第十章DNA的生物合成（复制）tianx2.ppt课件.ppt

1、1（二）复制的延长（二）复制的延长: :领头链连续复制，随领头链连续复制，随 从链不连续复制从链不连续复制复制的延长指在复制的延长指在DNA-DNA-polpol催化下，催化下，dNTPdNTP以以dNMPdNMP的方式逐个加入引物或延长中的子链上，的方式逐个加入引物或延长中的子链上，其化学本质是磷酸二酯键的不断生成。其化学本质是磷酸二酯键的不断生成。 DNADNA生物合成过程生物合成过程2 5 5 3 35 5dATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPdCTPOH 33 3DNA-polDNA生物合成过程领头链的合成领头链的合成: :领头链的子链沿着领头链的子链沿着5 3 方向

2、可以连续地延长方向可以连续地延长。随从链的合成随从链的合成n同一复制叉上领头链和同一复制叉上领头链和随从链由相同的随从链由相同的DNA-pol催化延长催化延长 复复制制过过程程简简图图复制过程动画*8 原核生物基因是环状原核生物基因是环状DNADNA，双向复制的复制，双向复制的复制片段在复制的终止点片段在复制的终止点( (terter) )处汇合。处汇合。oriter E.coli8232 ori terSV40500（三）复制的终止（三）复制的终止95 5 5 RNA酶酶OHP5 DNA-pol dNTP5 5 PATP ADP+Pi5 5 DNA连接酶连接酶v随从链上不连续性片段的连接随从

3、链上不连续性片段的连接10二、真核生物的二、真核生物的DNADNA生物合成生物合成 真核生物每个染色体有多个起始点，是多复制子复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。是同步起动。 复制的起始需要复制的起始需要DNA-pol（引物酶活性）和（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（解螺旋酶活性）参与。还需拓扑酶和复制因子(replication factor, RF)。 增殖细胞核抗原增殖细胞核抗原(proliferation cell nuclear antigen

4、, PCNA)在复制起始和延长中起关键作用。在复制起始和延长中起关键作用。（一）复制的起始与原核基本相似（一）复制的起始与原核基本相似11（二）真核生物复制的延长发生（二）真核生物复制的延长发生DNA聚合酶聚合酶/转换转换 DNA-pol 和和pol 分别兼有分别兼有解螺旋酶解螺旋酶和和引物酶引物酶活性。活性。在复制叉及引物生成后，在复制叉及引物生成后，DNA-pol 通过通过PCNA的的协同作用，逐步取代协同作用，逐步取代pol ，在，在RNA引物的引物的3 -OH基基础上连续合成领头链。随从链引物也由础上连续合成领头链。随从链引物也由pol 催化合催化合成。然后由成。然后由PCNA协同，协

5、同，pol 置换置换pol ，继续合成，继续合成DNA子链。子链。 12 染色体染色体DNADNA呈线状，复制在末端停止。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。复制中岡崎片段的连接，复制子之间的连接。 染色体两端染色体两端DNADNA子链上最后复制的子链上最后复制的RNARNA引物，引物，去除后留下空隙。去除后留下空隙。（三）复制的终止（三）复制的终止DNADNA生物合成过程生物合成过程13DNADNA生物合成过程生物合成过程5 3 3 5 5 3 3 5 +5 3 3 3 3 5 5 5 14n线性线性DNA复复制的末端制的末端 15端粒端粒(telomere)指

6、真核生物染色体线性指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构。分子末端的结构。功能功能 维持染色体的稳定性维持染色体的稳定性 维持维持DNA复制的完整性复制的完整性 端粒端粒16端粒酶端粒酶(telomerase)(telomerase) 端粒酶端粒酶RNA (human telomerase RNA, RNA (human telomerase RNA, hTRhTR) ) 端粒酶协同蛋白端粒酶协同蛋白(human telomerase associated protein 1, (human telomerase associated protein 1, hTP1)hTP1) 端粒酶逆转录

7、酶端粒酶逆转录酶(human telomerase reverse transcriptase, (human telomerase reverse transcriptase, hTRThTRT) ) 组成组成17端粒酶的催化延长作用端粒酶的催化延长作用爬行模型爬行模型DNADNA聚合酶复制子链聚合酶复制子链进一步加工进一步加工19逆转录和其他复制方式逆转录和其他复制方式Reverse Transcription and Other DNA Replication Ways第四节第四节20双链双链DNA是大多数生物的遗传物质。某些病是大多数生物的遗传物质。某些病毒的遗传物质是毒的遗传物质是R

8、NA。少数低等生物如。少数低等生物如M13噬菌体，它的感染型只含单链噬菌体，它的感染型只含单链DNA。原核生。原核生物的质粒，真核生物的线粒体物的质粒，真核生物的线粒体DNA，都是染，都是染色体外存在的色体外存在的DNA。这些非染色体基因组，。这些非染色体基因组，采用特殊的方式进行复制。采用特殊的方式进行复制。21一、逆转录一、逆转录(reverse transcription) RNA指导下的指导下的DNA合成过程合成过程, 催化此反应催化此反应 的酶为逆转录酶的酶为逆转录酶逆转录逆转录22逆转录酶具有三种酶活性逆转录酶具有三种酶活性 1. RNA指导的指导的DNA合成合成2. 35和和53

9、RNA外切酶活性，可水解外切酶活性，可水解RNA 35RNA外切酶活性又称外切酶活性又称RNaseH活性，能特活性，能特 异水解异水解 RNA-DNA杂交体上的杂交体上的RNA3. DNA指导的指导的DNA合成合成逆转录酶逆转录酶(reverse transcriptase)(reverse transcriptase) 逆转录逆转录23逆转录过程逆转录过程逆转录酶逆转录酶RNase H逆转录酶逆转录酶RNARNA-DNA 杂化双杂化双链链单链单链 DNA双链双链 DNA逆转录逆转录24(HIV)逆转录25逆转录酶逆转录酶 A AA A T T T TAAAASISI核酸酶核酸酶 DNA聚合酶

10、聚合酶碱水解碱水解 T T T T分子生物学研究可应用逆转录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酶，作为获取基因工程目的基因的重要方法之一，此法称为重要方法之一，此法称为cDNA法。法。 以以mRNA为模板，经逆转为模板，经逆转录合成的与录合成的与mRNA碱基序列互碱基序列互补的补的DNA链。链。 试管内合成试管内合成cDNAcDNAcDNA complementary DNA cDNA合成*26二、逆转录研究的意义二、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逆转录酶和逆转录现象，是分子生物学研究中的重大发现。的重大发现。 逆转录现象说明：至少在某些生物，

11、逆转录现象说明：至少在某些生物，RNA同样同样兼有遗传信息传代与表达功能。兼有遗传信息传代与表达功能。对逆转录病毒的研究，拓宽了对逆转录病毒的研究，拓宽了20世纪初已注意世纪初已注意到的病毒致癌理论。到的病毒致癌理论。 逆转录逆转录27 滚环复制滚环复制(rolling circle replication)三、滚环复制和三、滚环复制和D D环复制环复制 是某些低等生物的复制形式，如是某些低等生物的复制形式，如 X174和和M13噬菌体等。噬菌体等。3 -OH5 -P5 5 5 3 3 3 3 5滚环复制滚环复制5 5 3 3 5 29dNTPDNA-pol D环复制环复制(D-loop re

12、plication) 是线粒体是线粒体DNA (mitochondrial DNA，mtDNA)的复制的复制形式。形式。 30 D-环复制时需合成引物。环复制时需合成引物。mtDNA为双链，为双链，第一个引物以内环为模板延伸。至第二个复制第一个引物以内环为模板延伸。至第二个复制起始点时，又合成另一个反向引物，以外环为起始点时，又合成另一个反向引物，以外环为模板进行反向的延伸。最后完成两个双链环状模板进行反向的延伸。最后完成两个双链环状DNA的复制。复制中呈字母的复制。复制中呈字母D形状而得名。形状而得名。 D环复制的特点是复制起始点不在双链环复制的特点是复制起始点不在双链DNA同一位点，内、外

13、环复制有时序差别。同一位点，内、外环复制有时序差别。31DNA损伤（突变）与修复损伤（突变）与修复DNA Damage (Mutation) and Repair第五节第五节32DNA突变具体指个别突变具体指个别dNMP残基以至片段残基以至片段DNA在在构成、复制或表型功能的异常变化，也称为构成、复制或表型功能的异常变化，也称为DNA损损伤伤(DNA damage)。从分子水平来看，突变就是从分子水平来看，突变就是DNA分子上碱基的改分子上碱基的改变。变。DNADNA损伤损伤33一、突变的意义一、突变的意义（一）突变是进化、分化的分子基础（一）突变是进化、分化的分子基础（二（二）突变导致基因型

14、改变突变导致基因型改变（三（三）突变导致死亡突变导致死亡（四）突变是某些疾病的发病基础（四）突变是某些疾病的发病基础 DNADNA损伤损伤34二、多种化学或物理因素可诱发突变二、多种化学或物理因素可诱发突变 大量的突变属于自发突变，发生频率只不过在大量的突变属于自发突变，发生频率只不过在10-9左右。但由于生物基因组庞大，细胞繁殖速度快，左右。但由于生物基因组庞大，细胞繁殖速度快，因此它的作用是不可低估的。因此它的作用是不可低估的。 实验室用来诱发突变，也是生活环境中导致突变实验室用来诱发突变，也是生活环境中导致突变的因素，主要有物理和化学因素。的因素，主要有物理和化学因素。 35 物理因素物

15、理因素 : :紫外线紫外线(ultra violet, UV)(ultra violet, UV)、各种辐射、各种辐射 UV36化学因素化学因素常见的化学诱变剂常见的化学诱变剂化合物类别化合物类别作作 用用 点点分子改变分子改变碱基类似物碱基类似物如：如：5-BUA 5-BU G- A - T - G - C -羟胺类（羟胺类（NH2OH）T C- T - A - C - G -亚硝酸盐（亚硝酸盐（NO2）C U- G - C - A - T -烷化剂烷化剂如：氮芥类，如：氮芥类，NitrominsG mGG mGDNA缺失缺失G37三、突变的分子改变类型三、突变的分子改变类型错配错配 (mi

16、smatch)(mismatch)缺失缺失 (deletion)(deletion)插入插入 (insertion)(insertion)重排重排 (rearrangement)(rearrangement)框移框移(frame-shift) 38 DNA分子上的碱基错配称分子上的碱基错配称点突变点突变(point mutation)。 自发突变和不少化学诱变都能引起自发突变和不少化学诱变都能引起DNA上某一碱基上某一碱基的置换。的置换。 点突变发生在基因的编码区，可导致氨基酸改变。点突变发生在基因的编码区，可导致氨基酸改变。 （一）错配可导致编码氨基酸的改变（一）错配可导致编码氨基酸的改变3

17、9镰形红细胞贫血病人镰形红细胞贫血病人Hb (HbS) 亚基亚基N-val his leu thr pro val glu C肽链肽链CAC GTG基因基因正常成人正常成人Hb (HbA)亚基亚基N-val his leu thr pro glu glu C肽链肽链CTC GAG基因基因n镰形红细胞贫血病人镰形红细胞贫血病人40HbA：N Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-LysHbS： N Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys 正常红细胞正常红细胞 镰状红细胞贫血症镰状红细胞贫血症41（二（二）缺失缺失、插入插入和框移和框移缺失：缺失：一个碱基

18、或一段核苷酸链从一个碱基或一段核苷酸链从DNA大分子上消失大分子上消失。插入：插入：原来没有的一个碱基或一段核苷酸链插入到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。大分子中间。框移突变框移突变是指三联体密码的阅读方式改变，造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。成蛋白质氨基酸排列顺序发生改变。 缺失或插入都可导致缺失或插入都可导致框移突变框移突变。42谷谷 酪酪 蛋蛋 丝丝5 G C A G U A C A U G U C 丙丙 缬缬 组组 缬缬正常正常5 G A G U A C A U G U C 缺失缺失C缺失引起框移突变缺失引起框移突变43（三）重

19、组或重排常可引起遗传、肿瘤等疾病（三）重组或重排常可引起遗传、肿瘤等疾病 DNA分子内较大片段的交换，称为重组或分子内较大片段的交换，称为重组或重排。重排。 移位的移位的DNA可以在新位点上颠倒方向反置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（倒位），也可以在染色体之间发生交换重组。重组。 44由基因重排引起的两种地中海贫血基因型由基因重排引起的两种地中海贫血基因型45DNA损伤（突变）可能造成两种结果：损伤（突变）可能造成两种结果：其一是导致复制或转录障碍（如胸腺嘧啶二聚其一是导致复制或转录障碍（如胸腺嘧啶二聚体，体，DNA骨架中产生切口或断裂）；骨架中产生切口或断裂）

20、；其二是导致复制后基因突变（如胞嘧啶自发脱其二是导致复制后基因突变（如胞嘧啶自发脱氨基转变为尿嘧啶），使氨基转变为尿嘧啶），使DNA 序列发生永久性改变。序列发生永久性改变。所以，必须通过进化使细胞拥有灵敏的机制，以识所以，必须通过进化使细胞拥有灵敏的机制，以识别和修复这些损伤，否则细胞无法维持正常代谢。别和修复这些损伤，否则细胞无法维持正常代谢。46四、四、DNA损伤的修复损伤的修复修复修复(repairing) 是对已发生分子改变的补偿措施，使其回复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。为原有的天然状态。修复的主要类型修复的主要类型 错配修复错配修复(mismatch r

21、epair) 直接修复直接修复(direct repair) 切除修复切除修复(excision repairing) 重组修复重组修复(recombination repairing) SOS修复修复 47（一）直接修复系统利用酶简单地逆转（一）直接修复系统利用酶简单地逆转DNA损伤损伤光修复酶光修复酶(photolyase) UV48（二）核苷酸切除修复系统识别（二）核苷酸切除修复系统识别DNA双螺旋变形双螺旋变形 这是细胞内最重要和有效的修复方式。这是细胞内最重要和有效的修复方式。 其过程包括去除损伤的其过程包括去除损伤的DNA，填补空隙和连接。，填补空隙和连接。 主要由主要由DNA-p

22、ol和连接酶完成。和连接酶完成。49UvrAUvrBUvrCOHPDNA聚合酶聚合酶OHPDNA连接酶连接酶ATPE.coli的切除的切除修复机制修复机制50切除修复动画切除修复动画51（三）重组修复（三）重组修复切除修复切除修复重组修复重组修复53（四）四）SOSSOS修复修复 当当DNADNA损伤广泛难以继续复制时，由此而诱发出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。一系列复杂的反应。 这种修复特异性低，对碱基的识别、选择能力差。这种修复特异性低，对碱基的识别、选择能力差。通过通过SOSSOS修复，复制如能继续，细胞是可存活的。修复，复制如能继续，细胞是可存活的。然而然而DNADNA保留的错误较多，导致较广泛、长期的保留的错误较多，导致较广泛、长期的突变。突变。54谢 谢