1、第三讲第三讲 DNA与与RNA的生物合成的生物合成第1页，共65页。DNA是贮藏遗传信息的最重要的生物大分子。DNA分子中的核苷酸排列顺序不但决定了胞内所有RNA及蛋白质的基本结构，还通过蛋白质（酶）的功能间接控制了细胞内全部有效成份的生产、运转和功能发挥。贮藏在任何基因中的生物信息都必须首先被转录生成RNA，才能够得到表达。DNA和RNA虽然很相似，只有T或U及核糖的第二位碳原子上有所不同，但它们的生物学活性却很不同。RNA主要以单链形式存在于生物体内，其高级结构很复杂；RNA既担负着贮藏及转移遗传信息的功能，又能作为核酶直接在细胞内发挥代谢功能。蛋白质是生物信息通路上的终产物，一个活细胞在
2、任何发育阶段都需要数千种不同的蛋白质。因此，活细胞内时刻进行着各种蛋白质的合成、修饰、运转和降解反应。第2页，共65页。DNA代谢 无论是只含有一对染色体的原核细胞还是带有多对染色体的真核细胞，只有整个基因组得到了完整准确的复制，细胞分裂才能顺利发生。所以说，DNA复制的起始，标志了细胞进入一个新的周期。第3页，共65页。、DNA复制复制 根据反应阶段和所需的不同酶类，DNA的复制可被分为三个阶段，即复制起始、延伸和终止。每个DNA复制的独立单元被称为复制子（replicon），主要包括复制起始位点（Origine of replication）和终止位点（terminus）。原核生物的整个染
3、色体上一般只有一个复制起始位点。大肠杆菌DNA的复制需要有20种左右的酶和蛋白质因子参与，整个DNA复制机器被称之为DNA replicase system或replisome。原核DNA复制动画 注:（需软件支持）第4页，共65页。Helicase，任何DNA在被复制前都必须解开双链，这个过程是由helicase来完成的，它可在ATP的作用下将DNA母链不断解开形成单链。Topoisomerase，主要功能是消除DNA解链过程中所产生的扭曲力。DNA结合蛋白，使新解链的DNA保持稳定结构。Primases，为DNA复制提供RNA引物。DNA polymerases，合成新生DNA链，切除RN
4、A引物。DNA Ligases，使新生DNA链上的缺口（3-OH,5-p）生成磷酸二酯键。DNA replicase system第5页，共65页。第6页，共65页。1.DNA复制的起始 大肠杆菌中的复制起始位点是Ori C，全长245Bp，该序列在所有细菌复制起始位点中都是保守的。第7页，共65页。(续表）第8页，共65页。第9页，共65页。第10页，共65页。第11页，共65页。DNA复制起始中的主要步骤a.大约20个左右的DnaA蛋白首先与OriC中的4个9碱基重复区相结合；b.识别并使3个13碱基串联重复区DNA形成开环结构；c.DnaB蛋白在DnaC的帮助下与未解链序列结合。每六个D
5、naB蛋白形成一组并与一条DNA母链结合，可在不同方向同时起始DNA的复制。当细胞中存在足够的SSB和DNA gyrase时，DnaB的解链效率非常高。整个DNA复制过程中，只有复制起始受细胞周期的严格调控。Once in each cell cycle。第12页，共65页。DNA甲基化与DNA复制起始密切相关。OriC中有11个GATC回文结构（一般说来，256bp才应有一个GATC重复）。DNA子链被合成后，母链立即被甲基化（称为hemimethylated）。此时，oriC与细胞原生质膜相结合。只有当oriC被从膜上释放出来，子链被Dam甲基化后，才能有效地与DnaA蛋白结合，起始新一轮
6、的DNA复制。复制起始可能还受ATP水解过程调控，因为DnaA只有与ATP相结合时才能与oriC区DNA相结合。第13页，共65页。第14页，共65页。2.DNA子链的延伸 主要包括两个不同但相互有联系的事件，即前导链和滞后链的合成。由DNA helicase解开双螺旋，由拓朴异构酶消除DNA链上的扭曲力，SSB结合使DNA单链稳定。前导链的合成：由DnaG（primase）在复制起始位点附近合成一个10-60 nt的RNA引物，然后由polII把dNTP加到该引物上。滞后链的合成：产生Okazaki fragments，消除RNA引物并由DNA pol I补上这一小段DNA序列，由DNA L
7、igase把两个片段相连。第15页，共65页。3.DNA链的终止 当子链延伸达到terminus region（ter，带有多个20bp序列）时，DNA复制就终止了。Ter有点像一个陷井（trap），使复制叉只能进入，不能出来。Ter的功能主要是由Ter-Tus复合物（ter utilization substance）来完成的。第16页，共65页。第17页，共65页。第18页，共65页。4.真核细胞DNA的复制比大肠杆菌更复杂 真核生物的origin of replication被称为ARS-autonomously replicating sequences或者被称为replicators
8、。Yeast replicators长约150dp，有多个保守重复区，共有约500个replicators分布于酵母的17条染色体中。第19页，共65页。第20页，共65页。、DNA的损伤修复的损伤修复 1 错配修复（mismatch Repair）错配修复对DNA复制忠实性的贡献力达102-103，DNA子链中的错配几乎完全都被修正，充分反映了母链的重要性。第21页，共65页。第22页，共65页。第23页，共65页。2.碱基切除修复（Base-Excision Repair）DNA gylcosylases能特异性识别常见的DNA损伤（如胞嘧啶或腺嘌呤去氨酰化产物）并将受损害碱基切除。去掉碱
9、基后的核苷酸被称为AP位点（apurinic or apyrimidinic）。细胞中最常见的Uracil Glycosylase就能特异性切除细胞中的去氨基胞嘧啶。第24页，共65页。3.核苷酸切除修复（nucleotide-excision repair）当DNA链上相应位置的核苷酸发生损伤，导致双链之间无法形成氢键，由核苷酸切除修复系统负责进行修复。第25页，共65页。第26页，共65页。4.DNA的直接修复（Direct repair）第27页，共65页。第28页，共65页。第29页，共65页。、DNA的转座的转座 DNA的转座，或称移位（transposition），是由可移位因子（
10、transposable element）介导的遗传物质重排现象。已经发现转座这一命名并不十分准确，因为在转座过程中，可移位因子的一个拷贝常常留在原来位置上，在新位点上出现的仅仅是拷贝。因此，转座有别于同源重组，它依赖于DNA的复制。第30页，共65页。a.简单转座子 转座子（transposon，Tn）是存在于染色体DNA上可自主复制和移位的基本单位。最简单的转座子不含有任何宿主基因而常被称为插入序列（insertion sequence，IS），它们是细菌染色体或质粒DNA的正常组成部分。一个细菌细胞常带有少于10个IS序列。转座子常常被定位到特定的基因中，造成该基因突变。IS序列都是可以
11、独立存在的单元，带有介导自身移动的蛋白。第31页，共65页。第32页，共65页。第33页，共65页。b.复合式转座子（composite transposon）是一类带有某些抗药性基因（或其他宿主基因）的转座子，其两翼往往是两个相同或高度同源的IS序列，表明IS序列插入到某个功能基因两端时就可能产生复合转座子。一旦形成复合转座子，IS序列就不能再单独移动，因为它们的功能被修饰了，只能作为复合体移动。第34页，共65页。第35页，共65页。第36页，共65页。2、转座作用的机制 转座时发生的插入作用有一个普遍的特征，那就是受体分子中有一段很短的（3-12bp）、被称为靶序列的DNA会被复制，使插
12、入的转座子位于两个重复的靶序列之间。不同转座子的靶序列长度不同，但对于一个特定的转座子来说，它所复制的靶序列长度都是一样的，如IS1两翼总有9个碱基对的靶序列，而Tn3两端总有5bp的靶序列。转座可被分为复制性和非复制性两大类。在复制性转座中，所移动和转位的是原转座子的拷贝。转座酶（transposase）和解离酶（resolvase）分别作用于原始转座子和复制转座子。TnA类转座主要是这种形式。在非复制性转座中，原始转座子作为一个可移动的实体直接被移位，IS序列、Mu及Tn5等都以这种方式进行转座。第37页，共65页。第38页，共65页。3.转座作用的遗传学效应 转座引起插入突变;转座产生新
13、的基因;转座产生的染色体畸变;转座引起的生物进化.第39页，共65页。RNA代谢代谢 除了某些RNA病毒之外，所有RNA分子都来自于DNA。基因组DNA通过一个被称为转录的过程把贮存在双链DNA分子中的遗传信息转换到与模板DNA链相互补的RNA单链上。mRNA，编码了一个或多个蛋白质序列；tRNA，把mRNA上的遗传信息变为多肽中的 氨基酸信息；rRNA，是合成蛋白质的工厂核糖体中的主要成份。原核DNA转录注：(需要软件支持)转录第40页，共65页。1 依赖于DNA的RNA合成 从DNA合成反应的化学本质、极性和模板的使用这三方面来说，转录与复制是相同的。但是，也存在三个主要不同点：A 转录中
14、不需要RNA引物；B转录反应一般只用一小段DNA做模板；C在转录区，一般都只有一条DNA链可以作为模板。第41页，共65页。第42页，共65页。第43页，共65页。第44页，共65页。第45页，共65页。2.RNA合成的终止 一旦RNA聚合酶启动了基因转录，它就会沿着模板53方向不停地移动，合成RNA链，直到遇到终止信号时才释放新生的RNA链，并与模板DNA脱离。研究RNA链终止时遇到最常见的问题是3端核苷酸的定位，因为活细胞内部根据终止信号正确终止的RNA与一个经过剪接的RNA在3端没有两样，都是-OH基团。模板DNA上都有终止转录的特殊信号-终止子，每个基因或操纵子都有一个启动子，一个终止
15、子。在新生RNA中出现发卡式结构会导致RNA聚合酶的暂停，破坏RNA-DNA杂合链5端的正常结构。寡聚U的存在使杂合链的3端部分出现不稳定的rUdA区域。第46页，共65页。第47页，共65页。a.依赖于因子的终止 因子是一个相对分子质量为2.0105的六聚体蛋白，它能水解各种核苷三磷酸，实际上是一种NTP酶。由于催化了NTP的水解，因子能促使新生的RNA链从三元转录复合物中解离出来，从而终止转录。有人认为，在RNA合成起始以后，因子即附着在新生的RNA链上，靠ATP水解产生的能量，沿着53方向朝RNA聚合酶移动，到达RNA的3-OH端后取代了暂停在终止位点上的RNA聚合酶，并从模板和酶上释放
16、RNA，完成转录过程。终止过程需要消耗能量，所以，因子具有终止转录和核苷三磷酸酶两种功能。第48页，共65页。第49页，共65页。b、不依赖于 因子的终止 若终止点上游存在一个富含GC碱基的二重对称区，由这段DNA转录产生的RNA容易形成发卡式结构；在终止点前面有一段由4-8个A组成的序列，导致转录产物的3端为寡聚U。这两种结构特征的存在同样决定了转录的终止。在新生RNA中出现发卡式结构会导致RNA聚合酶的暂停，破坏RNA-DNA杂合链5端的正常结构。寡聚U的存在使杂合链的3端部分出现不稳定的rUdA区域。第50页，共65页。3.RNA聚合酶II及转录因子在启动子上的装配第51页，共65页。T
17、FH还参与DNA的损伤修复。当RNA pol转录过程中碰到受损伤的核苷酸时，TFH能及时启动核苷酸切除修复系统，将损伤修复。第52页，共65页。Actinomycin D和Acridine阻断RNA链的延伸第53页，共65页。3.RNA的加工成熟 第54页，共65页。所以，RNA加工成熟主要包括：5加帽子结构；3加多聚A；切除内含子。第55页，共65页。在Group I内含子切除体系中，鸟苷或鸟苷酸的3-OH 作为亲核基团向Intron 5的磷酸二酯键发起进攻。第56页，共65页。第57页，共65页。Group II内含子切除体系第58页，共65页。核内mRNA原始转录产物的剪辑方式可能是最常见的。在这一模式中，RNA的剪辑需要特异性RNA-protein-复合物small nuclear rebonucleoproteins（snRNP）和small nuclear RNAs（snRNAs）。已经发现至少有5种snRNAs-U1，U2，U4，U5，U6。第59页，共65页。第60页，共65页。第61页，共65页。第62页，共65页。第63页，共65页。第64页，共65页。第65页，共65页。
