遗传信息的复制

遗传信息的复制生命的特征是什么？生命的特征就是“活的”。生命现象最本质的内容就是自复制（自我繁殖和自我组织。一个受精卵为什么变成一朵鲜花或一头大象？生物的性状是由什么决定的？又是怎样代代相传的呢？人也是从受精卵逐渐发育成完整的个体的，而决定一个人将来长成什么样子的生命蓝图就储存在受精卵的DNA中。DNA（或RNA）携带着决定蛋白质结构的遗传信息而且代代相传，这就我们遗传信息的传递（即复制、转录和翻译）要讨论的内容。为什么要讲复制？就是要了解：子代DNA为什么能真实获得亲代DNA的遗传信息；2、复制是怎样进行的？3、生物体是怎样对复制进行调控的？对于前两个问题，watson-crick当年发表DNA双螺旋结构就进行了探讨。克立克晚年回忆说，当年的设想太简单化了，DNA的两条链不可能象拉链一样拉开，各配上一半就行了。事实上现已知道的复制过程十分复杂，涉及到底物，30多种酶和蛋白质的协同作用。这些内容生化都讲过了，为了适应新的游戏规则，在这里我们将有关内容作一个快速复习。第2页,共67页，2024年2月25日，星期天——

储存和传递遗传信息蛋白质核酸——

构成生物体的基本组分，

执行各种生理功能第3页,共67页，2024年2月25日，星期天中心法则

(TheCentralDogma)转录翻译逆转录DNARNA蛋白质复制第4页,共67页，2024年2月25日，星期天

*DNA通过基因表达，决定了蛋白质的结构、功能*

DNA通过复制，将基因信息代代相传

*RNA参与DNA遗传信息的表达

*RNA也可作为某些病毒遗传信息的载体第5页,共67页，2024年2月25日，星期天复制

(replication)

——

由亲代DNA合成两个相同的子代DNA的过程。

复制亲代DNA子代DNA第6页,共67页，2024年2月25日，星期天本章主要内容：1、复制的特征2、参与复制的物质3、复制的过程4、DNA损伤与修复5、逆转录生成DNA第7页,共67页，2024年2月25日，星期天第一节复制的特征DNA复制的方式第8页,共67页，2024年2月25日，星期天一、复制可能的几种方式全保留式半保留式混合式第9页,共67页，2024年2月25日，星期天二、密度梯度实验——实验结果支持半保留复制的设想含重氮-DNA的细菌培养于普通培养液

第一代继续培养于普通培养液第二代梯度离心结果第10页,共67页，2024年2月25日，星期天(semiconservativereplication)

当DNA进行复制时，双螺旋结构解开成两条单链，各自作为模板合成与之互补的新链。在子代DNA双链中，一条是来自于亲代，另一条完全重新合成。这种复制方式称为半保留复制

三、半保留复制第11页,共67页，2024年2月25日，星期天AGAACTTTCTTGAAAGAACTTTCTTGAATCTTGAAAGAACTT母代DNA子代DNA第12页,共67页，2024年2月25日，星期天

按半保留复制方式，子代DNA与亲代DNA的碱基序列一致，即子代保留了亲代的全部遗传信息，体现了遗传的保守性。四、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，但不是绝对的。第13页,共67页，2024年2月25日，星期天DNA复制的酶学第二节第14页,共67页，2024年2月25日，星期天

参与DNA复制的物质：

底物（substrate)

:dATP，dGTP，dCTP，dTTP；

聚合酶

(polymerase):

依赖DNA的DNA聚合酶，简写为DNA-pol；

模板(template):

解开成单链的DNA母链；

引物

(primer):

一小段RNA；

其他的酶和蛋白质因子第15页,共67页，2024年2月25日，星期天在研究复制时，将与复制有关的蛋白质命名为：

DnaA,DnaB,DnaC,‥‥‥DnaX将相关的基因命名为：

dnaA,dnaB,dnaC,‥‥‥dnaX第16页,共67页，2024年2月25日，星期天一、DNA聚合酶（一）

DNA聚合酶催化的反应1、5

至3

的聚合活性dTTP3'(dNMP)n+dNTP

(dNMP)

n+1+ppi3'

ATGCAATTGC5'||||5

TACGppiT全称：依赖DNA的DNA聚合酶（DNA-dependentDNApolymerase,DDDP）第17页,共67页，2024年2月25日，星期天聚合反应的特点：1、聚合反应具有方向性:5

3

2、DNA聚合酶不能催化两个游离的脱氧核苷酸聚合，只能在一段寡核苷酸的3-OH逐个添加脱氧核苷酸，使核苷酸链不断延长。第18页,共67页，2024年2月25日，星期天5’

AGCTTCAGGATA

3’

|||||||||||3’TCGAAGTCCTAGCGAC5’3

5

外切酶活性

5

3

外切酶活性?能切除突变的DNA片段能辨认错配的碱基对，并将其水解2、核酸外切酶活性第19页,共67页，2024年2月25日，星期天（二）

DNA聚合酶的分类1、原核生物的DNA聚合酶：DNA-polⅠDNA-polⅡDNA-polⅢ第20页,共67页，2024年2月25日，星期天

——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。DNA-polⅠ第21页,共67页，2024年2月25日，星期天323个氨基酸小片段5核酸外切酶活性大片段

/

Klenow

片段

604个氨基酸

DNA聚合酶活性

5核酸外切酶活性常用工具酶N端C端木瓜蛋白酶第22页,共67页，2024年2月25日，星期天——在复制延长过程中

真正催化新链核苷酸聚合的酶DNA-polⅢ第23页,共67页，2024年2月25日，星期天2、真核生物的DNA聚合酶DNA-pol

在复制延长中起催化作用在复制延长中起催化作用在没有其他DNA-pol时才发挥催化作用在复制过程中起校读、修复和填补缺口的作用在线粒体DNA复制中起催化作用DNA-pol

DNA-pol

DNA-pol

DNA-pol

第24页,共67页，2024年2月25日，星期天（三）复制的保真性(fidelity)

DNA聚合酶对模板的依赖性，是子链与母链能准确配对的保证。复制过程中，DNA复制的保真性至少依赖三种机制：1、遵守严格的碱基配对规律2、聚合酶在复制延长时对碱基的选择功能3、复制出错时DNA-pol的及时校读功能第25页,共67页，2024年2月25日，星期天二、解链、解旋酶类(一）解螺旋酶（helicase

)

——

利用

ATP供能，作用于氢键，使DNA双链解开成为两条单链。(二)单链DNA结合蛋白（SSB）

SSBDnaBDnaC解链方向第26页,共67页，2024年2月25日，星期天(三）DNA拓扑异构酶（DNAtopoiSOmerase）108局部解链后第27页,共67页，2024年2月25日，星期天拓扑异构酶作用特点：既能水解、又能连接磷酸二酯键解链过程中，DNA分子会过度拧紧、打结、缠绕、连环等现象，均需DNA拓扑异构酶，改变DNA分子构象，理顺DNA链，使复制能顺利进行。分类：拓扑异构酶Ⅰ拓扑异构酶Ⅱ第28页,共67页，2024年2月25日，星期天拓扑异构酶Ⅰ切断DNA双链中一股链，使DNA解链旋转不致打结；适当时候封闭切口，DNA变为松弛状态（负超螺旋）拓扑异构酶Ⅱ切断DNA分子两股链，断端通过切口旋转使超螺旋松弛；利用ATP供能，连接断端，DNA分子进入负超螺旋状态。*作用机制：第29页,共67页，2024年2月25日，星期天三、引物酶和引发体引物酶(

primase

)在模板的复制起始部位催化NTP的聚合,形成短片段的RNA。这一小段RNA作为复制的引物（primer），提供3

-OH末端，使DNA-pol能够催化dNTP聚合。依赖DNA的RNA聚合酶引物酶与其他和复制有关的蛋白质形成的复合物。引发体（primosome）第30页,共67页，2024年2月25日，星期天四、DNA连接酶(DNAligase

)

连接DNA链3

-OH末端和相邻DNA链5

-P末端，使二者生成磷酸酯键，从而把两段相邻的DNA链连接成完整的链。ATPDNA连接酶在DNA修复、重组、剪接中也起连接缺口的作用。OHP第31页,共67页，2024年2月25日，星期天DNA生物合成过程第三节第32页,共67页，2024年2月25日，星期天G1G2SM哺乳动物的细胞周期DNA合成(synthesis)期人为分成：起始、延长、终止三个阶段第33页,共67页，2024年2月25日，星期天一、复制的起始需要解决两个问题：1、DNA解开成单链，提供模板2、生成引物，提供3-OH末端第34页,共67页，2024年2月25日，星期天

相关的几个概念：1、复制起始点（E.coli-oriC）GATTNTTTATTT···GATCTNTTNTATT···GATCCTTATTAG···11317293244···TGTGGATTA-‖-TTATTACACA-‖-TTTGGATAA-‖-TTATCCACA5866166174201209237245串联重复序列反向重复序列5

3

5

3

第35页,共67页，2024年2月25日，星期天复制时DNA双链解开分成二股单链‚新链沿着张开的二股单链生成，复制中形成的这种Y字形的结构称为复制叉2、复制叉（replicationfork）3

5

5

3

新链3

5

3

5

亲代DNA复制方向第36页,共67页，2024年2月25日，星期天原核生物例如E.coli，是从固定的复制起始点开始，同时向两个方向进行复制

称为双向复制（bidirectionalreplication）

3、双向复制第37页,共67页，2024年2月25日，星期天DnaA蛋白辨认起始点,形成起始复合物DnaB蛋白解螺旋DnaC蛋白协助DnaB在多种蛋白质参与下，DNA解开成单链HU蛋白促进起始SSB维持单链稳定第38页,共67页，2024年2月25日，星期天引物合成DnaADnaB、DnaCDNA拓扑异构酶引物酶OHSSB3

5

3

5

第39页,共67页，2024年2月25日，星期天真核生物的染色体庞大、复杂，有多个复制起始点，同时进行多个DNA片段的复制。两个起始点之间的DNA片段，称为一个复制子（replicon）。真核生物也是双向复制。第40页,共67页，2024年2月25日，星期天二、复制的延长第41页,共67页，2024年2月25日，星期天DNA聚合酶催化游离的脱氧核苷酸结合到新链3’末端，使其不断延长。5’3’5’DNA-polDNA-polDNA-polDNA-pol（一）复制延长的过程dATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPdCTP第42页,共67页，2024年2月25日，星期天领头链(leadingstrand

)

顺着解链方向生成的子链，其复制是连续进行的，所得到一条连续片段的子链。5’3’3

5

3

5

解链方向

（二）复制的半不连续性第43页,共67页，2024年2月25日，星期天3

5

3

5

解链方向复制方向与解链方向相反，须等待解开足够长度的模板链才能继续复制，所得到一条由不连续片段组成的子链。随从链

(

laggingstrand

)

冈崎片段（Okazakifragment）

3’5’3’3’5’第44页,共67页，2024年2月25日，星期天三、复制的终止第45页,共67页，2024年2月25日，星期天原核生物的复制终止1，多为环状DNA分子，双向复制的复制片段在复制的终止点（ter）处汇合。第46页,共67页，2024年2月25日，星期天5`5`5`RNA酶OHP5`DNA聚合酶dNTP5`5`PATPADP+Pi5`5`DNA连接酶2，随从链上不连续性片段的连接第47页,共67页，2024年2月25日，星期天真核生物的复制终止1，染色体DNA呈线状，复制在末端停止5`5`5`5`水解、聚合、连接5`5`5`5`

2，连接不连续片段第48页,共67页，2024年2月25日，星期天端粒（

telomere）真核生物染色体线性DNA分子末端的结构1、结构特点：1）由末端单链DNA序列和蛋白质构成2）末端DNA序列是多次重复的富含G、C碱基的短序列。2、功能1）维持染色体的稳定性2）维持DNA复制的完整性TTTTGGGGTTTTGGGG…第49页,共67页，2024年2月25日，星期天端粒酶（

telomerase）1一种RNA-蛋白质的复合物2一种特殊的逆转录酶,能依赖自身的RNA为模板逆转录合成端粒DNA特点：功能：复制终止时，染色体线性DNA末端确有可能缩短，但通过端粒酶的作用，可以补偿这种由除去引物引起的末端缩短。第50页,共67页，2024年2月25日，星期天四、其他复制方式第51页,共67页，2024年2月25日，星期天滚环复制rollingcirclereplication第52页,共67页，2024年2月25日，星期天DNA损伤与修复第四节第53页,共67页，2024年2月25日，星期天遗传物质的结构改变而引起的遗传信息改变，均可称为突变

mutation）

在复制过程中发生的DNA突变称为DNA损伤（DNAdamage）从分子水平来看，突变就是DNA分子上碱基的改变。第54页,共67页，2024年2月25日，星期天一、突变的意义（一）突变是进化、分化的分子基础自发突变/自然突变

（二）突变导致基因型改变没有可察觉的表型改变个体之间基因型的差别称为多态性（polymophism）（三）突变导致死亡（四）突变是某些疾病的发病基础第55页,共67页，2024年2月25日，星期天二、引发突变的因素物理因素：紫外线、各种辐射第56页,共67页，2024年2月25日，星期天化学因素：常见的化学诱变剂化合物类别作用点分子改变碱基类似物如：5-BUA

5-BUG-A--T--G--C-羟胺类（NH2OH）T

C-T--A--C--G-亚硝酸盐（NO2）C

U-G--C--A--T-烷化剂如：氮芥类，NitrominsG

mGDNA缺失G第57页,共67页，2024年2月25日，星期天三、突变的类型（一）点突变（pointmutation）——指DNA分子上一个碱基的变异发生在同型碱基之间，即嘌呤代替另一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。1、转换发生在异型碱基之间，即嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤。2、颠换第58页,共67页，2024年2月25日，星期天正常成人Hb(HbA)N–pro·

glu

·glu

·

·

·

C镰形红细贫血病人Hb(HbS)N–pro·

val

·glu

·

·

·

CCT

CGAGCACGTG第59页,共67页，2024年2月25日，星期天（二）缺失（deletion）、插入(insertion)缺失：一个碱基或一段核苷酸链从

DNA大分子上消失。插入：原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插入到DNA大分子中间。第60页,共67页，2024年2月25日，星期天谷酪蛋丝5’

……G

CA