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1、第三篇,基因信息的传递授课教师 蔡文秀,*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,本 篇 主 要 内 容,1、复制（replication）,2、基因表达,转录（transcription）翻译（translation）,3、基因表达调控,4、基因工程（genetic engineering),（gene expression),（control of gene expression),第十章 DNA的生物合成,复制(replication)由亲代DNA合成两个相同的子代 DN
2、A的过程。,本章主要内容：,1、复制的基本规律,2、复制的酶学和拓扑学变化,3、DNA生物合成过程,4、逆转录和其他复制方式,5、DNA损伤与修复,第一节 复制的基本规律,一、半保留复制(semi-conservative replication)二、双向复制（bidirectional replication）三、半不连续复制（semi-discontinuous replication）四、复制的高保真性（high fidelity）,子链继承母链遗传信息的几种可能方式,全保留式 半保留式 混合式,一、半保留复制,（一）半保留复制的定义复制时，母链的双链DNA解开成两股单链，各自作为模板指
3、导子代合成新的互补链。子代细胞的DNA双链，其中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。由于碱基互补，两个子细胞的DNA双链，都和亲代母链DNA碱基序列一致。这种复制方式称为半保留复制（semi-conservative replication)。,AGGTACTGCCACTGG,TCCATGACGGTGACC,CCACTGG,GGTGACC,AGGTACTG,TCCATGAC,TCCATGAC,AGGTACTG,AGGTACTGCCACTGG,TCCATGACGGTGACC,AGGTACTGCCACTGG,TCCATGACGGTGACC,+,母链DNA,复制过程中形成的复制叉
4、,子代DNA,（二）半保留复制的实验依据,（三）半保留复制的意义,1、使亲代DNA所含的信息以极高的准确度传递给子代DNA分子。2、DNA通过复制和基因表达这两种主要功能，决定了生物的特性和类型并体现了遗传过程的相对保守性。遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，但不是绝对的。,二、双向复制,（一）双向复制的定义复制时，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（bidirectional replication）。,（三）真核生物的双向复制,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(repli
5、con)。复制子是独立完成复制的功能单位。,三、复制的半不连续性,DNA双螺旋的两条链是反平行的，而DNA合成的方向只能是53。在DNA复制时，1条链的合成方向和复制叉的前进方向相同，可以连续复制，叫作前导链（leading strand）；而另一条链的合成方向和复制叉的前进方向正好相反，不能连续复制，只能分成几个片段（冈崎片段）合成，称之为滞后链（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复制。,领头链(leading strand),随从链(lagging strand),半不连续复制,四、复制的高保真性,DNA复制的精确度极高，误差率很低，以保证
6、物种在维持遗传保守性的同时，还要通过变异不断进化。DNA复制的高度忠实性至少要依赖三种机制：1、遵守严格的碱基配对规律；2、DNA聚合酶在复制延长中对碱基的选择功能；3、复制出错时，DNA聚合酶的即时校读功能。,复制的保真性和碱基选择,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聚合酶的即时校读功能,第二节 DNA复制的酶学,一、复制的化学反应（一）复制的反应体系1底物：四种 dNTP：dATP、dTTP、dGTP、dCTP2聚合酶：依赖DNA的DNA聚合酶，DNA-po
7、l；3模板：指解开成单链的DNA母链；4引物：提供3OH末端，使dNP可以依 次聚合；5其他酶和蛋白质因子。,（二）复制的化学反应,在聚合酶的作用下，一个核苷酸 5-P和相邻的核苷酸上核糖的3-OH生成磷酸二酯键而逐一聚合的形成多核苷酸链。（dNMP）ndNTP（dNMP）n+l ppiDNA链生成过程，DNA 新链生成需引物和模板；只能从5-端向3-端延长。,复制的化学反应,(dNMP)n+dNTP(dNMP)n+1+PPi,二、参与复制的主要酶类,（一）DNA聚合酶（二）解链解旋酶（三）引物酶（四）DNA连接酶,（一）DNA聚合酶,全称：依赖DNA的DNA聚合酶（DDDP）缩写：DNApo
8、l活性：1.53 的聚合活性 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RNA引物和突变的 DNA片段。,能辨认错配的碱基对，并将其水解。,核酸外切酶活性,1原核生物的DNA聚合酶,DNA-pol IDNA-pol IIDNA-pol,（1）DNA聚合酶：,结构特点单一多肽链，从N端到C端有3个酶促活性结构域依次排列：53外切酶、35外切酶和DNA聚合酶。DNA Pol I在蛋白酶的作用下，可分为大、小两个片段。小片段具有53外切酶活性。大片段（又称为Klenow片段）具有聚合酶活性及35 外切酶活性，它对核酸技术十分有用。,DNA-pol（109kD）,323个氨基酸
9、,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,N 端,C 端,木瓜蛋白酶,DNA-pol,Klenow片段是实验室合成DNA，进行分子生物学研究中常用的工具酶。,DNA-pol I在活细胞内的功能,1）53聚合酶的活性：对复制和修复中出现的空隙进行填补。2）35外切酶活性：对复制中错误进行即时校读，保证复制的准确性。3）53外切酶活性：可去除RNA引物和突变碱基。,（2）DNA-pol II,53聚合酶活性35外切酶活性无53外切酶活性它只是在无pol I及pol 的情况下才起作用，其真正的功能也未完全清楚，可能在损伤修复中有特
10、殊作用。,（3）DNA pol-,结构特点由10种亚基（）组成不对称异源二聚体。核心酶（）亚基：53 聚合酶活性 亚基：3 5外切酶活性和碱基选择功能，是复制保真性所必需 亚基:可能起组装作用亚基：夹稳模板链并使酶沿模板链滑动复合物：促进全酶组装至模板及增强核心 酶活性,DNA-pol(250kD),DNA-pol 在活细胞内的功能,53聚合酶的活性：是在复制延长中真正催化新链核苷酸聚合的酶。35外切酶活性：对复制中错误进行即时校读，保证复制的准确性。,E.Coli中的DNA聚合酶,2真核生物的DNA聚合酶,DNApol，。DNApo1：延长领头链和随从链；DNApoI：合成RNA引物；DNA
11、pol：校读、修复和填补缺口。DNApol：在没有其他DNApol时 发挥催化功能。DNApo1：催化线粒体DNA的合成。,真核生物的DNA聚合酶,真核生物的DNA聚合酶,（二）与复制起始及解链解旋相关的酶类,在复制起始时需要多种酶和蛋白因子，共同起解开、理顺DNA链，维持DNA在一段时间内处于单链状态的作用。,E.Coli 基因图,1.与复制起始及解链相关的酶类及蛋白,（1）DnaA蛋白（2）DnaB蛋白（解螺旋酶）（3）DnaC蛋白,（1）DnaA蛋白,DnaA蛋白是由相同亚基组成的四聚体。复制起始时，DnaA蛋白辨认并结合E.coli上复制起始点oriC，1020个DnaA蛋白相互靠近形
12、成DNA蛋白质复合体结构，促使oriC局部解链。,复制起始点（E.coli-oriC）,识别区,AT富含区,（2）DnaB蛋白,解螺旋酶、复制蛋白rep，利用ATP供能，作用于氢键，使DNA双链解开成为两条单链。,（3）DnaC蛋白,Dna C蛋白的作用是将具有解链酶活性的Dna B蛋白运送到复制模板，并协同Dna B 蛋白的作用。,DnaB、DnaC,DnaG（引物酶）,DnaA蛋白复合物,解链过程中，DNA分子会过度拧紧、打结、缠绕、连环等现象。,2DNA拓扑异构酶（DNA topoisomerase）,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。分类：拓扑酶和拓
13、扑酶作用特点：对DNA分子的作用是既能水解，又能连接磷酸二酯键。DNA分子一边解链，一边复制，拓扑酶是在复制全过程中都是有作用的。,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,目 录,3单链DNA结合蛋白,单链DNA结合蛋白（single stranded DNA binding protein，SSB）的作用是在复制中维持模板处于单链状态并保护单链的完整。模板的DNA总要处于单链状态，而DN
14、A分子只要符合碱墓配对，又总会有形成双链的倾向，以使分子达到稳定状态和免受胞内广泛存在的核酸酶降解。,（三）引物酶,DNA聚合酶不能从头合成DNA链，只能延长已有的DNA或RNA引物链。引物酶（primase）在复制起始时催化引物（primer）合成，提供3-OH末端，使DNA-pol能够催化dNTP聚合。引物酶属DNA指导的RNA 聚合酶，但不同于催化转录过程的RNA聚合酶。在E.coli，引物酶是dnaG基因的产物DnaG。,（四）DNA连接酶（DNA ligase）,连接DNA链3-OH末端和相邻DNA链的5 P末端，使二者生成磷酸二酯键，从而把两段相邻的DNA链连成完整的链。特点：连接
15、酶连接碱基互补基础上的双链中的单链缺口，它并没有连接单独存在的DNA单链或RNA单链的作用。功能：在复制中起最后接合缺口的作用，在DNA修复、重组、剪接中也起缝合缺口作用，也是基因工程的重要工具酶之一。,三种酶催化生成磷酸二酯键的比较,第三节 DNA生物合成过程,一、原核生物DNA生物合成,（一）复制的起始（二）复制的延长（三）复制的终止,1、DNA解链2、引发体的形成并合成引物3、超螺旋的转型,（一）复制的起始,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,Dna A,Dna B、Dna C,DNA拓扑异构酶,引物酶,SS
16、B,3,5,3,5,引发体的形成,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。,引物的合成,Dna A,Dna B、Dna C,DNA拓扑异构酶,SSB,3,5,3,5,引发体的蛋白质部分在DNA链上可以移动，并需由ATP供给能量。引发体到达适当位置就可按照模板的配对序列，催化NTP（不是dNTP）的聚合，生成引物。DNA复制是半不连续，一股链是可以连续进行的，另一股链是不连续复制的，在不连续复制的链上，引发体需多次生成。,引发体的生成和DNA解成复制叉,（三）超螺旋的转型,解链将导致下游发生打结现象或DNA超螺旋的其他部分过度拧转。拓扑酶通过切断、旋转和再连结
17、的作用，实现DNA超螺旋的转型，即把正超螺旋变为负螺旋。实验证明，负超螺旋比正超螺旋有更好的模板作用。,+,复制起始的过程,1DnaA蛋白辨认结合oriC的重复序列，并与DNA形成复合物，引起解链；2DnaB在DnaC的辅助下结合于初步打开的双链，并用其解螺旋酶活性开链；3拓扑酶通过切断、旋转和再连结的作用，实现DNA超螺旋的转型；4SSB结合在已开链的DNA模板上，使DNA在一定的范围内保持开链状态。5引物酶介入，形成的引发体，可按照模板的配对序列，催化NTP的聚合，生成引物。,（二）复制的延长,脱氧单核苷酸逐个加入而延长DNA新链，其化学反应本质是生成磷酸二酯键。催化此反应的酶：原核生物：
18、DNA-pol 真核生物：DNA-pol催化不连续复制 DNA-pol催化连续复制,（）复制延长的生化过程,复制起始时，母链即已解开，两股单链都是模板，其作用是按碱基配对规律指引核苷酸加入到新链。每次加入的单个核苷酸，都是以dNTP为原料，复制时子链从5向3延长。复制延长速度相当快。E.coli每秒钟能加入的核苷酸数达2500个。,（二）复制的半不连续性和冈崎片段,在形成双螺旋结构时，DNA双链的走向是相反的。复制经解链后，两股单链在复制叉上也是走向相反。复制，包括引物合成，只能从5向3延伸。而在同一复制叉上，解链的方向只可能有一个。,复制方向与解链方向不一致 可以理解不连续复制的成因,1领头
19、链连续复制,顺着解链方向而生成的子链，复制是连续进行的，这股链称为领头链（leading strand)。,2随从链不连续复制,复制的方向与解链方向相反生成的子链称为随从链（lagging strand）。随从链的复制必须等待模板链解开至足够长度，才能从53方向生成引物然后复制。随从链在延长时，又要等到下一段暴露出足够长而度的模板，再次生成引物而延长。这就是不连续复制。,随从链的合成,随从链,3冈崎片段,随从链不连续复制的片段称为冈崎片段，其大小在10002000个核苷酸。每一个不连续复制的片段5-端都带有一个RNA引物。片段的复制完成后，RNA引物会被除去而代之以DNA片段，因此复制至最后，
20、两股子链都是DNA链。,冈崎片段,3,5,3,5,解链方向,3,5,3,3,5,冈崎片段,在同一个复制叉上，领头链的复制先于后随链，但两链是在同一DNApol 催化下进行。即随从链的模板可折叠或环绕成环状，与前导链正在延长的区域对齐，使领头链和随从链的生长点都处在DNApol 催化位点上。解链方向就是酶的前进方向，也是复制叉延伸方向。,复制延长简图,（三）复制的终止,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)处汇合。复制的起始点和终止点刚好把环状DNA分为两个半圆，两个方向各进行180，同时在终止点汇合。为了定位方便，习惯把E.coli的DNA分为100等分。E.co
21、li复制起始点oriC在82位点，复制终点ter（termination）在32位点。,Ecoli 基因图,ter,oriC,随从链上不连续性片段的连接,哺乳动物的细胞周期,DNA合成(synthesis)期,G1,G2,S,M,二、真核生物的DNA生物合成,（一）复制的起始,真核生物每个染色体有多个起始点，是多复制子复制。复制有时序性，即复制子以分组方式激活而不是同步起动。复制的起始需要DNA-pol（引物酶活性）和pol（解螺旋酶活性）参与。还需拓扑酶和复制因子(replication factor,RF)。增殖细胞核抗原(proliferation cell nuclear antige
22、n,PCNA)在复制起始和延长中起关键作用。,3,5,5,3,领头链,3,5,3,5,亲代DNA,随从链,引物,核小体,（二）复制的延长,（三）复制的终止,染色体DNA呈线状，复制在末端停止。复制中岡崎片段的连接，复制子之间的连接。染色体两端DNA子链上最后复制的RNA引物，去除后留下空隙。,5,3,3,5,5,3,3,5,+,5,3,3,3,3,5,5,5,结构特点,由末端单链DNA序列和蛋白质构成。末端DNA序列是多次重复的富含G、C碱基的短 序列。,端粒酶(telomerase)的组成,端粒酶RNA(human telomerase RNA,hTR)端粒酶协同蛋白(human telom
23、erase associated protein 1,hTP1)端粒酶逆转录酶(human telomerase reverse transcriptase,hTRT),端粒酶的催化延长作用,爬行模型,DNA聚合酶复制子链,进一步加工,端粒和端粒酶的生物学意义,端粒特别是端粒酶的活性与细胞的生长、繁殖、衰老凋亡以及肿瘤的发生密切相关。端粒的平均长度随细胞分裂次数的增多及年龄的增长而逐渐变短至消失，可导致染色体稳定性下降，导致细胞衰老凋亡。体细胞几乎没有端粒酶活性，随多次细胞分裂端粒逐渐缩短，细胞失去增殖能力。而端粒酶活性较高的胚原细胞，端粒长度未缩短。肿瘤细胞端粒酶重新获得活性，以维持端粒结构
24、致使染色体稳定而成为永生细胞。肿瘤细胞的端粒比正常人同类细胞显著缩短。,逆转录和其他复制方式Reverse Transcription and Other DNA Replication Ways,第四节,逆转录酶(reverse transcriptase),逆转录,一、逆转录病毒和逆转录酶,（一）逆转录,在逆转录酶的作用下以RNA为模板合成DNA的过程。此过程中，核酸合成与转录（DNARNA）过程遗传信息的流动方向相反（RNADNA），故称为逆转录（reverse transcription)。,（二）逆转录病毒,RNA病毒的基因组是RNA而不是DNA，其复制方式是逆转录，故称为逆转录病毒
25、（retrovirus）。RNA病毒感染活细胞后，要先经逆转录成为双链DNA，通过基因重组方式，参加入宿主细胞基因组，并随宿主细胞复制和表达。这种重组方式称为整合（integration）。病毒基因的整合可能是病毒致癌的重要方式。,（三）逆转录酶,能催化以单链RNA为模板合成双链DNA的反应的酶称为逆转录酶（reverse transcriptase)。它兼有三种酶的活性：RNA指导的DNA聚合酶，DNA指导的DNA聚合酶和RNase H活性。所谓RNase H活性是指除去杂合分子中的RNA。它可以从53和35两个方向水解DNARNA。逆转录酶和其他DNA聚合酶一样，合成DNA的方向为53，并
26、且不能从头合成DNA，也需要引物，是病毒本身的一种tRNA。,二、逆转录过程,1以单链RNA的基因组为模板，在逆转录酶(RNA指导的DNA聚合酶)的催化下，合成一条单链DNA；2产物与模板生成RNADNA杂化双链，杂化双链中的RNA被逆转录酶(RNase H)水解；3以新合成的单链DNA为模板，逆转录酶(DNA指导的DNA聚合酶)催化合成第二链的DNA。,逆转录病毒细胞内的逆转录现象,RNA 模板,逆转录酶,DNA-RNA 杂化双链,RNA酶,单链DNA,逆转录酶,双链DNA,碱水解,T T T T,分子生物学研究可应用逆转录酶，作为获取基因工程目的基因的重要方法之一，此法称为cDNA法。,以
27、mRNA为模板，经逆转录合成的与mRNA碱基序列互补的DNA链。,试管内合成cDNA,三、逆转录酶和逆转录现象的生物学意义,（一）逆转录酶和逆转录现象是分子生物学研究中的重大发现 RNA同样兼有遗传信息传代与表达功能。（二）对逆转录病毒的研究，拓宽了病毒致癌理论。（三）分子生物学研究应用逆转录酶（cDNA法)，作为获取基因工程目的基因的重要方法之一。,第五节DNA损伤（突变）与修复DNA Damage(Mutation)and Repair,一、突变的定义二、突变的意义三、引发突变的因素四、突变的分子改变类型五、DNA损伤的修复,一、突变的定义：,个别脱氧核糖核苷酸残基甚至片段DNA在构成、复
28、制或表型功能上的异常变化，称为突变（Mutation），也称为DNA损伤（DNA damage）。遗传物质结构改变引起遗传信息的改变。,二、突变的意义,（）突变是进化、分化的分子基础自发突变或自然突变（二）突变导致基因型改变多态性：个体之间的基因型差别。（三）突变导致死亡突变发生在对生命过程至关重要的基因上，可导致个体、细胞的死亡。（四）突变是某些疾病的发病基础 有害的突变,三、引发突变的因素,（一）自发突变（二）诱发突变1物理因素：主要指紫外线和各种辐射，如紫外线可引起DNA链上相邻的两个嘧啶碱基发生共价结合，生成嘧啶二聚体。2化学因素：化工原料、化工产品和副产品，各种工业的排放物、农药、食
29、品防腐剂或添加剂，以至汽车排放的废气。,嘧啶二聚体的形成与解聚,四、突变分子改变的类型,（一）错配（mismatch）,DNA分子上的碱基错配称点突变(point mutation)。点突变发生在基因的编码区域，可导致氨基酸的改变。1.转换：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。2.颠换：发生在异型碱基之间，即嘌呤变嘧啶或嘧啶变嘌呤。,镰形红细胞贫血病人Hb(HbS)亚基,正常成人Hb(HbA)亚基,膀胱癌细胞c-rasH基因点突变,（二）缺失、插入和框移突变,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。
30、框移突变：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，其后果是翻译出的蛋白质可能完全不同。,缺失引起框移突变,（三）重排（rearrangement）,DNA分子内发生较大片段的交换，称为重组或重排。移位的DNA可以在新位点上颠倒方向反置（倒位），也可以在染色体之间发生交换重组。,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 repairing）,修复是指针对已发生了的缺陷而施行的补救机制。修复的主要类型：（一）光修复(light repairing)（二）切除修复(excision repairing)（三）重组修复(recombination repa
31、iring)（四）SOS修复,（一）光修复,光修复过程是通过光修复酶（photolyase）催化而完成的，仅需300600nm波长照射即可活化，普遍存在于各种生物，人体细胞中也有发现。通过此酶作用，可使嘧啶二聚体分解为原来的非聚合状态，DNA完全恢复正常。,光修复,光修复酶(photolyase),UV,（二）切除修复（excision repairing）,细胞内最重要的修复机制，包括去除损伤DNA，填补空隙和连接。1、原核生物DNA损伤修复：UvrA，UvrB辨认及结合DNA损伤部位；UvrC在解螺旋酶的协助下切除损伤部位。DNA-pol和连接酶填补空隙和连接。2、真核生物DNA损伤修复：
32、XP类蛋白辨认和切除损伤DNA部位，切除后留下的空隙，则由DNA-pol 及加以修复。,E.coli的切除修复方式,（三）重组修复（recombination repairing）,当DNA分子的损伤面较大，还来不及修复完善就进行复制时，损伤部位因无模板指引，复制出来的新子链会出现缺口，这时，就靠重组蛋白RecA的核酸酶活性将另一股健康的母链与缺口部分进行交换，以填补缺口。损伤链移到己完成复制的链上，如果损伤又只发生在双链DNA中的一股单链，则下一轮的复制损伤链就只占DNA的14，不断复制后，其比例就越来越低，称为把损伤链“稀释”掉。,重组修复,（四）SOS修复,是一类应急性的修复方式。由于DNA损伤广泛至难以继续复制，由此而诱发出一系列复杂的反应。在E.coli，各种与修复有关的基因，组成一个称为调节子(regulon)的网络式调控系统。特点：反应特异性低，对碱基的识别、选择能力差。通过SOS修复，复制如能继续，细胞是可存活的。然而，DNA保留的错误会较多，引起较广泛、长期的突变。,
