《核酸的生物合成》课件：探索生命之源

核酸的生物合成：探索生命之源现代生物学核心议题适大学和研究生课程基础知识与前沿进展并重内容提要核酸结构与分类基本组成和功能差异生物合成历史从Meischer到Watson与Crick合成途径与主要酶denovo与补救途径调控机制及相关疾病失调导致多种临床病症核酸基础知识DNA定义脱氧核糖核酸，遗传信息储存RNA定义核糖核酸，信息传递与蛋白质合成生物学功能编码生命全部遗传信息普遍存在从细菌到人类的所有生物体核酸的结构简述1核苷酸基本组成单位2磷酸-糖-碱基三组分化学结构碱基配对原则A-T/U，G-CDNA与RNA的差异五碳糖DNA：脱氧核糖RNA：核糖碱基差异DNA：A、G、C、TRNA：A、G、C、U结构形式DNA：主要为双链RNA：主要为单链核酸的重要性遗传信息载体携带生命全部遗传密码细胞分化调控控制细胞功能与特性新陈代谢影响调节体内生化反应疾病诊断与治疗基因检测与靶向疗法核酸的组成单位：核苷酸五碳糖提供骨架结构磷酸基团能量载体含氮碱基信息编码单元ATP/GTP细胞能量分子核苷酸的分类嘌呤类腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)双环结构嘧啶类胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)、尿嘧啶(U)单环结构生化反应不同合成途径能量需求各异核酸生物合成概述核苷酸合成denovo和补救途径DNA与RNA合成复制与转录过程能量转换过程ATP驱动催化反应生物合成的起源研究1858年Meischer首次发现核酸20世纪初核酸化学结构逐渐明晰31953年Watson与Crick提出双螺旋模型41960年代分子生物学兴起合成中的"中心法则"DNA遗传信息存储RNA信息传递中介蛋白质执行生物学功能核苷酸的denovo合成途径1必需原料氨基酸、CO₂、NH₃等小分子2嘌呤与嘧啶不同合成过程与前体物质3能量驱动ATP等高能分子提供能量4多步反应酶催化级联反应过程补救合成途径降解产物核苷和碱基磷酸转移酶催化核苷酸再生低能耗比从头合成省能量细胞代谢与基础代谢紧密耦合嘌呤核苷酸的denovo合成PRPP形成磷酸核糖焦磷酸是关键前体IMP合成12步反应形成次黄嘌呤核苷酸AMP与GMP从IMP分支形成两种最终产物嘧啶核苷酸的denovo合成氨基酸起始从谷氨酰胺和天冬氨酸开始羧磷酰胺合成Carbamoylphosphate形成嘧啶环形成二氢尿嘧啶酸生成UMP合成最终形成尿苷酸嘌呤合成关键酶PRPP合成酶、胺酶、转氨酶和IMP合酶是合成途径中的关键催化酶嘧啶合成关键酶CPSII催化第一步反应ATCase调控嘧啶合成速率DHOase环化形成嘧啶环PRPP在核酸合成中的核心作用嘌呤合成嘧啶合成组氨酸合成NAD/NADP合成其他代谢途径能量耦合与核苷酸合成6ATP消耗每合成1分子AMP7能量消耗每合成1分子GMP4ATP需求每合成1分子UMP核苷酸的补救合成酶APRT腺苷磷酸转移酶腺嘌呤+PRPP→AMPHGPRT次黄嘌呤-鸟嘌呤磷酸转移酶鸟嘌呤/次黄嘌呤+PRPP→GMP/IMP相关疾病Lesch-Nyhan综合征HGPRT缺陷导致DNA的合成机制引物启动RNA引物提供3'-OH5'→3'延伸DNA聚合酶催化校对与修复3'→5'外切活性片段连接DNA连接酶作用原核生物DNA合成酶聚合酶主要功能特点DNA聚合酶I去除RNA引物5'→3'聚合、3'→5'校对、5'→3'外切DNA聚合酶IIDNA修复低保真度、高错误率DNA聚合酶III主要复制酶高效、高保真度真核生物DNA合成酶DNA聚合酶α引物合成与延伸复制起始DNA聚合酶δ滞后链延伸高保真复制DNA聚合酶ε引导链延伸校对功能辅助聚合酶DNA修复特殊DNA损伤修复DNA合成中的辅助蛋白螺旋酶解开DNA双螺旋ATP驱动分子马达单链结合蛋白稳定单链DNA防止重新退火DNA连接酶连接DNA片段修复DNA断裂滑动夹增强聚合酶处理能力提高复制效率RNA的生物合成过程DNA模板基因转录的起点1RNA聚合酶催化合成2mRNA携带蛋白质编码信息tRNA转运氨基酸rRNA构成核糖体原核生物RNA聚合酶核心酶α₂ββ'ω亚基组成σ因子识别启动子序列3全酶核心酶+σ因子真核生物RNA聚合酶种类酶类型转录RNA类型定位RNA聚合酶IrRNA(28S,18S,5.8S)核仁RNA聚合酶IImRNA和多数snRNA核质RNA聚合酶IIItRNA和5SrRNA核质RNA合成的调控1转录因子调节特定基因表达启动子与增强子结合RNA聚合酶和转录因子3染色质结构影响DNA的可及性mRNA的修饰与剪接5'加帽加入7-甲基鸟嘌呤三磷酸帽内含子剪接去除内含子、连接外显子3'多聚腺苷酸化添加200-250个A核苷酸核酸合成的时空调控DNA合成活性RNA合成活性合成过程中的错误与修复错配修复(MMR)识别碱基错配切除错误碱基光修复修复UV导致的嘧啶二聚体光解酶催化切除修复识别并切除损伤DNA片段DNA聚合酶填补缺口抑制剂与调控药物羟基脲核苷酸还原酶抑制剂抗代谢药物干扰癌细胞DNA合成核苷类似物嵌入DNA导致链终止抗病毒药物阻断病毒核酸合成实验研究中的热点方法同位素标记研究合成路径与动力学PCR扩增核酸序列扩增分析酶活性测定合成关键酶活性分析放射性同位素追踪³²P标记磷酸基团标记监测磷酸转移¹⁴C标记碳骨架标记追踪碳流向³H标记氢原子标记高灵敏度³⁵S标记硫原子标记特定分子定位高通量测序技术的应用读长(bp)通量(Gb/run)核酸合成相关的遗传病腺苷脱氨酶缺陷ADA基因突变免疫系统发育障碍SCID严重联合免疫缺陷T细胞和B细胞缺乏Lesch-Nyhan综合征HGPRT缺陷尿酸升高、自残行为合成异常与癌症DNA合成失控基因复制错误增加抑癌基因失活p53、BRCA等突变细胞增殖失控异常细胞克隆扩增靶向治疗针对异常合成机制开发药物抗病毒药物与核酸合成核苷类似物阿昔洛韦、利巴韦林嵌入病毒DNA/RNA导致链终止抗逆转录酶药物齐多夫定、依非韦伦抑制HIV基因组复制新型抗病毒分子抑制病毒聚合酶干扰病毒核酸合成代谢合成生物学与核酸工程1人工DNA/RNA合成化学法合成寡核苷酸基因合成拼接合成长片段基因编辑CRISPR-Cas9精准修改全基因组设计人工染色体与最小基因组核酸合成的进化意义化学演化简单分子形成复杂结构RNA世界RNA同时具备遗传和催化功能自复制分子能够自我复制的原始分子原始生命核酸与蛋白质协同进化现代分子生物实验室中的核酸合成PCR技术、引物合成、寡核苷酸合成和CRISPR基因编辑是现代分子生物学实验的核心技术合成核酸纳米结构DNA纳米机器人精确空间结构控制RNA纳米载体靶向药物递送系统生物医学应用疾病诊断与靶向治疗未来方向：人工合成生命合成染色体人工设计与合成DNA染色体最小基因组构建维持生命所需最少基因集人工细胞以合成基因组驱动的细胞系统伦理与安全科学发展的伦理边界探讨国内外研究现状物种间合成机制比较特征原核生物真核生物古菌DNA聚合酶I、II、III型α、β、δ、ε等多种类似真核型RNA聚合酶单一类型I、II、III型类似真核型复制起始单一起点多起点单/多起点转录后加工少量广泛部分存在重要科学家及贡献Watson与CrickDNA双螺旋结构1953年开创性研究ArthurKornberg首次分离DNA聚合酶体外合成DNAFrederickSangerDNA测序方法两次诺贝尔奖获得者王志新中国RNA合成调控非编码RNA研究重大科学突破回顾11953DNA双螺旋结构发现21983PCR技术发明32003人类基因组计划完成42010首个合成基因组细胞常见考点与典型例题1双途径辨析区分denovo与补救途径特点