1、DNA和RNA的生物合成第第 四四 章章DNA and RNA Biosynthesis全国高职高专护理类专业第三轮规划教材全国高职高专护理类专业第三轮规划教材第一节第一节 DNA的生物合成的生物合成 一、一、DNA复制复制 二、二、 DNA的损伤与修复的损伤与修复 三、反转录三、反转录第二节第二节 RNA的生物合成的生物合成 一、不对称转录一、不对称转录 二、二、RNA转录的体系转录的体系 三、三、RNA转录的过程转录的过程 四、转录后加工四、转录后加工本章节学习目标本章节学习目标1 1、DNADNA复制特点、体系复制特点、体系2 2、RNARNA转录特点、体系转录特点、体系3 3、反转录概
2、念、反转录概念1 1、DNADNA复制过程复制过程2 2、DNADNA的损伤与修复的损伤与修复3 3、RNARNA转录终止方式转录终止方式1 1、RNARNA的转录过程的转录过程2 2、反转录酶、反转录酶学习学习目标目标 掌掌握握熟熟悉悉了了解解 19 19世纪世纪4040年代，英国亚历山大年代，英国亚历山大德丽那德丽那维多维多利亚女王生下了四男五女共利亚女王生下了四男五女共9 9个孩子，其中有个孩子，其中有3 3个男个男孩患有血友病，好在五个女儿都健康。而五个女儿孩患有血友病，好在五个女儿都健康。而五个女儿嫁到欧洲的其它王室后，她们的小王子却有很多都嫁到欧洲的其它王室后，她们的小王子却有很多
3、都患上了血友病。患上了血友病。 试问：血友病是从维多利亚女王是如何传给她试问：血友病是从维多利亚女王是如何传给她的儿子以及外孙的？的儿子以及外孙的？分子生物学分子生物学( (分子遗传学分子遗传学) )中心法则中心法则 反映了从反映了从DNADNA- -RNARNA- -蛋白质的遗传信息主蛋白质的遗传信息主流，揭示了生物体内遗传信息的贮存、传递和流，揭示了生物体内遗传信息的贮存、传递和表达的规律表达的规律。转录转录RNA翻译翻译蛋白质蛋白质DNA RNA （病毒）（病毒）复制复制复复制制翻译翻译 蛋白质蛋白质 （病毒）（病毒）反转录反转录（一）（一）DNA复制特点复制特点DNA的半保留复制：的半
4、保留复制： DNA复制中，每个子代分子的一条链来自亲代DNA，而另一条链则是新合成的，这种复制的方式称为半保留复制。一、一、DNA复制复制AGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCCCACTGGGGTGACCAGGTACTGTCCATGACTCCATGACAGGTACTGAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACC+母链母链DNA复制过程中形复制过程中形成的复制叉成的复制叉子代子代DNA按半保留复制方式，子代按半保留复制方式，子代DNA与亲代与亲代DNA A的的碱基序列一致碱基序列一致，即子代保留了亲
5、代的全部遗，即子代保留了亲代的全部遗传信息，体现了遗传的传信息，体现了遗传的保守性保守性。n半保留复制的意义半保留复制的意义: :遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，但但不是绝对的不是绝对的。2. DNA的半不连续复制的半不连续复制 DNA复制中一条链是连续合成的，而另一条链是不连续的合成的，这种复制方式叫做半不连续复制 。 顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的，顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的，这股链称为这股链称为领头链领头链(leading strand) 。 另一股链因为复制的方向与解链方向相反，不另一股链因为复制的方向与解链方向相反，
6、不能顺着解链方向连续延长，这股不连续复制的能顺着解链方向连续延长，这股不连续复制的链称为链称为随从链随从链(lagging strand) 。复制中的不。复制中的不连续片段称为连续片段称为岡崎片段岡崎片段(okazaki fragment)。 领头链连续复制领头链连续复制，而随从链不连续复制，就是而随从链不连续复制，就是复制的复制的半不连续性半不连续性。 1. 模板模板 亲代亲代DNA分子分子2. 底物底物 四种三磷酸脱氧核苷酸（四种三磷酸脱氧核苷酸（dNTP）3. 能量能量 ATP4. 引物引物 为为DNA聚合酶提供聚合酶提供3 -OH末端的末端的短片段短片段RNA， 使使dNTP可以依次聚
7、合可以依次聚合5. 酶类及蛋白因子酶类及蛋白因子（1）解旋解链酶类）解旋解链酶类 （2）引物酶）引物酶（3）SSB（4） DNA聚合酶聚合酶 （5）DNA连接酶连接酶(1)(1)解螺旋酶与解螺旋酶与拓扑异构酶拓扑异构酶 解螺旋酶：利用解螺旋酶：利用ATPATP供能，打开氢键，使供能，打开氢键，使DNADNA双双 链解开成为链解开成为 两条单链。两条单链。(2)(2)引物酶引物酶 复制起始时催化生成复制起始时催化生成RNARNA引物的酶。引物的酶。(3)(3)单链单链DNADNA结合蛋白结合蛋白(SSB) (SSB) 维持模板处于单链状态并保护单链的完整。维持模板处于单链状态并保护单链的完整。
8、1010 8 8 局部解链后局部解链后 拓扑异构酶拓扑异构酶 切断切断DNA双链中双链中一股一股链，使链，使DNA解链旋转不致打结；适当时候封闭切口，解链旋转不致打结；适当时候封闭切口，DNA变为松弛变为松弛状态。反应状态。反应不需不需ATP。 拓扑异构酶拓扑异构酶 切断切断DNA分子分子两股两股链，断端通过切链，断端通过切口旋转使超螺旋松弛。利用口旋转使超螺旋松弛。利用ATP供能连接断端，供能连接断端， DNA分子分子进入负超螺旋状态。进入负超螺旋状态。DNA拓扑异构酶：理顺拓扑异构酶：理顺DNA链，改变超螺旋状态的酶链，改变超螺旋状态的酶 分为分为I型和型和II型。型。 (4)(4)DNA
9、聚合酶聚合酶 全称为全称为依赖依赖DNA的的DNA聚合酶聚合酶 (DNA-dependent DNA polymerase)，简称，简称DNA-pol。原核生物的原核生物的DNADNA聚合酶聚合酶DNA-pol DNA-pol DNA-pol 真核生物的真核生物的DNADNA聚合酶五种：聚合酶五种：、大肠杆菌大肠杆菌E.coli中的三种中的三种DNA聚合酶聚合酶DNA-pol DNA-pol II基因发生突变，细菌依然能存活。它参基因发生突变，细菌依然能存活。它参与与DNA损伤的应急状态修复。损伤的应急状态修复。 功能：功能：是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶。是原核生物复制延长中真正起催
10、化作用的酶。 DNA-pol 真核生物真核生物DNA聚合酶聚合酶+-3 5 外切酶活性外切酶活性5 3 聚合活性聚合活性250170160300-pol功能功能+-3 5 5 3 聚合活性聚合活性3638300分子大小分子大小（x 103) )DNA- pol+细胞内定位细胞内定位核核核核核核核核线粒体线粒体引发引发修复修复复制复制复制复制修复修复（引物酶，（引物酶，DNA聚合酶）聚合酶）（链的延伸（链的延伸 填补空隙）填补空隙）(5)(5)DNA连接酶连接酶 连接连接DNA链链3 -OH末端和相邻末端和相邻DNA链链5 -P末端，末端，使二者生成磷酸二酯键，从而把两段相邻的使二者生成磷酸二酯
11、键，从而把两段相邻的DNA链连接成一条完整的链。链连接成一条完整的链。3POO-O-OHO5POO-O-O335DNA连接酶连接酶ATPADP535（三）（三）DNA复制的过程复制的过程2.2.复制的延长复制的延长1.1.复制的起始复制的起始3.3.复制的终止复制的终止1.1.复制的起始复制的起始 DNADNA拓扑异构酶和解旋酶在拓扑异构酶和解旋酶在DNADNA复制起始部位解复制起始部位解开开DNADNA超螺旋结构，使超螺旋结构，使DNADNA双链形成局部的双链形成局部的DNADNA单链，单链，然后形成复制叉。当两股单链暴露出足够数量碱基然后形成复制叉。当两股单链暴露出足够数量碱基对时，引物酶
12、识别起始部位，并以解开的一段对时，引物酶识别起始部位，并以解开的一段DNADNA链为模板，按碱基配对规律，从链为模板，按碱基配对规律，从5 5 33 方向合成引方向合成引物物RNARNA片段，引物的生成标志着复制的正式开始。片段，引物的生成标志着复制的正式开始。2.2.复制的延长复制的延长催化酶：催化酶：DNA聚合酶聚合酶原料：原料：dNTP模板：模板：DNA的两条链的两条链方向：方向：5 3 方式：方式：半不连续复制半不连续复制 DNA的两条链反向平行，而的两条链反向平行，而DNA聚合酶的合成方向都是聚合酶的合成方向都是 5 3 。 3 5 走向的模板链，其上的走向的模板链，其上的DNA合成
13、与解链方向相同，合成与解链方向相同，可以连续合成，称为前导链。可以连续合成，称为前导链。 另一条另一条5 3 走向的模板链，其上合成走向的模板链，其上合成DNA链与解链方链与解链方向正好相反，故不能连续进行，称为随从链。向正好相反，故不能连续进行，称为随从链。 随从链上形成许多不连续片段，称为冈崎片段。随从链上形成许多不连续片段，称为冈崎片段。半不连续复制半不连续复制领头链的合成领头链的合成（1 1）领头链的延长）领头链的延长领头链沿着领头链沿着5 3 方向可以连续的延长。方向可以连续的延长。（2 2）随从链的延长）随从链的延长3.3.复制的终止复制的终止（1 1） DNA聚合酶聚合酶I切除引
14、物并填补空隙。切除引物并填补空隙。（2 2） DNA连接酶连接缺口生成子代连接酶连接缺口生成子代DNA。随从链上不连续性片段的连接随从链上不连续性片段的连接（一）（一）DNA损伤的因素损伤的因素 1. 物理因素物理因素 常见的有紫外线和各种电离辐射。常见的有紫外线和各种电离辐射。 2. 化学因素化学因素 化学诱变剂等化学诱变剂等 3. 生物因素生物因素 如反转录病毒等如反转录病毒等 4. 自发因素自发因素 一、一、DNA的损伤修复的损伤修复（1）DNA损伤范围部位不同能导致不同程损伤范围部位不同能导致不同程 度后果，如表现出基因多态性、导致度后果，如表现出基因多态性、导致 遗传性疾病甚至个体死
15、亡。遗传性疾病甚至个体死亡。（2）进化）进化1.1.后果后果（二）（二）DNA损伤的后果与类型损伤的后果与类型2. DNA损伤的类型包括如下几种：损伤的类型包括如下几种：点突变点突变 指指DNA链上单一碱基的变异。链上单一碱基的变异。缺失缺失 指指DNA链上一个或一段核苷酸的消失。链上一个或一段核苷酸的消失。插入插入 指原来不存在的一个碱基或一段核苷酸指原来不存在的一个碱基或一段核苷酸 链插入到链插入到DNA分子中。分子中。重排重排 指指DNA分子内发生较大片段的交换。分子内发生较大片段的交换。1. 1. 光修复光修复 光修复过程是通过光修复酶催化完成，仅需光修复过程是通过光修复酶催化完成，仅
16、需 300-600nm300-600nm波长照射即可活化，此方法普遍存波长照射即可活化，此方法普遍存 在于各种生物体中。在于各种生物体中。（三）（三）DNA损伤的修复损伤的修复人类着色性干皮病人类着色性干皮病 人类着色性干皮病（人类着色性干皮病（xeroderma pigmentosum, XP）是一种罕见的常染色体隐性遗传病，患者主要的临床是一种罕见的常染色体隐性遗传病，患者主要的临床表现为皮肤对日光，特别是紫外线高度敏感，暴露部表现为皮肤对日光，特别是紫外线高度敏感，暴露部位皮肤出现色素沉着、干燥、角化、萎缩及癌变等，位皮肤出现色素沉着、干燥、角化、萎缩及癌变等，其皮肤和眼部肿瘤的发生率是
17、正常人的其皮肤和眼部肿瘤的发生率是正常人的1000倍。倍。XP是由于患者对紫外线照射造成的核苷酸损伤切除修复是由于患者对紫外线照射造成的核苷酸损伤切除修复缺陷所致，该病具有多型性，且各型之间互补。目前缺陷所致，该病具有多型性，且各型之间互补。目前为止已发现了为止已发现了7种互补型和种互补型和1种变异型。种变异型。2. 2. 切除修复切除修复 细胞内最重要和有效细胞内最重要和有效 的修复方式。的修复方式。 过程包括识别、切除、过程包括识别、切除、 填补和连接几个步骤。填补和连接几个步骤。3. 3. 重组修复重组修复 RecA蛋白结合在子链的蛋白结合在子链的空缺处，引发对侧正常模板空缺处，引发对侧
18、正常模板链与子链重组，将子链修复链与子链重组，将子链修复成完整的子链，对侧正常模成完整的子链，对侧正常模板链上留下的空缺由板链上留下的空缺由DNA聚聚合酶合酶合成合成DNA片段填补，片段填补，最后由连接酶连接，使模板最后由连接酶连接，使模板链重新成为一条完整的链重新成为一条完整的DNA链。链。 反转录概念反转录概念：某些病毒如：某些病毒如RNA病毒，其遗传信息病毒，其遗传信息则储存在则储存在RNA分子中，分子中，RNA病毒能以病毒能以RNA为模为模板合成板合成DNA，或逆转录。，或逆转录。 催化逆转录反应的酶是逆转录酶，又称依赖催化逆转录反应的酶是逆转录酶，又称依赖RNA的的DNA聚合酶聚合酶
19、（一）概念与反转录酶（一）概念与反转录酶三、反转录三、反转录 逆转录的发现逆转录的发现 1910年，美国病理学家发现了病毒可以致癌后，人们开年，美国病理学家发现了病毒可以致癌后，人们开始深入探索病毒转化的机制。始深入探索病毒转化的机制。1956年，年，Termin提出前病毒假提出前病毒假说，指出说，指出RNA病毒进入宿主细胞后，首先将病毒进入宿主细胞后，首先将RNA复制复制DNA（此时成为前病毒），然后病毒（此时成为前病毒），然后病毒DNA与宿主细胞发生整合形与宿主细胞发生整合形成宿主的一部分，而增殖由病毒成宿主的一部分，而增殖由病毒DNA通过转录过程完成。但通过转录过程完成。但这一假说违反了
20、这一假说违反了1958年提出的中心法则，而被多数人拒绝。年提出的中心法则，而被多数人拒绝。直至直至1970年，年，Termin和助手和助手Rous从肉瘤病毒中分离得到了一从肉瘤病毒中分离得到了一种种RNA依赖的依赖的DNA聚合酶，与此同时，麻省理工学院的聚合酶，与此同时，麻省理工学院的David Baltimore也从小鼠白血病病毒中分离得到了这种酶，才证明也从小鼠白血病病毒中分离得到了这种酶，才证明了前病毒假说的正确性，逆转录得到认可，中心法则被重新了前病毒假说的正确性，逆转录得到认可，中心法则被重新修正。修正。（二）反转录的意义（二）反转录的意义 1.补充和发展了中心法则补充和发展了中心法
21、则 2.对反转录病毒的研究，拓宽了病毒致癌理论。对反转录病毒的研究，拓宽了病毒致癌理论。 3.在基因工程中，可利用反转录酶将在基因工程中，可利用反转录酶将mRNA逆转逆转 录形成录形成cDNA，以获得目的基因。，以获得目的基因。 人类免疫缺陷病毒人类免疫缺陷病毒 人类免疫缺陷病毒（人类免疫缺陷病毒（human immunodeficiency virus，HIV）是一种逆转录病毒，）是一种逆转录病毒，HIV-1的反转录酶的反转录酶分子有两个亚基（分子有两个亚基（51 000和和66 000），其中），其中p66亚基有亚基有两个关键性结构域，分别具有两个关键性结构域，分别具有DNA聚合活性和聚合
22、活性和RNA降解活性，该酶能以降解活性，该酶能以RNA为模板合成为模板合成DNA，并能降，并能降解解RNA模板，合成的模板，合成的DNA单链能以自身为模板合成单链能以自身为模板合成另外一条单链，形成完整的双链另外一条单链，形成完整的双链DNA.，并能插入到，并能插入到人类细胞的基因组中，随细胞分裂而分裂。人类细胞的基因组中，随细胞分裂而分裂。一、一、不对称转录不对称转录二、二、RNA转录的体系转录的体系三、三、RNA转录的过程转录的过程三、三、转录后加工转录后加工 RNA转录的特点转录的特点不对称转录不对称转录 在双链在双链DNADNA分子中，各结构基因的模板链位于同分子中，各结构基因的模板链
23、位于同一一DNADNA分子的不同单链上，而分子的不同单链上，而RNARNA链的合成方向始终链的合成方向始终是是5 5 3 3 方向，因此位于同一方向，因此位于同一DNADNA分子不同的结构分子不同的结构基因，其基因，其RNARNA转录方向不同。转录方向不同。一、不对称转录一、不对称转录1. 模板模板 DNA2. 底物底物 四种三磷酸核糖核苷（四种三磷酸核糖核苷（NTP）3. RNA聚合酶聚合酶 (1) 原核生物只有一种原核生物只有一种RNA聚合酶聚合酶 (2) 真核生物已发现有三种真核生物已发现有三种RNA聚合酶聚合酶 4. 其它酶和蛋白因子其它酶和蛋白因子二、二、RNA转录的体系转录的体系原
24、核生物的原核生物的RNA聚合酶聚合酶核心酶核心酶全酶全酶 36512 决定哪些基因被转录决定哪些基因被转录 150618 催化功能催化功能 155613 结合结合DNA模板模板 70263 辨认起始点辨认起始点亚亚 基基分分 子子 量量功功能能真核生物的真核生物的RNA聚合酶聚合酶 种类种类对鹅膏蕈对鹅膏蕈碱碱的反应的反应45S-rRNAhnRNA5S-rRNAtRNAsnRNA耐受耐受极敏感极敏感中度敏感中度敏感转录产物转录产物（一）转录起始（一）转录起始 RNA聚合酶聚合酶因子辨认并结合启动子，形成因子辨认并结合启动子，形成转录复合体，从而开始转录。转录几个核苷酸后，转录复合体，从而开始转
25、录。转录几个核苷酸后，因子脱离转录复合体，后者离开启动子，起始因子脱离转录复合体，后者离开启动子，起始阶段结束。阶段结束。三、三、 RNA转录的过程转录的过程 RNA链的延长反应由核心酶催化。核心酶沿模板链的延长反应由核心酶催化。核心酶沿模板DNA链以链以3 5 方向滑动，边解链边合成新方向滑动，边解链边合成新RNA链。链。DNA链在核心酶经过链在核心酶经过后，即恢复双螺旋结构，新生成的后，即恢复双螺旋结构，新生成的RNA单链伸出单链伸出DNA双链之外。双链之外。 （二）转录延长（二）转录延长RNA链的合成方向：从链的合成方向：从5 3 方向方向 当当RNA链延伸至转录终止位点时，转录泡瓦解，
26、链延伸至转录终止位点时，转录泡瓦解，DNA恢复成双链，恢复成双链，RNA聚合酶与聚合酶与RNA链都被从模板上链都被从模板上释放出来，这就是转录的终止。释放出来，这就是转录的终止。 原核生物的转录终止有两种类型：原核生物的转录终止有两种类型：不依赖于不依赖于因子的转录终止（强终止子）因子的转录终止（强终止子） 2. 2. 依赖于依赖于因子的转录终止因子的转录终止 （三）转录终止（三）转录终止1.非依赖非依赖因子的转录终止因子的转录终止 DNA模板上靠近终止处，有些特殊的碱基序列，可模板上靠近终止处，有些特殊的碱基序列，可 转录出具有茎环结构的转录出具有茎环结构的RNA，来终止转录。，来终止转录。
27、2.依赖依赖 (Rho)因子的转录终止因子的转录终止 因子以六聚体形式存在，协助因子以六聚体形式存在，协助RNA-pol识别终识别终止信号，与转录产物结合，止信号，与转录产物结合，RNA和和RNA-pol一起一起从模板上脱落。从模板上脱落。（一）（一） mRNA的转录后加工的转录后加工 1. 5 -端加帽端加帽 2. 3 -端加多聚腺苷酸尾端加多聚腺苷酸尾 3. mRNA的剪接的剪接四、转录后加工四、转录后加工mRNA的剪接的剪接(1) 断裂基因：真核生物结构基因，由若干个编断裂基因：真核生物结构基因，由若干个编码区和非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而成，称码区和非编码区互相间隔开但又连续镶嵌而
28、成，称为为断裂基因断裂基因。 编码区编码区 A、B、D、F 非编码区非编码区 C、EA B C D E F(2)外显子外显子(exon)：在断裂基因及其初级转录产物上在断裂基因及其初级转录产物上出现，并表达为成熟出现，并表达为成熟RNA的核酸序列。的核酸序列。(3)内含子内含子(intron)：隔断基因的线性表达而在剪接隔断基因的线性表达而在剪接过程中被除去的核酸序列。过程中被除去的核酸序列。 1. 剪切剪切 tRNA前体分子的前体分子的5 -端、端、3 -端及反密码环端及反密码环的部位的附加序列的部位的附加序列2. 3 -端加端加CCA-OH3. 碱基修饰碱基修饰 （二）（二） tRNA的转
29、录后加工的转录后加工 rRNA的转录和加工与核糖体的形成同时进行。的转录和加工与核糖体的形成同时进行。真核细胞在转录过程中首先生成的是真核细胞在转录过程中首先生成的是45S大分子大分子rRNA前体，然后通过核酸酶作用，断裂成前体，然后通过核酸酶作用，断裂成28S、5.8S及及18S等不同等不同rRNA。这些。这些rRNA与多种蛋白质结合形与多种蛋白质结合形成核糖体。成核糖体。rRNA成熟过程中也包括碱基的修饰，碱成熟过程中也包括碱基的修饰，碱基的修饰以甲基化为主。基的修饰以甲基化为主。（三）（三） rRNA的转录后加工的转录后加工 获得性免疫缺陷综合征，即艾滋病，能导致人免获得性免疫缺陷综合征，即艾滋病，能导致人免疫缺陷，并发一系列机会性感染及肿瘤，严重时导致疫缺陷，并发一系列机会性感染及肿瘤，严重时导致死亡。艾滋病主要通过血液、性接触和母婴传播，导死亡。艾滋病主要通过血液、性接触和母婴传播，导致该病的元凶是人类免疫缺陷病毒（致该病的元凶是人类免疫缺陷病毒（HIV）。）。 试问：试问：1.HIV的遗传物质载体是什么？的遗传物质载体是什么？HIV感染感染 活细胞后如何繁殖？活细胞后如何繁殖？ 2.我们应如何预防艾滋病？我们应如何预防艾滋病？ 3.如何正确的对待艾滋病患者？如何正确的对待艾滋病患者？ 案例分析案例分析
