分子生物学-06-DNA端粒的复制-课件(1)

1、线性染色体端粒DNA的复制诺贝尔生理学或医学奖诞生地瑞典斯德哥尔摩卡罗林斯卡医学院 Elizabeth H. Blackburn Carol W. Greider Jack W. Szostak 伊丽莎白布莱克本 卡萝尔格雷德 杰克绍斯塔克 The 2009 Nobel Prize in Physiology or Medicine Three Americans, Elizabeth H. Blackburn, Carol W. Greider and Jack W. Szostak win 2009 Nobel medicine prize for major genetic discov

2、eryUniversity of California San Francisco, CA, USA加利福尼亚大学加利福尼亚州旧金山，美国Johns Hopkins University School of Medicine Baltimore, MD, USA约翰霍普金斯大学医学院马里兰州巴尔的摩，美国Harvard Medical School; Massachusetts General Hospital Boston, MA, USA; Howard Hughes Medical Institute 哈佛大学医学院，麻省总医院马萨诸塞州的波士顿，美国，霍华德休斯医学研究所伊丽莎白布莱克

3、本伊丽莎白布莱克本拥有美国和澳大利亚双重国籍。她1948年出生于澳大利亚，在澳大利亚墨尔本大学修完大学课程后，27岁拿到了英国剑桥大学博士学位。布莱克本曾在美国耶鲁大学任博士后研究员，并曾任教于美国加利福尼亚大学伯克利分校，自1990年开始担任美国加利福尼亚大学旧金山分校生物学和生理学教授。伊丽莎白布莱克本因学术成就卓著曾被美国时代周刊评为年度全球最具影响力的100个人物之一。 Elizabeth H. Blackburn University of California San Francisco, CA, USA1948- 卡萝尔格雷德卡萝尔格雷德，美国人。她于1961年出生在美国加利福尼

4、亚州，曾先后就读于加利福尼亚大学圣巴巴拉分校和伯克利分校，26岁获得博士学位，其导师正是伊丽莎白布莱克本。格雷德曾在美国科尔德斯普林实验室从事博士后研究，从1997年起她开始担任约翰斯霍普金斯大学医学院教授。 Carol W. Greider Johns Hopkins University School of Medicine Baltimore, MD, USA1961- 杰克绍斯塔克杰克绍斯塔克，美国人。1952年生于伦敦，在加拿大长大。他曾先后就读于加拿大麦基尔大学和美国康奈尔大学，25岁在康奈尔大学获得博士学位。绍斯塔克自1979年开始在哈佛大学医学院任教，目前是马萨诸塞综合医院遗传

5、学教授，同时任职于美国霍华德休斯医学研究所。 Jack W. Szostak Harvard Medical School; Massachusetts General Hospital Boston, MA, USA; Howard Hughes Medical Institute 1952- 颁奖理由：发现端粒和端粒酶是如何保护染色体的机制端粒复制的爬行模型.TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGG.AACCCCAACCCC AACCCCAAC5335dGTP.TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTT.AACCCCAACCCC AACCCCAAC5335dGTP.TTGGG

6、GTTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTT.AACCCCAACCCC AACCCCAAC53353RNA templateTelomeraseRNA template555RNA template端粒酶的爬行模型（动画演示）线性DNA复制后的问题线性DNA复制后在其新生链的5端总是留下一段空隙，即缩短35533553两条模板链各自复制 引物切除 留下空隙引物 新生链355335533553对于线性DNA来讲，复制时，由于受DNA聚合酶特性限制，子代DNA链的最后一个片断去除引物后，无法填补空隙，易造成子代DNA链的缩短。染色体末端缩短对于染色体来讲，由于RNA引物的原因，DNA聚合

7、酶一定会留下染色体末端的一段DNA（即一段端粒）使其不被复制。那么真核细胞染色体末端的端粒就会随着细胞分裂而缩短。这个缩短的端粒传给子细胞后，随着细胞的再次分裂进一步缩短。端粒位于真核生物染色体末端（一条链的3-OH），由蛋白质和DNA（人类：“TTAGGG”重复序列）紧密结合的保护染色体末端的结构。端粒功能： 避免染色体DNA链的缩短；防止染色体的融合或降解；维持染色体结构的稳定性和完整性。(1) 端粒DNA (Telomer)TTGGGG(T2G4)序列高度重复的末端(1) 端粒DNA (Telomer)TTGGGG(T2G4)序列高度重复的末端5TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTG

8、GGG3(富含G 链)3AACCCCAACCCC AACCCC5(富含C 链)5TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGG3(富含G 链)3AACCCCAACCCC AACCCC5(富含C 链)page55端粒的生物学意义 （1）维持染色体结构的完整性，防止染色体被核酸酶降解及染色体间相互融和。 （2）防止染色体结构基因在复制时丢失，解决了末端复制的难题。 DNA复制时，DNA聚合酶必须在RNA引物基础上从5向3方向延伸，而5端RNA引物去除后因无而缩短，结果每复制一次染色体末端将丢失一段序列。端粒的存在使每次丢失的仅为端粒的一部分，从而保护了染色体内部的结构基因。另外，有些研究还显示，

9、端粒与核运动有关，可能对同源染色体的配对重组有重要意义。染色体末端端粒随着每次细胞分裂逐渐缩短，直到不能分裂走向衰老。这就是人类细胞衰老的原因之一。但是人类的种系细胞一生中都能维持分裂、不断增殖。其原因在于：该细胞表达端粒酶。端粒缩短引起细胞衰老值得注意的是，在绝大多数恶性肿瘤细胞中显示明显的端粒酶活性，这可能是肿瘤细胞具有永生性生长的原因之一。而在人类正常体细胞均无端粒酶活性。在单细胞生物、多细胞生物的种系细胞中都显示出弱的端粒酶活性。恶性肿瘤细胞 却不衰老 种系细胞 几不衰老端粒酶以自身一段RNA为模板，通过逆转录酶，转录出一段端粒片段并使之连接于染色体的端粒末端，使端粒不缩短，维持完整，

10、从而保持了细胞的永生化生长。端粒酶在起作用page55端粒的合成主要依靠端粒酶来催化端粒酶（telomerase） :是一种自身携带RNA模板的逆转录酶，可以催化合成端粒。DNA是一种RNA-蛋白质复合体,它自身携带的RNA具有物种特异性，可以作为模板, 通过逆转录过程对该物种DNA末端进行延长page55（2） 端粒酶（ Telomerase）1985. Carol Greider & Blackburn, 1986. Gottchling 四膜虫 端粒酶 （ telomerase ）将T2G4 末端重复延伸 游扑虫 Telomerase = RNA CAAAACCCC 链 + 末端结合蛋白

11、 （TBP） 端粒酶逆转录酶a、核蛋白（ ribonucleoprotein RNP）b、含约长150NT的RNA，其中含 15 拷贝的CxAy重复序列， 是合成端粒T2G4的模板c、延长的3-T2G4端（一段cDNA）作为5-端DNA合成的模板端粒复制的爬行模型.TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGG.AACCCCAACCCC AACCCCAAC5335dGTP.TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTT.AACCCCAACCCC AACCCCAAC5335dGTP.TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTT.AACCCCAACCCC AACCCCAAC

12、53353RNA templateTelomeraseRNA template555RNA templatepage55通过TG链的回折形成 发夹结构（GG氢键） 尺蠖模型 实现端粒酶位置的 调整端粒酶的爬行模型（动画演示）母链藉非标准碱基配对回折DNA聚合酶端粒合成完成进一步加工 如上图所示, (a)端粒酶以其RNA为模板, 通过逆转录作用, 催化富含G链的延伸; (b)端粒酶向端粒新3端移动,继续以其RNA为模板, 催化富含G的DNA母链延长; (c)端粒酶反复移位, 通过逆转录反应使端粒富含G链增长到足够长度; (d)富含C链的空缺部分不需要引物酶合成引物提供3-OH, 而是富含G的链突

13、出的寡脱氧核苷酸d(GGGGTTTTGGGG)通过非Watson-Crick配对方式自身的GGGG之间按G G配对, 回折形成发卡并提供3-OH; (e)由发卡引发富含C链在3-OH以富含G链为模板, 由DNA聚合酶添加新的dNTP, 进一步延伸填补空缺, 间隙最后由DNA连接酶封口; (f)端粒DNA与端粒蛋白结合, 完成加工后, 形成完整的端粒。 如上图所示, (a)端粒酶以其RNA为模板, 使用右边的AAC与新掺入的TTG配对, 催化富含G链的延伸; (b) 端粒酶向端粒新3端移动, 此时模板RNA左边的AAC与3端新掺入的TTG配对; (c) 端粒酶在模板RNA指导下将6个一组GGGT

14、GG添加到端粒G链3端, 重复(a) (c)反应使端粒富含G链增长; (d) 富含G链充分延伸, 而空缺的富含C链部分由引物酶合成引物RNA, 其序列互补于富含G链3端; (e) 在新合成引物引发下, DNA聚合酶合成DNA用以填补端粒富含C链的缺口; (f) 引物被切除后, 对应的富含G链突出1016个核苷酸; (g) 这种带重复序列的端粒DNA与端粒蛋白结合后, 通过GG配对自身回折在染色体末端形成套索结构(t环, telomere loop)。 附加：反转录作用（RNA指导的DNA合成）定义: 以RNA为模板, 按照RNA中的核苷酸顺序合成DNA的过程称为反转录(reverse tran

15、scription, RT)。该过程由反转录酶催化进行。1970年Temin和Baltimore同时分别从(鸡)劳氏肉瘤病毒和小白鼠白血病病毒等致病RNA病毒中分离出反转录酶，迄今已知的致癌RNA病毒都含有反转录酶。+RNA+DNA-RNA+DNA-DNA+病毒RNA的反转录过程 （以前病毒形式整合到宿主细胞DNA中而使细胞恶性转化） 单链病毒RNA RNA-DNA杂交分子 双链DNA（前病毒） 反转录酶反转录酶 反转录酶也和DNA聚合酶一样, 沿53 方向合成 DNA, 并要求短链RNA作引物。 反转录酶是多功能酶，兼有3种酶的活性： RNA指导的DNA聚合酶活性 DNA指导的DNA聚合酶活性 核糖核酸酶H的活性，专一水解RNA-DNA杂交分子中的RNA，可沿5 3和3 5两个方向起核酸外切酶的作用。 cDNA：利用反转录酶可合成出与任何RNA模板（mRNA，tRNA或rRNA）的碱