分子生物学中心法则

1、分子生物学中心法则第1页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星期一在某些情况下，RNA也可是遗传信息的携带者，如，RNA病毒能以自己的RNA为模板自我复制。某些致癌RNA病毒通过逆转录(reverse transcription)的方式将遗传信息传递给DNA。第2页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星期一Reverse transcription中心法则及补充第3页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星期一第19章 DNA复制与修复（一）复制方式：半保留复制。 物质基础：双螺旋结构第4页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星期一氮标记技术证实了

2、DNA的半保留复制 以15NH4Cl为唯一氮源培养大肠杆菌，连续培养12代，使所有DNA标记上15N；在普通培养基（14N)培养一代后，所有DNA密度介于14N 15N之间；培养两代后， 14N和14N 15N杂合分子等量出现。继续培养， 14N分子增多。第5页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星期一(深蓝: 15N)(粉红: 14N)DNA半保留复制的证据培养于普通培养液继续培养于 普通培养液含15N-DNA的细菌普通DNA重DNA第一代中等密度DNA第二代普通DNA中等密度DNA 第6页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星期一二）复制的方式和特点第7页，共50页

3、，2022年，5月20日，9点58分，星期一第8页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星期一DNA的复制实际上就是以DNA为模板在DNA聚合酶作用下，将游离的四种脱氧三核苷酸(dATP,dGTP,dCTP,dTTP,简写为dNTP)聚合成DNA的过程。这是一个非常复杂的酶促反应，需要许多种酶和蛋白质参与。第二节 原核生物DNA的复制第9页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星期一一、DNA复制所需原料1） 底物：dATP，dGTP，dCTP，dTTP，总称为dNTP2） DNA聚合酶，DNA-pol3） 模板（template）：解开成单链的 DNA母链4） 引物（pr

4、imer）：RNA引物5） 其他酶和蛋白质因子第10页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星期一1、DNA聚合酶复制的基本酶作用特点：从引物游离3OH开始加入脱氧核苷酸，需要底物，引物，模板，能量，Mg2+。DNA聚合酶为DNA指导的酶。第11页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星期一原核细胞DNA聚合酶539DNA聚合酶 DNA聚合酶 DNA聚合酶 53聚合活性 + +聚合速度nt/s1620 7 2501000 对dNTP亲和力 低低高53外切活性 +-+35 外切活性 +功能 修复;去除引物；填补空缺 协助修复主要复制酶DNA聚合酶和：与突变存活有关的酶。第12

5、页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星期一DNA-pol 的 53聚合作用355335DNA-pol53OHP第13页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星期一DNA-pol I 5 3外切活性切除引物，切除突变片段DNA-pol I 35外切活性：校读（proofread）功能53AG53第14页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星期一小片段 大片段 （Klenow fragment）5 3 聚合功能， 3 5 外切酶活性5 3 外切酶活性DNA pol I的酶切片段EJPNMLHIORQGCDBFAK第15页，共50页，2022年，5月20日，9点5

6、8分，星期一引物酶(Primase) 55DNA合成需在RNA引物的基础上进行。RNA引物5353第16页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星期一解除DNA高级结构的酶与蛋白：DNA复制从起始点开始复制时，局部的DNA双链必须打开，主要靠解螺旋酶（helicase)的作用，打开后的单链还需要单链结合蛋白与其结合，防止复性。在复制叉向前移动时造成前方DNA分子产生正超螺旋，必须由拓扑异构酶来解决。第17页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星期一3、解螺旋酶 (helicase)解螺旋酶作用：断裂互补碱基间的氢键，使DNA成单链。基因：dnaA、B、C蛋白：DnaA、B

7、、CATP第18页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星期一4、拓扑异构酶（topoisomerase,Topo）一类能调节DNA分子超螺旋类型和水平的酶。DNA正超螺旋与负超螺旋复制后形成负超螺旋复制前方形成正超螺旋DNA双螺旋拓扑异构酶酶，引入负超螺旋第19页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星期一 消除复制叉前方形成的正超螺旋，即引入负超螺旋。切割DNA双链，此时不需ATP；尔后由ATP供能，连接切口。不需ATP，切割双链DNA中的一链，使DNA松弛后, 连接切口。Topo:Topo: 临床上使用的某些抗肿瘤药（如喜树碱等）是通过抑制Topo酶活性而杀死肿瘤细胞

8、的。作用方式：切割DNA链，使其松弛后再连接。第20页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星期一5、DNA连接酶连接DNA片断的酶连接酶(ligase)的作用是催化相邻的DNA片段以3、5磷酸二酯键相连接。连接反应中的能量来自ATP(动物细胞或噬菌体）或NAD（细菌)。 连接酶要求催化反应时缺口处有一条链是连续的。不能将两条游离的DNA分子连接起来。第21页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星期一连接酶的催化反应第22页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星期一二、DNA复制过程(544)各种生物DNA的复制过程大同小异，大致包括以下几个阶段。1、起始有固

9、定的起点（1）识别起始位点 复制是从DNA分子上的特定部位开始的，这一部位叫做复制起始点(original replication)常用ori或o表示。多双向、对称等速复制。第23页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星期一大肠杆菌的ori C大肠杆菌染色体DNA复制起始点ori C由245bp组成，关键序列在于两组短的重复：三个13bp和四个9bp组成的保守序列，是大肠杆菌中DnaA蛋白识别的位置。第24页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星期一（2）DNA解旋，形成复制叉解旋酶、拓扑异构酶与复制起点结合，解开双螺旋成两条局部的单链，SSB也随即结合上保护单链。（3

10、）RNA引物的合成 引物合成酶结合上去，形成结构复杂的引发体。引物合成酶合成引物。 第25页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星期一起始：Ori C开始，形成复杂的引发体，合成RNA引物第26页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星期一2、延伸酶催化以高速度进行在DNA聚合酶的催化下，根据模板链35的核苷酸顺序，从引物游离3OH开始加入脱氧核苷酸，直至合成整个DNA片断。酶的催化方向：53，所以新生DNA链的延伸方向也是53。两条链复制又同时进行。如何解决？一条链连续合成，称为前导链；另一条链不连续合成，为滞后链。冈崎片断：以DNA 5 3链为模板时合成的不连续的较短

11、的DNA片断。第27页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星期一The model of DNA-pol III form the catalytic core Links two coresLeading strand synthesisLagging strand synthesis act as a clamp第28页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星期一复制过程：两条链同时进行第29页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星期一滞后链的合成细节聚合酶切除引物连接酶连接冈崎片断聚合酶合成冈崎片断第30页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，

12、星期一3、终止两复制叉在终止区相遇，形成的连锁体由拓扑异构酶分开。终止子ter和终止蛋白Tus防止复制叉超过终止区过界复制。第31页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星期一第32页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星期一第三节 真核生物DNA的复制真核DNA的合成的基本过程类似于原核DNA，不同之处： 多复制起点 至少有五种聚合酶 端粒的复制依赖于端粒酶 第33页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星期一（1）真核细胞多复制起点第34页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星期一（2）真核生物DNA聚合酶真核生物至少拥有5种DNA聚合酶，分别命

13、名为、及。能在53方向聚合DNA链，但功能不尽相同。 真核细胞中与DNA复制有关的酶是DNApol（合成引物）和(合成前导链和滞后链）。还具有35外切酶的校正功能，并具有解螺旋的作用。酶和：参与修复。酶参与线粒体DNA复制。第35页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星期一真核生物染色体DNA是线性的，每复制一次，子链的5有缺失。3端有特殊的序列,是线性DNA末端复制必需的 -端粒作用：稳定染色体（3）端粒及端粒酶第36页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星期一线形DNA复制末端问题53535353第37页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星期一端粒缩短

14、第38页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星期一端粒酶（telomerase) -防止端粒缩短的酶组成 蛋白质(DNA聚合酶)+RNA(合成端粒DNA的模板)唯一携带RNA模板的逆转录酶人端粒酶: 模板(RNA-端粒酶):3-（UCCCAA）n-5 合成(DNA): 5-（AGGGTT）n-3端粒酶和衰老、肿瘤有关第39页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星期一第四节 反转录逆转录：在RNA指导下DNA的合成。即以RNA为模板，合成DNA的过程。此过程和一般遗传信息流转录的方向相反，故称为反转录，催化此过程的DNA聚合酶叫做反转录酶(reverse transcri

15、ptase) 。反转录酶不仅普遍存在于RNA病毒中，哺乳动物的胚胎细胞和正在分裂的淋巴细胞中也有反转录酶。 第40页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星期一反转录酶的活性 RNA指导的DNA聚合酶活性：反转录酶中不具有35外切酶活性，因此没有校正功能，所以由反转录酶催化合成的DNA出错率比较高。RNase H活性：由反转录酶催化合成的cDNA与模板RNA形成的杂交分子，由RNase H从RNA5端水解掉RNA分子。DNA指导的DNA聚合酶活性；以反转录合成的第一条DNA单链为模板，以dNTP为底物，再合成第二条DNA分子。第41页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星

16、期一RNA模板逆转录活性RNaseH活性RNA:DNA杂化双链单链DNADNA pol活性整合(integration)入细胞基因组双链DNA 病毒基因组通过基因重组插入到宿主细胞基因组中，称为整合。tRNA引物第42页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星期一逆转录酶将RNA逆转录成双链DNA，与宿主细胞DNA整合，可能导致癌变！病毒DNA随宿主细胞复制，转录生成RNA并翻译成蛋白。RNA和蛋白组装成病毒。第43页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星期一第五节DNA的损伤修复一、DNA的损伤（突变）的概念DNA分子一级结构的改变称为DNA损伤(DNA damage)

17、或突变（mutation）。自发突变：大多数突变属此类，原因不明。诱发突变：由理化因素诱发 物理因素（紫外、高能射线、电离辐射） 化学因素（5-F-U，烷基化试剂、亚硝酸盐、碱基类 似物）第44页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星期一二、突变的类型1. 点突变（point mutation） 也称错配（mismatch）DNA链上碱基的置换CTCGluCACValHbA 肽链HbA 基因HbS 基因HbS 肽链ATGC第45页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星期一2. 缺失、插入和相应的框移突变5. UCACGACAUAUG.35.UCAGCGACAUAUG.3

18、丝精组蛋丝丙苏酪5. UCAGACAUAUG.3丝天异亮插入缺失正常框移突变是最严重的突变！第46页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星期一三、修复：（一）直接修复（二）切除修复- 主要的修复方式（三） 错配修复（四） SOS修复 （五） 重组修复第47页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星期一(二)切除修复即在一系列酶的作用下，将DNA分子中受损伤的部分切除掉，并以完整的那一段为模板，合成出切去的部分，从而使DNA恢复正常。这是一种比较普遍的修复机制。第48页，共50页，2022年，5月20日，9点58分，星期一补充：PCR反应聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction)，简称PCR，是一种体外大量复制DN