10.DNA的生物合成.ppt

1、第三篇,基因信息的传递,* 基因(gene) 负载特定遗传信息的DNA片断，通常包括DNA编码序列、非编码调节序列和内含子。,* 基因表达(gene expression),基因经过转录或转录和翻译，产生具有特异生物学功能的RNA或蛋白质分子的过程。据此，基因可以分为RNA基因和蛋白质基因。,中心法则（central dogma）,DNA的生物合成 (复制) DNA Biosynthesis，Replication,第 十 章,什么是DNA的复制？,是指遗传物质的传代，以母链DNA为模板合成子链DNA的过程。,生物的遗传现象，与遗传物质的复制有关，多数生物的遗传物质为DNA 。,第一节：复制的

2、基本规律 半保留半不连续复制 (semi-conservative and semi-discontinuous replication) 双向复制 (bidirectional replication) 高保真性 (high fidelity),一、半保留复制的实验依据和意义,半保留复制的概念,1、DNA生物合成时，母链DNA局部解开形成两股单链，各自作为模板(template)按碱基配对规律，合成与模板互补的子链。 2、子代细胞的DNA，一股单链从亲代完整地接受过来，另一股单链则完全重新合成。两个子细胞的DNA都和亲代DNA碱基序列一致。,半保留复制的实验证据 The hypothesis

3、 of semiconservative replication proposed by Watson and Crick in 1953.,实验证据（1958 Meselson 和Stahl ）：,Matthew Messelson Franklin Stahl,Radioisotope labeling and density gradient centrifugation clearly distinguishes replications of semiconservative,原核生物复制时，DNA从起始点(origin)向两个方向解链，形成两个延伸方向相反的复制叉，称为双向复制。,

4、二、DNA复制从起始点向两个方向延伸形成双向复制,A. 环状双链DNA及复制起始点 B. 复制中的两个复制叉 C. 复制接近终止点(termination, ter),真核生物每个染色体有多个起始点，是多复制子的复制。习惯上把两个相邻起始点之间的距离定为一个复制子(replicon) 。复制子是独立完成复制的功能单位。,复制子是独立完成复制的功能单位,多复制子的复制,三、复制的半不连续性,领头链 (leading strand),随从链 (lagging strand),岗崎片段,DNA复制的酶学 The Enzymology of DNA Replication,第二节,参与DNA复制的物质

5、,底物(substrate): dATP, dGTP, dCTP, dTTP 模板(template) : 解开成单链的DNA母链 引物(primer): 提供3-OH末端 DNA聚合酶: 其他的酶和蛋白质因子：解螺旋酶、拓扑异构酶、,引物酶、DNA连接酶、 单链DNA结合蛋白等。,聚合反应的特点,DNA 新链生成需引物和模板； 新链的延长只可沿5 3方向进行 。,二、DNA聚合酶,全称：依赖DNA的DNA聚合酶 (DNA-dependent DNA polymerase) 简称：DNA-pol,活性：1. 53 聚合酶的活性 2. 核酸外切酶活性,（一）原核生物的DNA聚合酶,DNA-pol

6、 DNA-pol DNA-pol ,（一）原核生物的DNA聚合酶,功能：切除引物，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 （109kD）,核酸外切酶活性,5 3外切酶活性,引物的切除 突变的 DNA片段的切除(首先由特异的核酸内切酶识别并切断受损的DNA链)。,3 5外切酶活性,?,能辨认错配的碱基对，并将其水解。,核酸外切酶活性,DNA polymerase I has three enzymatic activities in a single polypeptide chain, which can be cleaved into two functi

7、onal parts by mild protease treatment.,Protease cleavage,68 kDa,35 kDa,DNA-pol （120kD）,DNA-pol II基因发生突变，细菌依然能存活 推测它参与DNA损伤的应急状态修复。,SOS修复,功能 是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶。,DNA-pol (250kD),复制保真性的酶学依据,(一)核酸外切酶活性：校读功能,(二). *DNA复制的保真性,严格地遵守碱基配对规律：A与T、G与C DNA-pol III 的亚基在复制延长中对碱基的选择功能 复制出错时DNA-pol I 有及时的校读功能,四、复制中的

8、分子解链及DNA 分子拓扑学变化,DNA分子的碱基埋在双螺旋内部，只有把DNA解成单链，它才能起模板作用。,（一）解螺旋酶、引物酶和单链DNA结合蛋白,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 引物酶(primase) 复制起始时催化生成RNA引物的酶 单链DNA结合蛋白(single stranded DNA binding protein, SSB) 在复制中维持模板处于单链状态并保护单链的完整,（二）DNA拓扑异构酶改变DNA超螺旋状态、理顺DNA链,复制过程正超螺旋的形成：,解链过程中正超螺旋的形成,既能水解 、又能连接磷酸二酯键。,拓

9、扑异构酶 拓扑异构酶,拓扑异构酶分类：,拓扑异构酶作用特点：,拓扑异构酶,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。 反应不需ATP。,拓扑异构酶,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：,拓扑异构酶的作用： 催化DNA单链的断裂和重新连接，无需能量，只能用于消除DNA负超螺旋。,拓扑异构酶的作用： 同时断裂和连接DNA双链，需ATP供能，能够引入负超螺旋、抵消复制叉前进时所引起的正超螺旋，利于复制的进行。,生物体利用拓扑异构酶和拓扑异构酶的相反作用而使得DNA负超螺

10、旋维持在5%左右。 利用拓扑异构酶来消除复制叉前进所形成的正超螺旋。,连接DNA链3-OH末端和相邻DNA链5-P末端，使二者生成磷酸二酯键，从而把两段相邻的DNA链连接成一条完整的链。,五、DNA连接酶,DNA连接酶在DNA的复制、损伤 重组中均起缝合缺口作用。是重要的工具酶之一。,DNA ligase,DNA生物合成过程 The Process of DNA Replication,第三节,（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. 合成引物，提供3-OH末端。,一、原核生物的DNA生物合成,E.coli复制起始点 oriC,1. DNA解链,AAACC

11、TATT AATAGGTGT,DnaA：四聚体蛋白，辨认并结合于重复序列 DnaB：解螺旋酶； DnaC：协同DnaB蛋白,Dna A,Dna B、 Dna C,DNA拓扑异构酶,引物酶,SSB,3,5,3,5,2. 引发体和引物,含有解螺旋酶、DnaC蛋白、引物酶和DNA复制起始区域的复合结构称为引发体。,3,5,3,5,引物是由引物酶催化合成的短链RNA分子。,引物,引物酶,（二）复制的延长,复制的延长指在DNA-pol催化下，dNTP以dNMP的方式逐个加入引物或延长中的子链的3端，其化学本质是磷酸二酯键的不断生成。,OH 3,3,目 录,聚合反应机理：,聚合反应的特点： (1) 以单链

12、DNA为模板 (2)引物提供3-OH (3)以dNTP为原料 (4) 聚合方向为53,复制过程简图,目 录,原核生物基因是环状DNA，双向复制的复制片段在复制的终止点(ter, termination)处汇合。,（三）复制的终止,随从链上不连续性片段的连接,染色体DNA的末端复制问题：,3,5,5,3,RNA引物,5,3,RNA引物水解,?,3,5,5,3,RNA引物水解,端粒 染色体DNA 端粒,3,3,3,5,5,5,5,5,5,3,3,3,1.活跃在细胞中枢并担当着延续生命重任的染色体DNA其实面临的是一个“危机四伏”的境界，它对外要抵御核酸酶等各种因素袭击，对内则有一个难以“自圆其身”

13、的所谓“末端复制问题”。 2.端粒的存在正是扮演了一个尽忠职守的“生命卫士”，它把基因组序列包裹在内部，以牺牲自身的代价,来防止遗传信息的丢失，维护了染色体结构和基因组的完整性以及DNA功能的稳定性。,端粒的功能,知识窗,对外: 抵御核酸酶等外界 对内: 染色体DNA的 因素的袭击 末端复制问题,保护染色体结构和功能的完整性,染色体,结构特点,都有许多正向重复的短 序列，通式可表示为 , m=14, n=18；而且具有一条单链末端，且一定是富含G且带有3-OH的单链末端。 单链末端对酶耐受，表明有蛋白质结合于其上。,AA CCCCAACCCC 5,(T)mGn (A)mCn,端粒帽 染色体DN

14、A 端粒帽,(CCCCAA)b (TTGGGG)a,(GGGGTT)a (AACCCC)b,3,5,端粒结合蛋白,保护端粒不受核酸酶或化学修饰的作用 一般是紧密的非共价键结合,ab,端粒酶(telomerase),端粒酶RNA (human telomerase RNA, hTR) 端粒酶协同蛋白(human telomerase associated protein 1, hTP1) 端粒酶逆转录酶(human telomerase reverse transcriptase, hTRT),组成,在生殖细胞（睾丸、卵巢、胎盘等）、恶性肿瘤细胞（卵巢癌、淋巴瘤、急性白血病、乳腺癌、结肠癌、肺癌

15、等）及胎儿细胞中此酶为阳性，正常体细胞中酶活性被抑制。,端粒酶催化作用的爬行模型,TTGGGGTTGGGGTTGGGG,5,5,TTGGGGTTGGGGTTGGGG,5,TTGGGGTTGGGGTTGGGG,2.延伸,1. 结合,3.移位,爬行模式,端粒酶的功能,TTGGGG,TTGGGG,在生殖细胞（睾丸、卵巢、胎盘等）、恶性肿瘤细胞（卵巢癌、淋巴瘤、急性白血病、乳腺癌、结肠癌、肺癌等）及胎儿细胞中此酶为阳性，正常体细胞中酶活性被抑制。,逆转录和其他复制方式 Reverse Transcription （2）不需RNA引物，在正链3OH上延伸 （3）只有一个复制叉;,三、滚环复制和D环复制,

16、1.滚环复制,2.D环复制,如：动物线粒体DNA 复制起始位点不在双链同一位置，内外环复制有时序差别。,DNA损伤（突变）与修复 DNA Damage (Mutation) and Repair,第五节,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。,从分子水平来看，突变就是DNA分子上碱基的改变，也称为DNA损伤(DNA damage)。,突变包括错配、插入、缺失、重排等类型。,一、突变的意义,（一）突变是进化、分化的分子基础 （二）有些突变只导致基因型改变 （三）突变导致死亡 （四）突变是某些疾病的发病基础,二、引发突变的因素,物理因素 ： 紫外线(ultra violet, UV

17、)、各种射线,化学因素,三、突变的分子改变类型,错配 (mismatch) 缺失 (deletion) 插入 (insertion) 重排 (rearrangement),DNA分子上的碱基错配又称点突变(point mutation)。,（一）错配,镰形红细胞贫血病人Hb (HbS) 亚基,正常成人Hb (HbA)亚基,缺失引起框移突变,移框突变：指缺失或插入（核苷酸）的突变，引起 三联密码的阅读方式改变，造成蛋白质氨基酸的组成和排列顺序发生改变。,由基因重排引起的两种地中海贫血基因型,DNA分子内发生较大片段的交换，称之为重组或重排。,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(light repair) 切除修复(excision repair) 重组修复(recombination repair) SOS修复,修复的主要类型,（一）光修复,光修复酶(photolyase),UV,（二）切除修复,特点： 先切除再修复 需要DNA聚合酶和DNA连接酶参与,E.coli的切除修复机制,（三）重组修复,先复制再修复,（三）重组修复,先复制再修