第四节 DNA复制、损伤与修复课件

DNA复制、损伤与修复第四节1.DNA复制DNA复制依赖于特殊的碱基配对碱基互补配对原则

A＝TG≡C

DNA复制是半保留式的

1953年，Watson&Crick提出

DNA复制发生在细胞分裂周期的S期

DNA双螺旋在解旋酶的作用下解旋，2条链中间的碱基对分开，成为2条单链；每一条单链都作为模板；

每条链上暴露出来的碱基各自与一个游离于核中的4种三磷酸脱氧核苷酸（T、G、A、C）按照碱基配对原则配对，形成与之互补的核苷酸；DNA半保留式复制：在与单链上配对的核苷酸之间形成磷酸二酯键，在DNA聚合酶的作用下形成链条新的互补链（子链），其中DNA聚合酶只能使核苷酸按5’3’

方向连接。最终形成各含一条母链和一条子链的2个双链DNA分子。DNA半保留式复制：半保留模型DNA聚合酶和冈崎片段（半不连续复制）

DNA聚合酶的共同特点：（1）需要提供合成模板；需要Mg2＋催化；（2）不能起始新的DNA链，必须要有引物提供3’-OH；（3）合成的方向都是5’→3’（4）除聚合DNA外还有其它功能。

而DNA母链（模板链）方向为5’→3’和3’→5’，如何解决这一矛盾？DNA聚合酶和冈崎片段（半不连续复制）冈崎片段与半不连续复制模型在5’→3’这一模板上，DNA聚合酶仍按照5’→3’方向先反方向地合成一系列小的片段，称为冈崎片段然后这些小片段再通过DNA连接酶的作用，互相连接起来而成长链。3PolymeraseIII5’3’前导链Leadingstrandbasepairs5’5’3’3’Helicase

ATP单链结合蛋白SSBProteinsRNA引物RNAPrimer引物酶primase2聚合酶IIIPolymeraseIII滞后链Laggingstrand冈崎片断OkazakiFragments1RNAprimerreplacedbypolymeraseI&gapissealedbyligase

连接酶Summary：DNA复制过程模式图1）原材料：双链DNA（模板），核苷酸（底物）；2）辅助条件：解旋酶，单链结合蛋白，DNA聚合酶，引物酶，DNA连接酶2.DNA损伤及修复一、突变的意义（一）突变是进化、分化的分子基础（二）突变导致基因型改变（三）突变导致死亡（四）突变是某些疾病的发病基础二、引起突变的因素1．自发因素：

(1)自发脱碱基：N-糖苷键的自发断裂

(2)自发脱氨基：C→U，A→I(3)复制错配：（发生频率较低）

2.物理因素

紫外线(ultraviolet,UV)、各种辐射Thyminedimers胸腺嘧啶二聚体3．化学因素：(1)脱氨剂：如亚硝酸与亚硝酸盐，可加速C脱氨基生成U，A脱氨基生成I。烷基化剂：引起碱基或磷酸基的烷基化，甚至可引起邻近碱基的交联

DNA加合剂：嘌呤共价结合引起损伤

碱基类似物：可掺入到DNA分子中引起损伤或突变

断链剂：如过氧化物，含巯基化合物等，可引起DNA链的断裂

6-分子生物学化学诱变剂——碱基类似物5-bromouracil5-溴尿嘧啶6-分子生物学Mutageniceffectsof5-bromouracil5-溴尿嘧啶引起的突变三、突变的分子改变类型错配(mismatch)缺失(deletion)插入(insertion)重排(rearrangement)移码(frame-shift)

DNA分子上的碱基错配称点突变(pointmutation)。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（一）错配碱基的转换（二）缺失、插入和移码缺失：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。移码突变是指三联体密码的阅读方式改变，造成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变。

缺失或插入都可导致移码突变

6-分子生物学

遗传密码遗传密码——DNA分子中核苷酸的排列顺序与蛋白质中氨基酸排列顺序之间的对应关系。遗传密码是由三个碱基组成的，因此叫三联体密码，64个，其中61个负责氨基酸的翻译。遗传密码的特点具有连续可读性和不重叠性简并现象具有起始密码子和终止密码子普遍通用性（线粒体DNA除外）6-分子生物学遗传密码表6-分子生物学PHEPHESERSERSERSERTYRTYRCYSCYSLEULEULEULEULEULEUSTOPSTOPSTOPTRPPROPROPROPROHISHISARGARGARGARGGLNGLNILEILEILETHRTHRTHRTHRASNASNSERSERLYSLYSARGARGMETVALVALVALVALALAALAALAALAASPASPGLYGLYGLYGLYGLUGLUNEUTRAL-NONPOLAR

NEUTRAL-POLAR

BASIC

ACIDIC谷酪蛋丝5’……G

C

A

GUA

CAU

GUC……丙缬组缬正常5’……G

A

G

UAC

AUG

UC……缺失C缺失引起移码突变DNA突变的效应：同义突变错义突变无义突变移码突变6-分子生物学Typesofbasepairsubstitutionsandmutations.6-分子生物学Typesofbasepairsubstitutionsandmutations.（三）重排DNA分子内较大片段的交换，称为重组或重排。

由基因重排引起的两种地中海贫血基因型6-分子生物学缺失重复倒位易位四、DNA损伤的修复修复(repairing)

是对已发生分子改变的补偿措施，使其回复为原有的天然状态。光修复切除修复重组修复SOS修复

修复的主要类型（一）光修复光修复酶(photolyase)

UV300～600nm可见光6-分子生物学光修复UvrAUvrBUvrCOHPDNA聚合酶ⅠOHP

（二）切除修复是细胞内最重要和有效的修复机制，主要由DNA-polⅠ和连接酶完成。DNA连接酶ATPE.coli的切除修复机制（三）重组修复6-分子生物学重组修复（四）SOS修复当DNA损伤广泛难以继续复制时，由此而诱发出一系列复杂的反应。这种修复特异性低，对碱基的识别、选择能力差。通过SOS修复，复制如能继续，细胞是可存活的。然而DNA保留的错误较多，导致较广泛、长期的突变。与DNA修复有关的人类遗传疾病：着色性干皮病

布伦氏症候群

遗传性大肠癌

6-分子生物学Xerodermapigmentosum干皮性色素沉着原因:核苷酸切除修复机制出现缺失核苷酸切除修复是人体内唯一可以去除嘧啶二聚体的机制症状:对光线非常敏感日光照射容易罹患皮肤癌第5节基因表达及调控RNA的合成（转录）蛋白质的合成（翻译）基因表达的调控6-分子生物学AGUUAGCUAGCDNARNATranscriptionTCATCGATCGA6-分子生物学TCAATCGATCGAGUUAGCUAGCDNAmRNAMetUA1CAU2IleCTranslationmessengertRNAtransferRibosome6-分子生物学UAGCUAGCDNAmRNAtRNAMetIleAU2CU3AspGATCAATCGATCGAGU6-分子生物学ATCGATCGUAGCUAGCDNAmRNAProteinMetIleAspTCAAGU6-分子生物学ATCGATCGUAGCUAGCDNAmRNADestroyedTCAAGU转录(transcription)生物体以DNA为模板合成RNA的过程。

转录RNADNA

I

RNA的生物合成（转录）参与转录的物质原料:

NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)模板:

DNA酶:

RNA聚合酶(RNApolymerase,RNA-pol)其他蛋白质因子复制和转录的区别（一）转录模板DNA双链中按碱基配对规律能指引转录生成RNA的一股单链，称为模板链(templatestrand)，也称作有义链或Watson链。相对的另一股单链是编码链(codingstrand)，也称为反义链或Crick链。6-分子生物学DNA以全保留的方式转录成RNA5’3’方向5′···GCAGTACATGTC···3′3′···cgtcatgtacag···5′5′···GCAGUACAUGUC···3′N······Ala·Val·His·Val······C编码链模板链mRNA蛋白质转录翻译不对称转录在DNA分子双链上某一区段，一股链用作模板指引转录，另一股链不转录；模板链并非永远在同一条单链上。（二）RNA聚合酶1.原核生物的RNA聚合酶核心酶全酶

RNA聚合酶全酶在转录起始区的结合6-分子生物学转录过程

场所：主要在细胞核模板：DNA的一条链原料：4种核糖核苷酸原则：碱基互补配对原则（A-U）产物：RNA原核生物：只有一种RNA聚合酶真核生物：RNA聚合酶ⅠrRNARNA聚合酶ⅡmRNA前体

RNA聚合酶ⅢtRNA等

（一）转录起始转录起始需解决两个问题：RNA聚合酶必须准确地结合在转录模板的起始区域。DNA双链解开，使其中的一条链作为转录的模板。一、原核生物的转录过程2.DNA双链解开1.RNA聚合酶全酶(2)与模板结合3.在RNA聚合酶作用下发生第一次聚合反应，形成转录起始复合物转录起始过程6-分子生物学启动子RNA聚合酶（二）转录延长1.

亚基脱落，RNA–pol聚合酶核心酶变构，与模板结合松弛，沿着DNA模板前移；

2.在核心酶作用下，NTP不断聚合，RNA链不断延长。(NMP)n

+

NTP

(NMP)n+1

+PPi6-分子生物学转录空泡(transcriptionbubble)：RNA-pol（核心酶）

····DNA····RNA依赖Rho(ρ)因子的转录终止不依赖Rho因子的转录终止（三）转录终止指RNA聚合酶在DNA模板上停顿下来不再前进，转录产物RNA链从转录复合物上脱落下来。分类ATP1.依赖Rho因子的转录终止6-分子生物学终止子2.不依赖Rho因子的转录终止几种主要的修饰方式1.剪接(splicing)2.剪切(cleavage)3.

修饰(modification)4.

添加(addition)二转录后修饰一、真核生物mRNA的转录后加工（一）首、尾的修饰5

端形成帽子结构(m7GpppGp—)3

端加上多聚腺苷酸尾巴(polyAtail)帽子结构（二）mRNA的剪接1.

hnRNA

和snRNA核内的初级mRNA称为核不均一RNA或杂化核RNA(hetero-nuclearRNA,hnRNA)snRNA(smallnuclearRNA)核内的蛋白质小分子核糖核酸蛋白体（并接体,splicesome）snRNA2.外显子(exon)和内含子(intron)外显子在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟RNA的核酸序列。内含子隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列。6-分子生物学hnRNA不均一核RNA6-分子生物学锁套结构6-分子生物学剪接由剪接体介导完成,剪接体是由蛋白质和snRNA构成鸡卵清蛋白基因hnRNA首、尾修饰hnRNA剪接成熟的mRNA鸡卵清蛋白基因及其转录、转录后修饰鸡卵清蛋白成熟mRNA与DNA杂交电镜图DNAmRNA二、tRNA的转录后加工tRNA前体RNApolⅢTGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNARNAaseP、内切酶tRNA核苷酸转移酶、连接酶ATPADP碱基修饰（2）还原反应如：UDHU

（3）核苷内的转位反应如：Uψ（假尿嘧啶）（4）脱氨反应如：A

I

如：AAm（1）甲基化（1）（1）（3）（2）（4）II.蛋白质的生物合成翻译的起始翻译的延长翻译的终止整个翻译过程可分为：翻译过程从阅读框架的5´-AUG开始，按mRNA模板三联体密码的顺序延长肽链，直至终止密码子出现。氨基酸+tRNA氨酰-tRNAATPAMP＋PPi氨酰-tRNA合成酶（一）氨酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNAsynthetase)

氨基酸的活化一、肽链合成起始指mRNA和起始氨酰-tRNA分别与核糖体结合而形成翻译起始复合物（一）原核生物翻译起始复合物形成核糖体大小亚基分离；mRNA在小亚基定位结合；起始氨酰-tRNA的结合；核糖体大亚基结合。6-分子生物学原核、真核生物各种起始因子的生物功能IF-3IF-11.核糖体大小亚基分离AUG5'3'IF-3IF-12.mRNA在小亚基定位结合6-分子生物学S-D序列（核糖体结合位点，RBS，ribosomebindingsite）IF-3IF-1IF-2GTP3.起始氨酰tRNA(fMet-tRNAimet)结合到小亚基AUG5'3'IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4.核糖体大亚基结合，起始复合物形成AUG5'3'目录IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi（二）真核生物翻译起始复合物形成核糖体大小亚基分离；起始氨酰-tRNA结合；mRNA在核糖体小亚基就位；核糖体大亚基结合。二、肽链合成延长指根据mRNA密码序列的指导，添加氨基酸，N端向C端延伸肽链，直到合成终止的过程。肽链延长在核糖体上连续性循环式进行，又称为核糖体循环，每次循环增加一个氨基酸，包括以下三步：进位成肽转位延伸过程所需蛋白因子称为延长因子(elongationfactor,EF)原核生物：EF-T(EF-Tu,EF-Ts)EF-G真核生物：EF-1、EF-2原核延长因子生物功能对应真核延长因子EF-Tu促进氨酰-tRNA进入A位，结合分解GTPEF-1-αEF-Ts调节亚基EF-1-βγEFG有转位酶活性，促进mRNA-肽酰-tRNA由A位前移到P位，促进卸载tRNA释放EF-2肽链合成的延长因子（一）进位指根据mRNA下一组遗传密码指导，使相应氨酰-tRNA进入核糖体A位。

TuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsGTP（二）成肽是由转肽酶(transpeptidase)催化的肽键形成过程。（三）转位延长因子EF-G有转位酶(translocase)活性，可结合并水解1分子GTP，促进核糖体向mRNA的3'侧移动。fMetAUG5'3'fMetTuGTP进位转位成肽

三、肽链合成的终止当mRNA上终止密码出现后，多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核糖体等分离，这些过程称为肽链合成终止。

终止相关的蛋白因子称为释放因子(releasefactor,RF)一是识别终止密码，如RF-1特异识别UAA、UAG；而RF-2可识别UAA、UGA。二是诱导转肽酶改变为酯酶活性，相当于催化肽酰基转移到水分子-OH上，使肽链从核糖体上释放。释放因子的功能原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3

真核生物释放因子：eRF原核肽链合成终止过程UAG5'3'COO-6-分子生物学Overviewoftranslation从核糖体释放出的新生多肽链不具备蛋白质生物活性，必需经过不同的翻译后复杂加工过程才转变为天然构象的功能蛋白。主要包括多肽链折叠为天然的三维结构肽链一级结构的修饰高级结构修饰蛋白质合成后加工基因表达调控一、基因表达的概念*基因组(genome)一个细胞或病毒所携带的全部遗传信息或整套基因。基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子的过程。*基因表达(geneexpression)基因表达是受调控的二、基因表达的时间性及空间性（一）时间特异性按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性（二）空间特异性基