遗传信息的复制.ppt

1、第二章 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

2、-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。, 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,DNA Base Structure,Structure of A & G (Purines) Structure of T & C (Pyrimidines),DNA Backbone: 5-d(CGAAT),A

3、lternating backbone of deoxyribose and phosphodiester groups Chain has a direction (known as polarity), 5- to 3- from top to bottom Oxygens (red atoms) of phosphates are polar and negatively charged A, G, C, and T bases extend away from chain, and stack on-top each other Bases are hydrophobic,DNA Do

4、uble Stranded Structure,中心法则 (The Central Dogma),转 录,翻 译,逆转录,DNA,RNA,蛋白质,复 制,* 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,复制 (replication) 由亲代DNA合成两个 相同的子代 DNA的过程。,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,第一节 复制的特征,DNA复制的方式,一、复制可能的几种方式,全保留式 半保留式

5、 混合式,二、密度梯度实验,实验结果支持半保留复制的设想,(semiconservative replication),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,母代DNA,子代DNA,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。,Polymerase Chain Reaction,DNA复制的酶学,第二节,参与

6、 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,在研究复制时，将与复制有关的蛋白质命名为：Dna A,Dna B,Dna C, Dna X,将相关的基因命名为： dna A, dna B, dna C, dna X,一、DNA 聚合酶,（一） DNA聚合酶催化的反应,1、5 至 3 的聚合活性,dTTP,3,(dNMP) n

7、 + dNTP (dNMP) n+1 + ppi,全称：依赖DNA的DNA聚合酶 （DNA-dependent DNA polymerase,DDDP）,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。,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,（二） DNA聚合酶的分类,1、原核生物的DNA聚合酶：,酶的种类 亚单位 35 5 3 功能 DNA-pol 1 有 有 修复与复制

8、 DNA-pol 1 有 无 修复 DNA-pol 至少10 有 无 主要复制酶, 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-pol ,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,在复制延长过程中真正催化新链核苷酸聚合的酶,DNA-pol ,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

9、 ,DNA - pol ,DNA - pol ,DNA - pol ,（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,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）,(三）DNA拓扑异构酶,（DNA topoiSOmerase）,拓扑异构酶作用特

10、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。,* 作用机制：,三、引物酶和引发体,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）,四、DNA连接酶 ( DNA ligase ),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。,DNA连接酶在DNA修复、重组、剪接中也起连接缺口的作用。,DNA生物合成过程,第三节,G1,G2,S,M,哺乳动物的细胞周期,DNA合成 (syn

11、thesis) 期,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,相关的几个概念：,1、复制起始点（E.coli-oriC，245bp）,Prepriming involves formation of a complex by sequential association of proteins, leading to the separation of DNA strands.,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（replication fork）,3、

12、双向复制,DnaA蛋白辨认起始点,形成起始复合物,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,引物合成,Dna A,Dna B、 Dna C,DNA拓扑异构酶,SSB,3,5,3,5,大肠杆菌起点与复制起始有关的酶和辅助因子,酵母的复制起点（ARS）,ARS(autonomously replicationg sequence) 发挥复制起点的功能，但是过量的。 酵母染色体的着丝粒附近为ARS1序列 ARS1分为A,B,C三个功能区, A,B起主要作用,C起次要作用。 A区为15bp,其中11个保守，称ACS (ARS consensus sequence)。有

13、复制起始子的功能 B区约为80bp,含B1,B2,B3三个功能区。 B3是ABF1（ARS-binding factor 1）结合区，,ORC：由6个亚基组成相当于Dna A和 的O蛋白，与 A/B1结合，结合于游离的DNA Cdc6:相当于DnaC,及的P蛋白，使Mcm蛋白结合到复合体上。此对在Origin上起始复制是必须的。 Mcm: DnaB 螺旋酶。即 licensing factor ABF1（转录因子）结合于B3,真核生物的染色体庞大、复杂，确认高等生物的复制起点比较困难。因为已经认识到哺乳动物的起点可能太长而无法完整克隆于质粒中，或者它必须通过染色体DNA远距离位点的激活才具有功

14、能。 但有多个复制起始点，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。,二 、复制的延长,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。,（一）复制延长的过程,领头链 ( leading strand ) 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。,（二）复制的 半不连续性,3 ,5 ,3 ,5 ,解链方向,冈崎片段（ Okazaki fragment ）,3,5,细菌和真核生物复制体的组成,(三)随从链上不连续性片段的连接,1.原核生物,2.真核生物,核心作用的是“侧翼核

15、酸内切的”(flap endonuclease, FENl)(以前称MF1)，它与DNA聚合酶复合物相结合，位于冈崎片段的3端，能降解相邻片段的5端引物。但它不能从引物的5端去除核搪核酸：核搪核酸5端的三个磷酸基团会抑制其活性。,三 、复制的终止,1.E.coli的复制终止 现已发现有两个终止区域（terE,D,A和ter C,B），位于相遇点的另一侧100bp处。每一终止顺序对某一方向移动的复制叉来说是特异的。 ter顺序有一个23bp的区域，在体外可导致复制的终止，但其功能显示了一定的方向性。 终止需要tus(terminus utilization substance)基因的产物Tus(

16、36kD)， Tus能识别ter保守顺序，并阻止复制叉继续前进。 ter-Tus复合物可能通过抑制螺旋酶来实行终止,原核生物的复制终止,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。,真核生物的复制终止,1，染色体DNA呈线状，复制在末端停止,2，连接不连续片段,端粒（ telomere ）,真核生物染色体线性DNA分子末端的结构,端粒酶（ telomerase）,四、其他复制方式,滚环复制,rolling circle replication,DNA损伤与修复,第四节,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D

17、NA突变称为 DNA损伤（DNA damage）,从分子水平来看，突变就是DNA分 子上碱基的改变。,一 、突变的意义,二 、引发突变的因素,物理因素： 紫外线、各种辐射,化学因素：,三、突变的类型,（一）点突变（point mutation）, 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,（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。,插入和缺失引起的突变称为框移突变,( frame-shift mutation ),（三）重排（rearrangement）, DNA分子内发生较大片断的交 换，也称为重组。,四、DNA 损伤的修复,修复（DNA repairing 是针对已发生了的缺陷而进行的补救机制 主要有光修复、切除修复、重组修复和SOS修复等。,（一）光修复（ light repairing ）,E.coli的切除修复机制,（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。,各种与