阳光下暴露后会发展为感，并且在阳光下暴露后会发展为皮肤癌皮肤癌。 DNA修复系统缺失还会导致神经退行性疾修复系统缺失还会导致神经退行性疾病，如病，如老年痴呆等，以及衰老老年痴呆等，以及衰

37、老。 （二）、（二）、DNA修复系统修复系统F细胞内具有一系列起修复作用的酶系统细胞内具有一系列起修复作用的酶系统F可以除去可以除去DNADNA损伤，恢复损伤，恢复DNADNA的双螺旋结构。的双螺旋结构。F有有4 4种酶修复系统：种酶修复系统：F光复活光复活F暗修复暗修复: :切除修复、重组修复、切除修复、重组修复、SOS SOS 修复修复. .1. 光复活光复活FF可见光（可见光（400400500 nm500 nm）可激活）可激活光裂合酶光裂合酶FF此酶能分解由此酶能分解由于紫外线形成的于紫外线形成的嘧啶二聚体。嘧啶二聚体。形成嘧啶二聚体形成嘧啶二聚体光裂合酶光裂合酶结合结合受损部位受损部

38、位酶被可见光酶被可见光激活激活修复后释放酶修复后释放酶2. 切除修复切除修复切开切开切除切除修复修复连接连接5 3 外切酶外切酶5 3 聚合酶聚合酶IDNA聚合酶I3. 重组修复重组修复F切除修复发生切除修复发生在在DNADNA复制之前复制之前F当当DNADNA发动复制发动复制时尚未修复损伤时尚未修复损伤部位部位F可以可以先复制先复制F再重组修复再重组修复重组酶重组酶4. SOS 修复修复FF 避免差错的修复（避免差错的修复（error free repairerror free repair）：）：光复合、切除修复、重组修复光复合、切除修复、重组修复对对DNADNA损伤的修损伤的修复都不导致

39、复都不导致DNADNA突变。突变。F倾向差错的修复（倾向差错的修复（error prone repairerror prone repair）：）：SOSSOS修复修复。F在在DNADNA损伤后，损伤后，DNADNA复制过程以脱氧核苷酸的复制过程以脱氧核苷酸的聚合发生差错为代价，强行合成完整子代链的聚合发生差错为代价，强行合成完整子代链的一种挽救性修复。一种挽救性修复。SOS 修复修复倾向差错修复倾向差错修复以聚合发生差错为代价的挽救性修复以聚合发生差错为代价的挽救性修复低保真度聚合酶低保真度聚合酶II、 IV、V抗药性细菌抗药性细菌 F4 4种酶修复系统总结：种酶修复系统总结：F光复合修复：

40、光复合修复：利用光能利用光能F其余三种修复：其余三种修复：均利用均利用ATPATP水解所释放的水解所释放的能量。能量。F光复合和切除修复：光复合和切除修复：是修复模板链；是修复模板链；F重组修复：重组修复：不是对损伤链直接修复，而是不是对损伤链直接修复，而是形成一条新正常模板链。形成一条新正常模板链。FF SOSSOS修复：修复：是导致突变的修复。是导致突变的修复。思考题（书思考题（书p317） 6 DNA修复对生物体有何意义？试比较修复对生物体有何意义？试比较切切除修复除修复与重组修复。与重组修复。 （三）、（三）、DNA突变突变FF 不能修复的损伤或修复过程带来的差错，不能修复的损伤或修复

41、过程带来的差错，将引起将引起DNADNA序列的永久性改变。序列的永久性改变。F突变有三种形式：突变有三种形式：F置换置换F插入插入F缺失缺失 置换：置换： 碱基顺序碱基顺序颠倒颠倒，如，如TATA被颠倒被颠倒成成ATAT； 某个碱基被某个碱基被调换调换，如，如ATAT换成换成GCGC； 插入：插入：多了一对或几对碱基多了一对或几对碱基 缺失：缺失：少了或几对碱基少了或几对碱基颠倒颠倒调换调换插入插入缺失缺失第二节第二节 RNA的生物合成的生物合成FRNARNA的生物合成包括的生物合成包括: : 转录、转录、RNARNA复制复制转录转录复制复制F细胞内的各类细胞内的各类RNARNA，包括，包括m

42、RNAmRNA、rRNArRNA和和tRNAtRNA，都是都是以以DNADNA为模板为模板，在，在RNARNA聚合酶的催化下聚合酶的催化下合成。合成。FF除逆转录病毒，其它的除逆转录病毒，其它的RNARNA病毒均以病毒均以RNARNA为为模板进行复制。模板进行复制。一、转录一、转录F转录转录（transcription）：F以一段以一段DNA的遗传信息为模板，在的遗传信息为模板，在RNA聚合酶作用下，合成出对应的聚合酶作用下，合成出对应的RNA的过程，的过程，或在或在DNA指导下合成指导下合成RNA。FF转录单位：转录单位：RNARNA转录是从转录是从DNADNA反义链上的一反义链上的一个特定

43、位点开始，延伸到另一个位点处终止，个特定位点开始，延伸到另一个位点处终止，此转录区域称为转录单位。此转录区域称为转录单位。 F一个转录单位一个转录单位可以是一个基因（真核）可以是一个基因（真核）F一个转录单位一个转录单位也可以是多个基因（原核）也可以是多个基因（原核）F转录单位起点核苷酸为转录单位起点核苷酸为+1+1F起点右边：起点右边：为下游（转录区）为下游（转录区）F用正数表示用正数表示：+1+1、+2+2、+3+3F起点左侧：起点左侧：为上游（非转录区）为上游（非转录区）F用负数表示用负数表示：-1-1、-2-2、-3-33553-4 -3 -2 -1 +1 +2 +3 +4 +5ini

44、tiaion site下游（转录区）下游（转录区）上游（非转录区）上游（非转录区）反义链反义链（antisense strandantisense strand）：转录的模板链，转录的模板链， 也可表示为也可表示为负（负（- -）链）链。 正义链正义链（sense strandsense strand）：编码链编码链 ，也可表示，也可表示 为为正（正（+ +）链）链（- -）（+ +）正义链（正义链（+ +）反义链（反义链（- -）FFRNARNA的转录只涉及的转录只涉及DNADNA一条链的某一区段一条链的某一区段FF故又叫故又叫不对称转录不对称转录RNARNA合成的反应基本特征：合成的反应基

45、本特征： RNARNA聚合酶聚合酶 底物：底物：NTPNTP（ATPATP、GTPGTP、CTPCTP、UTPUTP） DNADNA模板模板 不需要引物不需要引物 RNARNA链生长方向：链生长方向：5 5 33 FF 转录与转录与DNA复制的异同：复制的异同：相异：相异： 复制需要引物，转录不需引物。复制需要引物，转录不需引物。 转录时，模板转录时，模板DNADNA的的信息全保留信息全保留，复制时模板，复制时模板信信息是半保留息是半保留。 转录时，转录时，RNARNA聚合酶只有聚合酶只有5 5 33 聚合作用，聚合作用， 无无5 5 33 及及3 3 55 外切活性。外切活性。 产物不同产物

46、不同相同：相同：新链延伸方向新链延伸方向5 5 33 ；延长时；延长时3 3 ,5,5 - -磷酸二酯键相磷酸二酯键相连；焦磷酸水解放出能量推动合成反应。连；焦磷酸水解放出能量推动合成反应。复制和转录的异同点复制和转录的异同点复复 制制转转 录录模模 板板两股链均复制两股链均复制模板链复制模板链复制原原 料料dNTPdNTPNTPNTP酶酶DNA-polDNA-pol有校对功能有校对功能RNA-polRNA-pol无校对功能无校对功能特特 点点半保留复制半保留复制不对称转录不对称转录产产 物物子代双链子代双链DNADNAmRNA,tRNA,rRNAmRNA,tRNA,rRNA配配 对对A-T,

47、C-GA-T,C-GA-U,T-AA-U,T-A引引 物物需要需要RNARNA不需要不需要RNARNA合成链方向合成链方向5 5 3 3 5 5 3 3 思考题（书思考题（书p317） 5 DNA复制和复制和RNA转录各有何特点，试比转录各有何特点，试比较之。较之。（一）原核生物（一）原核生物RNA聚合酶的结构与特性聚合酶的结构与特性F大肠杆菌大肠杆菌 RNARNA聚合酶全酶：聚合酶全酶：F分子量分子量5050万万DaDa，五个亚基：，五个亚基：2 ，有两个，有两个ZnZn2+2+。F核心酶（核心酶（ 2 ）：）：无无亚基亚基F核心酶只能使已开始合成的核心酶只能使已开始合成的RNARNA链延长

48、，不具备起链延长，不具备起始合成活性。始合成活性。F亚基称为起始因子亚基称为起始因子F加入加入亚基后，全酶才具有起始合成亚基后，全酶才具有起始合成RNARNA能力能力大肠杆菌大肠杆菌RNA聚合酶的结构聚合酶的结构在大肠杆菌中，三类在大肠杆菌中，三类RNA（mRNA、tRNA、rRNA）均由同一种）均由同一种RNA聚合酶（聚合酶（ 2 ）合成。）合成。RNA聚合酶各亚基的功能聚合酶各亚基的功能:FF 亚基亚基:与启动子和活化与启动子和活化因子结合因子结合FF 亚基亚基:结合核苷酸底物结合核苷酸底物,催化形成磷催化形成磷 酸二酯键。酸二酯键。FF 亚基亚基:与模板与模板DNA结合结合.FF 亚基亚

49、基: 功能未知。功能未知。FF 亚基亚基: 识别启动子识别启动子,促进促进转录开始。转录开始。FRNA聚合酶没有校对功能聚合酶没有校对功能F即没有即没有5 3 及及3 5 外切活性外切活性F转录（误差率约在转录（误差率约在10-4-10-5 ）产物的序列忠实）产物的序列忠实性大大低于复制（误差率约在性大大低于复制（误差率约在10-9-10-10 ）。）。F 但由于基因重复转录，且遗传密码简并性。但由于基因重复转录，且遗传密码简并性。F所以所以RNA合成的低忠实性是可以容忍。合成的低忠实性是可以容忍。大肠杆菌大肠杆菌RNA聚合酶的催化聚合酶的催化（二）原核生物（二）原核生物RNA的合成过程的合成

50、过程F转录的起始：转录的起始：由由DNADNA上上启动子区域启动子区域控制控制F转录的终止：转录的终止：由由DNADNA上上终止子区域终止子区域控制控制F转录是通过转录是通过DNADNA指导指导RNARNA聚合酶来实现聚合酶来实现 1.1.亚基使亚基使RNARNA聚合酶识别启动子聚合酶识别启动子 启动子启动子（promoterpromoter）：RNARNA聚合酶识别、结聚合酶识别、结合并开始转录所必需的合并开始转录所必需的一段一段DNADNA序列序列。-35序列序列-10序列序列(Pribnow box)识别部位识别部位结合部位结合部位转录起点转录起点启动子启动子-35-35序列：序列：提供

51、提供RNARNA聚合酶识别信号聚合酶识别信号-10-10序列：序列：有助于有助于DNADNA局部双链解开局部双链解开FF 起始过程中，起始过程中，因子因子起关键起关键作用，它能使作用，它能使聚合酶迅速地聚合酶迅速地与与DNADNA的启动的启动子结合。子结合。开放启动子复合物开放启动子复合物 转录的起始转录的起始: RNA聚合酶全酶（聚合酶全酶（ 2 ）结合在启动子上结合在启动子上 局部解开双链局部解开双链DNA 转录起点转录起点: 5 端端:第第1个个核苷酸掺入的位置核苷酸掺入的位置, 第第1个核苷酸个核苷酸是是GTP或或ATP。 ：离开离开RNA聚合酶聚合酶,剩下核心酶（剩下核心酶（2）.

52、核心酶与摸板链结合较松弛核心酶与摸板链结合较松弛视频 7 思考题（书思考题（书p317） 2 为什么为什么DNA复制需要有复制原点，复制需要有复制原点，而转而转录需要有启动子？录需要有启动子？2. 转录链的延长转录链的延长转录泡转录泡模板链模板链编码链编码链F转录起始后，转录起始后，亚基释放，亚基释放，离开核离开核心酶。心酶。F使核心酶使核心酶 构象构象变化，与变化，与DNADNA模板模板亲和力下降，在亲和力下降，在DNADNA上移动速度加上移动速度加快，使快，使RNARNA链链5 5 33 不断延长。不断延长。正超螺旋正超螺旋负超螺旋负超螺旋 RNA聚合酶核心酶：聚合酶核心酶： 与与DNA链

53、结合没有特异性。链结合没有特异性。 RNA延长：延长： 是在核心酶、是在核心酶、DNA、新生、新生RNA的的1个区域个区域内进行。内进行。 转录鼓泡：转录鼓泡： 新生新生RNA链与模板链链与模板链DNA形成一杂交形成一杂交RNA-DNA双螺旋链双螺旋链，约有，约有12bp，含有，含有核核心酶心酶、DNA模板链的解螺旋区域。模板链的解螺旋区域。 转录鼓泡：转录鼓泡：DNADNA解螺旋区域解螺旋区域RNA-DNARNA-DNA双螺旋双螺旋 链（链（12bp12bp）核心酶核心酶3. 转录链的终止转录链的终止FF 许多转录过程可被基因末端的一段特异许多转录过程可被基因末端的一段特异的碱基序列所终止。

54、的碱基序列所终止。提供转录停止信号的提供转录停止信号的DNADNA序列称为序列称为终止子（终止子（terminatorterminator）。FF所有原核生物终止子的区域都有一个所有原核生物终止子的区域都有一个回回文结构文结构，它转录出来，它转录出来RNARNA可以形成一个颈环可以形成一个颈环式的式的发夹结构发夹结构，其作用使转录终止。，其作用使转录终止。FF原核生物终止子：原核生物终止子：转录转录FF原核生物启动子：原核生物启动子：不转录不转录发夹结构发夹结构十字形结构十字形结构回文序列回文序列转录终止后，转录终止后，RNA聚合酶从聚合酶从DNA链上脱离下来。链上脱离下来。 不依赖于不依赖于

55、的终止子（简单终止子）的终止子（简单终止子） 简单终止子回文对称区通常有一段富含简单终止子回文对称区通常有一段富含GCGC的序列，其转录产物生成发夹结构和一寡的序列，其转录产物生成发夹结构和一寡聚聚U U序列。序列。RNA的终止有两种方式：的终止有两种方式： 依赖依赖的终止子的终止子 依赖依赖的终止子，必需在的终止子，必需在因子存在因子存在时，才发生终止作用。时，才发生终止作用。因子又称因子又称终止因子终止因子，可水解三磷酸核苷。可水解三磷酸核苷。回文序列回文序列茎环结构茎环结构寡聚寡聚U序列序列不不依依赖赖于于的的终终止止子子依依赖赖的的终终止止子子大肠杆菌大肠杆菌RNA转录过程的示意图转录

56、过程的示意图转录过程总结转录过程总结（1 1）转录的起始）转录的起始 RNARNA聚合酶全酶（聚合酶全酶（ 2 ）识别转录）识别转录启动子启动子 对对DNADNA进行解链、解旋。进行解链、解旋。第第1 1个核苷酸是个核苷酸是GTPGTP或或ATPATP。（2 2）RNARNA链的延长链的延长 离开摸板链离开摸板链核心酶核心酶（ 2）和转录鼓泡）和转录鼓泡（3 3）转录的终止：）转录的终止：终止子终止子与终止因子与终止因子（三）真核生物（三）真核生物RNA合成的特点合成的特点1. 真核生物的真核生物的RNA聚合酶聚合酶- -鹅膏覃碱鹅膏覃碱( (真菌）真菌）: :能抑制真核能抑制真核RNARNA聚聚合酶合酶但对细菌但对细菌RNARNA聚合聚合酶抑制作用极微弱。酶抑制作用极微弱。 2. 真核细胞新生真核细胞新生RNA的加工的