《DNA的生物合成》課件

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1、第十章 DNA的生物合成,DNA Biosynthesis,DNA是大多數(shù)生物的遺傳物質(zhì)的載體,DNA的主要生物學功能：,1. 遺傳信息的載體或貯庫,2. 可以進行忠實地復(fù)制，傳代,3. 可接受某些偶然的變化，即突變,第一節(jié) DNA復(fù)制的基本特性,Basic Characters of DNA Replication,復(fù)制(replication) 指在生物體內(nèi)以親代 DNA分子兩條鏈為模板，合成兩個子代DNA分子的過程,DNA復(fù)制的基本特性,半保留復(fù)制,半不連續(xù)復(fù)制,雙向復(fù)制,特定的復(fù)制起點,需要引物,一、半保留復(fù)制(semiconservative replication),DNA復(fù)制時，

2、親代DNA雙螺旋解開成為兩條單鏈，各自作為模板，按照堿基配對規(guī)律合成一條與模板相互補的新鏈，形成兩個子代DNA分子。每一個子代DNA分子中都保留有一條來自親代的鏈。這種DNA復(fù)制的方式稱為半保留復(fù)制。,,含15N-DNA的細菌,,第一代細菌,第二代細菌,,培養(yǎng)于普通培養(yǎng)基,繼續(xù)培養(yǎng)于普通培養(yǎng)基,輕DNA沉降的位置,,重DNA沉降的位置,,中等密度DNA沉降的位置,,DNA半保留復(fù)制的實驗證明,,,,,DNA的半保留復(fù)制,二、DNA復(fù)制的方向和方式,模板DNA的閱讀方向是3 5,新鏈的延伸方向是5 3,,,,,,,OH,,template,Primer and the direction of

3、new strand,P,Mechanism of DNA replication,Mechanism of DNA replication,Primer and the direction of new strand,template,Primer and the direction of new strand,Mechanism of DNA replication,template,Primer and the direction of new strand,template,Mechanism of DNA replication,Primer and the direction of

4、 new strand,template,Mechanism of DNA replication,,Primer and the direction of new strand,template,Mechanism of DNA replication,Primer and the direction of new strand,template,Mechanism of DNA replication,,,Primer and the direction of new strand,template,Mechanism of DNA replication,,Primer and the

5、direction of new strand,template,Mechanism of DNA replication,,,Primer and the direction of new strand,template,Mechanism of DNA replication,,,Primer and the direction of new strand,template,Mechanism of DNA replication,,,Primer and the direction of new strand,template,Mechanism of DNA replication,,

6、,,Primer and the direction of new strand,template,Mechanism of DNA replication,,,,,OH,Primer and the direction of new strand,template,Mechanism of DNA replication,,,,,OH,,Primer and the direction of new strand,template,Mechanism of DNA replication,,,,,OH,,Primer and the direction of new strand,templ

7、ate,Mechanism of DNA replication,Go to 35,DNA復(fù)制時堿基的配對規(guī)律：,A=T,GC,DNA的復(fù)制泡 及復(fù)制叉,原核生物的DNA為環(huán)狀，復(fù)制時要在特定的復(fù)制起始點上開始解鏈，形成“復(fù)制泡”，并向兩個方向解鏈，形成兩個復(fù)制叉。,三、半不連續(xù)復(fù)制,領(lǐng)頭鏈(leading strand),隨從鏈(lagging strand),岡崎片段(Okazaki fragment),四、復(fù)制的保真性,新鏈的延伸過程嚴格遵守堿基配對的規(guī)律，即AT，G C 。,DNA聚合酶對堿基的選擇能力，能選擇與親代模板鏈正確配對的堿基進入子鏈相應(yīng)的位置。,校讀修正錯配堿基，通過DNA

8、聚合酶的35外切酶活性，在堿基發(fā)生錯配時，及時切除并更換上正確堿基。,第二節(jié) DNA復(fù)制的反應(yīng)體系,Reaction System for DNA Replication,DNA復(fù)制的反應(yīng)體系組成有：,模板(template)，DNA的兩條單鏈均作為模板,主要的復(fù)制酶，DNA dependent DNA polymerase or DDDP, DNA pol,引物(primer)，是一段短的特殊RNA,底物(substrate)， dNTP,其他的酶和蛋白質(zhì)因子，包括拓樸異構(gòu)酶、解螺旋酶、DNA單鏈結(jié)合蛋白、引物酶、DNA連接酶等,一、DNA聚合酶,DNA dependent DNA pol

9、ymerase，DDDP，或DNA pol,功能：,Go to 26,,,3,5,5,3,53外切活性,,,,3,5,5,3,,,,3,5,5,3,,35外切活性,,,3,5,5,3,,,,3,5,5,3,,,,3,5,5,3,,(一)原核生物DNA聚合酶,E coli中的DNA聚合酶，已知有三種，分別為DNA pol I，DNA pol II，DNA pol III,切除引物,校讀作用,Ecoli 中三種DNA聚合酶的比較,DNA pol 的不對稱異源二聚體結(jié)構(gòu),DNA聚合酶的校讀作用,(二) 真核生物DNA聚合酶,二、DNA解螺旋酶、DNA拓撲異構(gòu)酶、單鏈DNA結(jié)合蛋白,(一) DNA解螺

10、旋酶(helicase),每解開一對堿基，需消耗2分子ATP,功能：,使DNA雙鏈解開成為單鏈,現(xiàn)知為Dna B蛋白,(二) DNA拓撲異構(gòu)酶(topoisomerase ),功能：,使DNA超螺旋旋松，理順超螺旋，便于DNA解鏈,既能水解 、又能連接磷酸二酯鍵,特點：,表10-2 Ecoli 的拓撲異構(gòu)酶,(三) DNA單鏈結(jié)合蛋白( DNA single strand binding protein, DBP or SSB),功能：,與解開的DNA單鏈結(jié)合，穩(wěn)定并保護DNA單鏈,*防止單鏈重新形成雙螺旋，保持模板的單鏈狀態(tài)以便于復(fù)制 *防止單鏈模板被核酸酶水解,意義：,三、引物酶和引發(fā)體(

11、primase, primosome ),引物酶，即Dna G蛋白，催化引物的生成,引發(fā)體，由ori C，Dna A、Dna B、Dna C及Dna G組成,引物為一段短的RNA片段,為什么需要引物？,DNA 聚合酶不能催化游離的dNTP聚合,四、DNA連接酶(DNA ligase),功能,催化DNA分子中兩段相鄰單鏈片段的連接，但不能連接單獨存在的DNA單鏈,DNA連接酶催化的反應(yīng)是耗能的，在真核生物中利用ATP供能，而在原核生物中則消耗NAD+,DNA連接酶的作用,第三節(jié) DNA復(fù)制過程,DNA Replication Process,生物體在細胞分裂之前要完成DNA復(fù)制。DNA復(fù)制是一個

12、連續(xù)酶促反應(yīng)的復(fù)雜過程，大致分為復(fù)制的起始、延伸及終止三個階段 。,一、原核生物DNA復(fù)制的基本過程,(一) 復(fù)制的起始,原核生物DNA復(fù)制起始以形成引發(fā)體(primosome)，催化引物(primer)的生成為標志。,1. DNA拓撲異構(gòu)酶松解超螺旋，解螺旋酶使DNA雙鏈解開,SSB,,,,,,,,,,復(fù)制是在一個特定的起始點上開始，E coli的復(fù)制起始點ori C有特殊的堿基組成，四個9核苷酸組成的一致性序列TTATCCACA能被Dna A所識別及結(jié)合，在Dan C的幫助下，解螺旋酶Dna B結(jié)合到該區(qū)，使DNA局部解鏈。,SSB,,,,,引物酶,,,,,,含有解螺旋酶(Dna B )、

13、Dna A、DnaC、引物酶和DNA復(fù)制起始區(qū)域的復(fù)合結(jié)構(gòu)稱為引發(fā)體。,2. 引發(fā)體的組裝及引物的形成,在引發(fā)體引物酶的作用下，催化合成一段短的RNA作為引物,(二) 復(fù)制的延伸,當引物合成后，DNA聚合酶可在引物的3-OH基礎(chǔ)上逐步催化脫氧核苷酸的聚合，以3-5磷酸二酯鍵相連，使新鏈不斷向前延伸。,3,5,3,5,,DNA pol III,,,,,,,,本質(zhì)： 3-5磷酸二酯鍵的不斷生成,(三) 復(fù)制的終止,從一個親代DNA分子到兩個子代DNA分子的合成結(jié)束,細菌的環(huán)狀DNA從兩個復(fù)制叉向前復(fù)制延伸，在同一個終止點上結(jié)束,兩個復(fù)制叉上的延伸速度可以是不同的,E coli的復(fù)制起始點在82位點

14、，終止點在32位點,E. Coli 基因組結(jié)構(gòu),復(fù)制起始點,,,,復(fù)制終止點,,82位點,,32位點,,在復(fù)制的終止階段，要切除引物，并填補引物切除后留下的空隙。對于E coli DNA的復(fù)制，主要由DNA pol 發(fā)揮這一作用。最后，由DNA連接酶將不連續(xù)的片段進行連接，從而成為完整的DNA分子。,二、真核生物DNA復(fù)制的特點,真核生物DNA復(fù)制也比原核生物的復(fù)制過程復(fù)雜得多，在細胞的S期完成DNA復(fù)制,真核生物DNA復(fù)制為多點雙向復(fù)制，有多個復(fù)制起始點，形成多個復(fù)制子,真核生物的DNA復(fù)制與核小體裝配同步進行,真核生物的DNA末端有端粒結(jié)構(gòu)，由端粒酶催化形成,真核生物DNA的多點雙向復(fù)制,

15、兩個復(fù)制起始點之間的一段序列為一個復(fù)制單位，也稱復(fù)制子,三、滾環(huán)復(fù)制,一些簡單的環(huán)狀DNA如質(zhì)粒、病毒DNA或F因子經(jīng)接合作用轉(zhuǎn)移DNA時，采用滾環(huán)復(fù)制 (rolling cycle replication ),滾環(huán)復(fù)制時，親代雙鏈DNA的一條鏈在復(fù)制起點處被切開， 5 端游離出來。DNA pol 可以將脫氧核苷酸聚合在3-OH端。,外環(huán)的5-端不斷向外側(cè)伸展，作為模板指導(dǎo)另一條鏈的合成延伸,DNA的滾環(huán)復(fù)制,四、端粒DNA及端粒酶,由特殊DNA即短的GC豐富區(qū)重復(fù)序列(repeats of short, GC-rich sequences)及蛋白質(zhì)組成，覆蓋在染色體兩個末端的龐大結(jié)構(gòu)，稱為端

16、粒,端粒的概念,對維持染色體DNA的穩(wěn)定，防止DNA鏈的縮短有重要意義,端粒的功能,端粒的特征序列,端粒的重復(fù)序列有種屬特異性，在四膜蟲為TTGGGG / AACCCC；在脊椎動物包括人為TTAGGG / AATCCC,端粒酶(telomerase),是一種由RNA及蛋白質(zhì)組成的復(fù)合酶,以端粒酶中的RNA為模板，經(jīng)逆轉(zhuǎn)錄而延伸末端的DNA,人的端粒酶(telomerase)組成,端粒酶RNA (human telomerase RNA, hTR) 端粒酶協(xié)同蛋白(human telomerase associated protein 1, hTP1) 端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶(human telomer

17、ase reverse transcriptase, hTRT),第四節(jié) DNA損傷、突變和修復(fù),DNA Damage (Mutation) and Repair,DNA突變(DNA mutation )或基因突變是指DNA分子中有堿基的改變，也稱DNA損傷(DNA Damage ),DNA堿基的改變可發(fā)在復(fù)制過程中，或在某些理化因素作用下引起DNA突變,一、引起DNA損傷的因素,1. 物理因素，如紫外線，幅射等,紫外線可使DNA分子中相鄰的兩個嘧啶堿基發(fā)生共價交聯(lián)形成嘧啶二聚體。,,Turn to 81,2. 化學因素,包括一些藥物、化學試劑、食品添加劑、工業(yè)排出廢物、汽車排放廢氣、某些農(nóng)藥

18、等。,亞硝酸鹽或亞硝胺類可使堿基發(fā)生突變，如胞嘧啶脫氨突變?yōu)槟蜞奏?氮芥類烷化劑能使堿基或核糖被烷基化。,苯并比類使DNA中嘌呤堿基產(chǎn)生共價交聯(lián)。,3. 生物因素,某些病毒或噬菌體的感染，可導(dǎo)致基因的突變，與某些腫瘤或癌癥的發(fā)生密切相關(guān)。,乙肝病毒為噬肝細胞的部分雙鏈DNA病毒，可整合至宿主染色體DNA，其整合及表達產(chǎn)物均可引起宿主細胞基因突變及表達失常。,乙肝病毒感染人群發(fā)生肝癌的危險度為非感染人群的100倍以上。,二、基因突變類型,1. 點突變,2. 缺失、插入及框移突變,3. 重排,DNA分子上的堿基發(fā)生錯配稱為點突變，包括堿基的轉(zhuǎn)換、顛換,包括多個堿基或一段核苷酸序列的缺失、插入 ，常

19、導(dǎo)致翻譯的讀碼框架改變，稱框移突變,DNA分子中的某個片段從一位置轉(zhuǎn)到另一個位置，或不同DNA分子間DNA片段的轉(zhuǎn)移及重新組合,三、DNA損傷的修復(fù),即通過細胞內(nèi)一系列酶系統(tǒng)的作用，消除DNA分子上的突變部位，使其恢復(fù)正常結(jié)構(gòu),主要類型,光修復(fù)(light repair),切除修復(fù)(excision repair),重組修復(fù)(recombinational repair),SOS修復(fù)(SOS repair),1、光修復(fù)(light repair),300600nm范圍內(nèi)的光波可激活細胞內(nèi)的光修復(fù)酶(photolyase)，該酶能特異地識別共價交聯(lián)的嘧啶二聚體，斷裂兩個嘧啶環(huán)間形成的共價鍵，使二

20、聚體解聚，恢復(fù)DNA原來的結(jié)構(gòu),Go to 75,2、切除修復(fù)(excision repair),(1) 堿基切除修復(fù)(base excision repair，BER),切除修復(fù)可分為堿基切除修復(fù)和核苷酸切除修復(fù)等方式，其基本過程包括識別、切除、修補和連接。,指切除和替換由內(nèi)源性化學物質(zhì)作用產(chǎn)生的DNA堿基損傷， DNA糖基化酶(DNA glycosylase)參與此過程。,DNA堿基切除修復(fù),(2) 核苷酸切除修復(fù) (nucleotide excision repair, NER),原核細胞中，由Uvr A、Uvr B 和Uvr C蛋白形成ABC切除核苷酸酶復(fù)合物，在損傷點5 端第8個磷酸

21、二酯鍵和3 端第15個磷酸二酯鍵切除包括損傷部位在內(nèi)的一段堿基，留下缺口由DNA聚合酶I和DNA連接酶來修補,原核生物核苷酸的切除修復(fù),3. 重組修復(fù)(recombinational repair),當DNA分子損傷來不及修復(fù)完善時所采用的修復(fù)機制,人類這種切除核苷酸酶活性由810個蛋白協(xié)同完成,著色性干皮病基因(xereoderma pigmentosum pomplementary group，XP) 產(chǎn)物為XPAXPG，ERCC系列,有切除核苷酸酶活性,XP產(chǎn)物功能,該系列基因如產(chǎn)生突變，可造成切除修復(fù)缺陷，對光尤其是紫外光非常敏感，癌變率很高。,4. SOS修復(fù)( SOS repair

22、ing ),生物體內(nèi)DNA損傷面較大的緊急狀態(tài)下誘導(dǎo)產(chǎn)生的一種修復(fù)機制。,不能將大范圍內(nèi)受損傷的DNA完全精確地修復(fù)，留下的錯誤較多，故也稱為錯誤傾向修復(fù)(error-prone repair )。,在一定程度下保證細胞的存活，但有較高的突變率。,第一個發(fā)現(xiàn)的DNA修復(fù)缺陷性遺傳病:,著色性干皮病(xeroderma pigmentosum, XP)是一種人類常染色體隱性遺傳病。,臨床表現(xiàn)：,患者DNA切除修復(fù)功能缺陷，對紫外線照射引起的皮膚細胞DNA損傷不能修復(fù)，長期受日光或紫外線照射時易發(fā)生皮膚癌，常伴有神經(jīng)系統(tǒng)障礙，智力低下等。,第五節(jié) 逆轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象和逆轉(zhuǎn)錄酶,Reverse transc

23、ription and Reverse transcriptase, or antitranscriptase,逆轉(zhuǎn)錄( transcription )概念,含有逆轉(zhuǎn)錄酶的RNA病毒是通過逆轉(zhuǎn)錄(反轉(zhuǎn)錄)過程傳遞遺傳信息的，即以RNA為模板，指導(dǎo)DNA的合成，也稱為反轉(zhuǎn)錄或逆轉(zhuǎn)錄。,逆轉(zhuǎn)錄酶(reverse transcriptase, or antitranscriptase ),是一種依賴RNA的DNA聚合酶(RNA dependent DNA polymerase，RDDP)，是一多功能酶。,逆轉(zhuǎn)錄過程,大多數(shù)逆轉(zhuǎn)錄病毒有致癌作用，因而將其稱之為RNA腫瘤病毒。,RNA腫瘤病毒對動物的致瘤作用非常廣泛，可誘發(fā)白血病、肉瘤、淋巴瘤和乳腺瘤等。,已知RNA病毒：,人類免疫缺陷病毒(human immuno- deficiency virus, HIV)，可引起艾滋病。,小鼠白血病病毒MuLV ，可引起淋巴瘤及白血病。,總 結(jié),一、DNA復(fù)制的基本特性,二、 DNA復(fù)制的反應(yīng)體系,三、 DNA復(fù)制的基本過程,四、 DNA損傷與修復(fù),五、 逆轉(zhuǎn)錄與逆轉(zhuǎn)錄酶,謝 謝??！,