基因信息的传递.ppt

1、第三篇 基因信息的传递,DNA是由四种脱氧核糖核酸所组成的长链大分子，是遗传信息的携带者。 生物体的遗传信息就贮存在DNA的四种脱氧核糖核酸的排列顺序中。,DNA通过复制将遗传信息由亲代传递给子代；通过转录和翻译，将遗传信息传递给蛋白质分子，从而决定生物的表现型。DNA的复制、转录和翻译过程就构成了遗传学的中心法则。,在RNA病毒中，其遗传信息贮存在RNA分子中。因此，在这些生物体中，遗传信息的流向是RNA通过复制，将遗传信息由亲代传递给子代，通过反转录将遗传信息传递给DNA，再由DNA通过转录和翻译传递给蛋白质，这种遗传信息的流向就称为反中心法则。,DNA dependent DNA pol

2、ymeraseDDDP DNA dependent RNA polymeraseDDRP RNA dependent RNA polymeraseRDRP RNA dependent DNA polymeraseRDDP,DNA,复制（DDDP）,转录（DDRP）,翻译,RNA,复制（RDRP）,反转录（RDDP）,Chapter 10 DNA Biosynthesis， Replication,第十章 DNA的生物合成(复制）,第一节 复制的基本规律,Section 1 Basic Rules of DNA Replication,DNA在复制时，以亲代DNA的每一股作模板，合成完全相同的两

3、个双链子代DNA，每个子代DNA中都含有一股亲代DNA链，这种现象称为DNA的半保留复制(semi-conservative replication)。,一、半保留复制,DNA半保留复制示意图,DNA以半保留方式进行复制，是在1958年由M. Meselson 和 F. Stahl 所完成的实验所证明。 该实验首先将大肠杆菌在含15N的培养基中培养约十五代，使其DNA中的碱基氮均转变为15N。然后将大肠杆菌移至只含14N的培养基中同步培养一代、二代、三代。分别提取DNA，作密度梯度离心，将具有不同密度的DNA分离开。,DNA半保留复制的实验证明,DNA半保留复制研究实验结果示意图,按半保留复制

4、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。 遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，但不是绝对的。,半保留复制的意义,DNA在复制时，需在特定的位点起始，这是一些具有特定核苷酸排列顺序的片段，即复制起始点(origin) 。 在原核生物中，复制起始点通常为一个，而在真核生物中则为多个。,二、有一定的复制起始点,细菌和酵母菌中DNA复制起始点的碱基序列,习惯上把两个相邻DNA复制起始点之间的距离（或DNA片段）定为一个复制子(replicon) 。 复制子是独立完成复制的功能单位。 DNA复制时，局部双螺旋解开形成两条单链，这种叉状结构称为复制

5、叉。,复制起始点与复制子示意图,复制起始点、复制子与复制叉（动画演示）,参与DNA复制的DNA聚合酶，必须以一段具有3端自由羟基（3-OH）的RNA作为引物(primer) ，才能开始聚合子代DNA链。 RNA引物的大小，在原核生物中通常为50 100个核苷酸，而在真核生物中约为10个核苷酸。RNA引物的碱基顺序，与其模板DNA的碱基顺序相配对。,三、需要引物,DNA复制时，以复制起始点(origin)为中心，向两个方向进行解链，形成两个延伸方向相反的复制叉，称为双向复制(bidirectional replication)。 但在低等生物中，也可进行单向复制（如滚环复制）。,四、双向复制,A

6、. 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),DNA的双向复制示意图,DNA聚合酶只能以53方向聚合子代DNA链，即模板DNA链的方向必须是35。 由于DNA分子中两条链的走向相反，因此当分别以两条亲代DNA链作为模板聚合子代DNA链时，子代链的聚合方向也是不同的。,五、半不连续复制,领头链 (leading strand),随从链 (lagging strand),DNA的半不连续复制,以35方向的亲代DNA链作模板的子代链在复制时基本上是连续进行的，其子代链的聚合方向为53，这一条链被称为领头链(leading stra

7、nd)。 以53方向的亲代DNA链为模板的子代链在复制时则是不连续的，其链的聚合方向也是53，这条链被称为随从链(lagging strand)。 领头链连续复制而随从链不连续复制，就是复制的半不连续性。,由于亲代DNA双链在复制时是逐步解开的，因此，随从链的合成也是一段一段的。DNA在复制时，由随从链所形成的一些子代DNA短链称为冈崎片段(Okazaki fragment)。 冈崎片段的大小，在原核生物中约为10002000个核苷酸，而在真核生物中约为100个核苷酸。,Section 2 Factors for DNA Replication,第二节 DNA复制的条件,以四种脱氧核糖核酸(d

8、eoxynucleotide triphosphate)为底物，即dATP，dGTP，dCTP，dTTP。,一、底物(substrate),DNA复制过程中脱氧核糖核苷酸的聚合反应,DNA复制是模板依赖性的，必须要以亲代DNA链作为模板。亲代DNA的两股链解开后，可分别作为模板进行复制。,二、模板(template),引物酶(primerase)本质上是一种依赖DNA的RNA聚合酶（DDRP），该酶以DNA为模板，聚合一段RNA短链引物(primer)，以提供自由的3-OH，使子代DNA链能够开始聚合。 引物酶需组装成引发体才能催化RNA引物的合成。,三、引发体和RNA引物,在E. coli中

9、，含有解螺旋酶(DnaB蛋白) 、DnaC蛋白、引物酶(DnaG蛋白)和DNA复制起始区域的复合结构被称为引发体(primosome) 。,含有解螺旋酶(DnaB蛋白)、DnaC蛋白、引物酶和DNA复制起始区域的复合结构称为引发体。,引发体的组装形成,引物酶催化合成短链RNA引物分子,引物,引物酶,四、DNA聚合酶,全称：依赖DNA的DNA聚合酶 ( DNA-dependent DNA polymerase, DDDP ) 简称：DNA-pol 活性：1. 53 的聚合酶活性 2. 核酸外切酶活性,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

10、解。,DNA聚合酶的核酸外切酶活性,在原核生物中，目前发现的DNA聚合酶有三种，分别命名为DNA聚合酶（pol ），DNA聚合酶（pol ），DNA聚合酶（pol ），这三种酶都属于具有多种酶活性的多功能酶。 参与DNA复制的主要是pol 和pol 。,（一）种类和生理功能：,pol 为具有三种酶活性的单一肽链的大分子蛋白质，可被特异的蛋白酶水解为两个片段，其中的大片段保留了两种酶活性,即53聚合酶和35外切酶活性，通常被称为Klenow fragment。,Klenow片段的分子结构,pol 由十种亚基组成不对称异源二聚体结构，其中亚基具有53聚合DNA的酶活性，具有复制DNA的功能；而亚基

11、具有35外切酶的活性，与DNA复制的校正功能有关。,原核生物中的三种DNA聚合酶,在真核生物中，目前发现的DNA聚合酶有五种:,真核生物的DNA聚合酶,为了保证遗传的稳定，DNA的复制必须具有高保真性。DNA复制时的保真性主要与下列因素有关： 1遵守严格的碱基配对规律； 2DNA聚合酶在复制时对碱基的正确选择； 3对复制过程中出现的错误及时进行校正。,（二）DNA复制的保真性(fidelity)：,DNA-pol的核酸外切酶活性和及时校读,A：DNA-pol的外切酶活性切除错配碱基；并用其聚合酶活性掺入正确配对的底物。 B：碱基配对正确， DNA-pol不表现外切酶活性。,复制的保真性和碱基选

12、择,DNA聚合酶靠其大分子结构协调非共价（氢键）与共价（磷酸二酯键）键的有序形成。 嘌呤的化学结构能形成顺式和反式构型，与相应的嘧啶形成氢键配对，嘌呤应处于反式构型。,DNA连接酶(DNA ligase)可催化两段DNA片段之间磷酸二酯键的形成，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连接酶的连接作用,DNA连接酶催化的条件是： 需一段DNA片段具有3-OH，而另一段DNA片段具有5-Pi基； 未封闭的缺口位于双链DNA中，即其中有一条链是完整的； 需要消耗能量，在原核生物中由NAD+供能，在真核生物中由ATP供能。,DNA连接酶在复制中起最后接合缺口的作用。 在

13、DNA修复、重组及剪接中也起缝合缺口作用。 是基因工程的重要工具酶之一。,DNA连接酶的作用,解螺旋酶(helicase) ，又称解链酶或rep蛋白，是用于解开DNA双链的酶蛋白。 每解开一对碱基，需消耗2分子ATP。,六、解螺旋酶,单链DNA结合蛋白（single strand binding protein, SSB），又称螺旋反稳蛋白(HDP)，是一些能够与单链DNA结合的蛋白质因子。,七、单链DNA结合蛋白,SSB的生理作用,使解开双螺旋后的DNA单链能够稳定存在，即稳定单链DNA，便于其作为模板复制子代DNA； 保护单链DNA，避免核酸酶的降解。,八、DNA拓扑异构酶,人类拓扑异构酶

14、的分子结构,能够松解DNA超螺旋结构的酶。,DNA复制过程中正超螺旋的形成,解链过程中正超螺旋的形成,拓扑异构酶的作用特点 既能水解 、又能连接磷酸二酯键,拓扑异构酶 拓扑异构酶,分 类,DNA拓扑异构酶的作用机制,第三节 DNA生物合成过程,Section 3 The Process of DNA Biosynthesis,DNA复制的起始阶段，由下列两步构成。 1解旋解链，形成复制叉： 由拓扑异构酶和解链酶作用，使DNA的超螺旋及双螺旋结构解开，碱基间氢键断裂，形成两条单链DNA。 单链DNA结合蛋白（SSB）四聚体结合在两条单链DNA上，形成复制叉。,一、复制的起始,2引发体组装和引物合

15、成： 由解螺旋酶(DnaB蛋白) 、DnaC蛋白、引物酶(DnaG蛋白)和DNA复制起始区域形成引发体； 在引物酶的催化下，以DNA为模板，合成一段短的RNA片段，从而获得3端自由羟基（3-OH）。,二、复制的延长,复制的延长指在DNA聚合酶催化下，以35方向的亲代DNA链为模板，从53方向聚合子代DNA链。其化学本质是dNTP以dNMP的方式逐个加入引物或延长中的子链上，磷酸二酯键不断生成。 在原核生物中，参与DNA复制延长的是DNA聚合酶；而在真核生物中是DNA聚合酶。,dATP,dGTP,dTTP,dCTP,dTTP,dGTP,dATP,dCTP,OH 3,3,DNA复制的延长过程,领头

16、链的合成过程,随从链的合成过程,DNA聚合酶催化领头链和随从链同时合成,DNA复制过程简图,三、复制的终止,在复制过程中形成的RNA引物，需由RNA酶来水解去除； RNA引物水解后遗留的缺口，由DNA聚合酶（原核生物）或DNA聚合酶（真核生物）催化延长缺口处的DNA，直到剩下最后一个磷酸酯键的缺口。,（一）去除引物，填补缺口：,在DNA连接酶的催化下，生成最后一个磷酸酯键，将冈崎片段连接起来，形成完整的DNA长链。,（二）连接冈崎片段：,随从链上不连续性片段的连接,DNA复制的过程,端粒（telomere）是指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构部分，通常膨大成粒状。,（三）真核生物端粒的形

17、成：,线性DNA在复制完成后，其末端由于引物RNA的水解而可能出现缩短。故需要在端粒酶（telomerase）的催化下，进行延长反应。,端粒酶(telomerase),端粒酶是一种RNA-蛋白质复合体，它可以其RNA为模板，通过逆转录过程对末端DNA链进行延长。,端粒酶的分子结构,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),端粒酶的组成,端粒酶(telome

18、rase)的作用机制爬行模型,端粒酶的爬行模型（动画演示）,第四节 逆转录和其他复制方式,Section 4 Reverse Transcription and Other DNA Replication Ways,一、逆转录病毒和逆转录酶,逆转录病毒细胞内的逆转录现象：,二、逆转录研究的意义,逆转录酶和逆转录现象，是分子生物学研究中的重大发现。 逆转录现象说明：至少在某些生物，RNA同样兼有遗传信息传代与表达功能。 对逆转录病毒的研究，拓宽了20世纪初已注意到的病毒致癌理论。,三、滚环复制和D环复制,滚环复制(rolling circle replication)：是某些低等生物的复制形式，

19、如X174和M13噬菌体等。,滚环复制的过程,D环复制(D-loop replication) ：是线粒体DNA (mitochondrial DNA，mtDNA)的复制形式。,第五节 DNA的损伤（突变）与修复,Section 5 DNA Damage （Mutation）and Repair,由自发的或环境的因素引起DNA一级结构的任何异常的改变称为DNA的损伤，也称为突变（mutation）。 常见的DNA的损伤包括碱基脱落、碱基修饰、交联，链的断裂，重组等。,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,

20、（一）自发因素： 1.自发脱碱基：由于N-糖苷键的自发断裂，引起嘌呤或嘧啶碱基的脱落。每日可达近万个核苷酸残基。 2.自发脱氨基：胞嘧啶自发脱氨基可生成尿嘧啶，腺嘌呤自发脱氨基可生成次黄嘌呤。每日可达几十到几百个核苷酸残基。 3.复制错配：由于复制时碱基配对错误引起的损伤，发生频率较低。,二、引起突变的因素,由紫外线、电离辐射、X射线等引起的DNA损伤。其中，X射线和电离辐射常常引起DNA链的断裂，而紫外线常常引起嘧啶二聚体的形成，如TT，TC，CC等二聚体。这些嘧啶二聚体由于形成了共价键连接的环丁烷结构，因而会引起复制障碍。,（二）物理因素：,嘧啶二聚体的形成,1.脱氨剂：如亚硝酸与亚硝酸盐

21、，可加速C脱氨基生成U，A脱氨基生成H。,（三）化学因素：,2.烷基化剂：这是一类带有活性烷基的化合物，可提供甲基或其他烷基，引起碱基或磷酸基的烷基化，甚至可引起邻近碱基的交联。 3.DNA加合剂：如苯并芘，在体内代谢后生成四羟苯并芘，与嘌呤共价结合引起损伤。 4.碱基类似物：如5-FU，6-MP等，可掺入到DNA分子中引起损伤或突变。 5.断链剂：如过氧化物，含巯基化合物等，可引起DNA链的断裂。,三、突变的分子改变类型,DNA分子上单一碱基的改变称点突变(point mutation)。,镰形红细胞贫血病人Hb (HbS) 亚基,正常成人Hb (HbA)亚基,血红蛋白-亚基的点突变,3.

22、缺失：一个碱基或一段核苷酸链从DNA大分子上消失。,4. 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。,框移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框移突变。,缺失引起的框移突变,5.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,四、DNA损伤的修复,DNA损伤修复(repair) ：是对已发生分子改变的补偿措施，使其尽可能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：,这