复制转录翻译

null 第三篇 基因信息的传递 第三篇 基因信息的传递DNA的生物合成(复制) RNA的生物合成(转录) 蛋白质的生物合成(翻译) 基因表达调控 基因重组与基因工程中心法则中心法则nullDNA的生物合成 (复制) DNA Biosynthesis，Replication 本章内容本章内容第一节 DNA复制的基本规律 第二节 DNA复制的酶学 第三节 DNA生物合成过程 第四节 逆转录 第五节 DNA损伤与修复第一节 复制的基本规律第一节 复制的基本规律null复制(replication) 是指遗传物质的传代，以母链DNA为模板合成子链DNA的过程。null复制的化学反应 (dNMP)n + dNTP → (dNMP)n+1 + PPi null一、半保留复制 (semiconservative replication) 二、双向复制 (bidirectional replication) 三、半不连续复制 (semi-discontinuous replication)一 半保留复制(semiconservative replication)一 半保留复制(semiconservative replication)（一）概念：DNA生物合成时，母链DNA解开为两股单链，各自作为模板，按碱基配对规律，合成与模板互补的子链。子代细胞的DNA，一股单链从亲代完整接受过来，另一股单链则完全重新合成，两个子细胞的DNA都和亲代DNA碱基序列一致，这种复制方式为半保留复制。null(二) 实验依据： 密度梯度实验 （Meselson and Stahl） null密度梯度实验 ——实验结果支持半保留复制的设想含重氮-DNA的细菌 第一代 第二代梯度离心结果重DNA普通 DNAnull（三）生物学意义： 1.保证遗传信息传递的忠实性 2.遗传和变异的统一二 双向复制(bidirectional replication)二 双向复制(bidirectional replication)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。 nullA. 环状双链DNA及复制起始点 B. 复制中的两个复制叉 C. 复制接近终止点(termination, ter)原核生物DNA双向复制null真核生物DNA多复制子复制三、半不连续复制 (semi-discontinuous replication)三、半不连续复制 (semi-discontinuous replication)顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的，这股链称为领头链。 复制方向与解链方向相反，不能顺着解链方向连续延长，这股不连续复制的链称为随从链。复制中的不连续片段称为岡崎片段(okazaki fragment)。 null领头链 (leading strand)随从链 (lagging strand)岡崎片段 (okazaki fragment)null领头链 (leading strand)随从链 (lagging strand) 领头链连续复制而随从链不连续复制 ——复制的半不连续性null DNA复制的酶学 The Enzymology of DNA Replication第二节null参与DNA复制的物质 模板(template) : 解开成单链的DNA母链 底物(substrate): dNTP (dATP, dGTP, dCTP, dTTP) 引物(primer): 提供3-OH末端使dNTP可以依次聚合 聚合酶(polymerase): 依赖DNA的DNA聚合酶，简写 为 DNA-pol 其他的酶和蛋白质因子null复制的化学反应 (dNMP)n + dNTP → (dNMP)n+1 + PPi nullnull一、解螺旋酶(helicase) ——利用ATP供能，作用于氢键，使DNA双链解开成为两条单链 二、单链DNA结合蛋白(single stranded DNA binding protein, SSB) ——复制中维持模板处于单链状态并保护单链完整 null三、DNA拓扑异构酶 (DNA topoisomerase) null解链过程中正超螺旋的形成null拓扑异构酶作用特点 既能水解 、又能连接磷酸二酯键 拓扑异构酶Ⅰ 拓扑异构酶Ⅱ分 类null拓扑异构酶Ⅰ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Ⅱ切断DNA分子两股链，断端通过切口旋转使超螺旋松弛，不需要ATP。 利用ATP供能， DNA分子进入负超螺旋状态，连接断端。作用机制 null四、引物酶(primase)： 由Ecoli dnaG编码 特殊的RNA 聚合酶 复制起始时催化生成RNA引物的酶 null五、DNA聚合酶五、DNA聚合酶全称：依赖DNA的DNA聚合酶 (DNA-dependent DNA polymerase) 简称：DNA-pol活性：1. 53 的聚合活性：以DNA为模板合成DNA 2. 核酸外切酶活性： 53 35 null 3  5外切酶活性 5  3外切酶活性切除引物和突变的 DNA片段。能辨认错配的碱基对，并将其水解。 核酸外切酶活性 null（一）原核生物的DNA聚合酶DNA-pol Ⅰ DNA-pol Ⅱ DNA-pol Ⅲnull功能： 53聚合酶活性、 53 和35外切酶活性 复制中的错误校读，复制和修复中的空隙填补。DNA-pol Ⅰ （109kD）null323个氨基酸小片段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DNA-pol ⅠKlenow片段是合成DNA，进行分子生物学研究中常用的工具酶。 null5核酸外切酶活性即时校读null53聚合酶活性即时校读nullDNA polⅠ: 5‘→3’聚合活性和5‘→3’外切酶活性 缺刻平移 (nick translation)nullDNA-pol Ⅱ （120kD） DNA-pol II基因发生突变，细菌依然能存活。 它可能参与DNA损伤的应急状态修复。 null功能： 原核生物复制延长中真正起催化作用的酶 DNA-pol Ⅲ (250kD)nullαεθ为核心酶： α：5′→3′聚合活性 ε：3′→5′外切酶活性 θ：维系αε二聚体作用β：夹稳模板链并使酶沿模板滑动 γ复合物：促进全酶组装到模板上，增强核心酶的活性null原核生物的DNA聚合酶null（二）真核生物的DNA聚合酶DNA-pol 起始引发，有引物酶 活性。复制的主要酶，兼有解螺旋酶活性。参与低保真度的复制 。在复制过程中起校读、修复和填补空隙的作用（DNA-polⅠ)。在线粒体DNA复制中起催化作用。DNA-pol DNA-pol DNA-pol DNA-pol null真核生物的DNA聚合酶nullHO5’3’3’5’DNA连接酶ATPADP5’3’5’3’目 录六、DNA连接酶null1.断端的3-OH末端， 5- P末端 2.连接的是双链中的单链缺口 3.需要ATP DNA连接酶作用条件：null⑴复制中起最后接合缺口作用。 ⑵DNA修复、重组及剪接中起缝合缺口作用。 ⑶基因工程的重要工具酶之一。 DNA连接酶功能nullDNA生物合成过程 The Process of DNA Replication第二节一、原核生物的DNA生物合成 一、原核生物的DNA生物合成 null（一）复制的起始：需要解决两个问题：1. DNA解开成单链，提供模板。2. 合成引物，提供3-OH末端。θ复制nullE.coli复制起始点 oriC1.DNA解链:有固定的复制起点OriC反向重复序列反向重复序列null复制叉----DNA双链解开分成两股，各自作为模板进行复制，形成在显微镜下可看到的叉状结构。复制叉的形成 Dna B、 Dna CDna A3535null3535引物是由引物酶催化合成的短链RNA分子。 引物引物酶 Dna B、 Dna CDNA拓扑异构酶SSB含有解螺旋酶(Dna B) 、DnaC、引物酶和DNA复制起始区域的复合结构称为引发体。 2.引发体和引物3. 起始的过程3. 起始的过程辨认并结合起始位点打开双螺旋防止复螺旋单链结合蛋白解链酶引物引物酶DnaA合成null（二）复制的延长复制的延长指在DNA-pol催化下，dNTP以dNMP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。 nullOH 3'3'null1. 领头链的合成领头链：顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的，这股链称为领头链。null2. 随从链的合成随从链：复制方向与解链方向相反，为不连续复制，这股不连续复制的链称为随从链。 复制中位于随从链上的不连续片段称为岡崎片段(okazaki fragment)。nullnull复 制 过 程 动 画null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。（三）复制的终止null 随从链上不连续性片段的连接null• 细胞能否分裂，决定于进入S期及M期这两个关键点。哺乳动物的细胞周期DNA合成期G1G2SM二、真核生物的DNA生物合成 null•多复制子 复制子(replicon)：相邻两个复制起点之间的距离。复制子是独立完成复制的功能单位。复制有时序性，即复制子以分组方式激活而不是同步起动。 （一）复制的起始nullnull参与者： DNA-pol α (引物酶活性) pol δ (聚合酶、解螺旋酶活性) 拓扑酶 复制因子 (replication factor, RF) 增殖细胞核抗原 (proliferation cell nuclear antigen, PCNA) (相当于原核生物DNA-pol Ⅲ β亚基，在复制起始和延长中起关键作用)null3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DNA-polδ DNA-polαnull染色体DNA呈线状，复制在末端停止。 染色体两端DNA子链上最后复制的RNA引物，去除后留下空隙。（三）复制的终止null53355335+5333355null生命的时钟nullnull端粒酶的催化延长作用爬行模型null端粒酶(telomerase) 端粒酶RNA (human telomerase RNA, hTR) 模板 端粒酶协同蛋白(human telomerase associated protein 1, hTP1) 端粒酶逆转录酶(human telomerase reverse transcriptase, hTRT)null端粒酶的催化延长作用爬行模型nullDNA聚合酶复制子链进一步加工目 录null1.亲代DNA为模板，严格遵守碱基配对规律； 2.复制延长时聚合酶对碱基的选择功能； 3. 复制出错时DNA-pol的即时校读功能； 4.错配修复机制DNA复制具有保真性 至少要依赖三种机制： null逆转录和其他复制方式 Reverse Transcription and Other DNA Replication Ways第四节一、概念一、概念 逆转录指遗传信息从RNA流向DNA，是RNA指导下的DNA合成过程，即以RNA为模板，四种dNTP为原料，合成与RNA互补的DNA单链。二、逆转录酶(reverse transcriptase) 二、逆转录酶(reverse transcriptase) 催化逆转录过程的酶称逆转录酶，RNA 病毒中都含有此酶。 具有三种酶活性： RNA指导的DNA聚合酶 RNA酶 DNA指导的DNA聚合酶null三、逆转录过程null DNA聚合酶Ⅰ碱水解 T T T T获取基因工程目的基因的重要方法之一，此法称为cDNA法。 以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cDNAcDNA complementary DNAcDNAnull四、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的重大发现。 至少在某些生物，RNA同样兼有遗传信息传代与表达功能。 逆转录病毒的研究，拓宽了病毒致癌理论。 null二、滚环复制和D环复制 原核生物： θ复制 滚环复制（单链DNA病毒） 真核生物：多个复制起点 D环复制（线粒体）null滚环复制null D环复制(D-loop replication) 线粒体DNA (mitochondrial DNA，mtDNA)的复制形式。 nullDNA损伤（突变）与修复 DNA Damage (Mutation) and Repair第五节null遗传物质的结构改变而引起的遗传信息改变，均可称为突变。在复制过程中发生的DNA突变称为DNA损伤(DNA damage)。从分子水平来看，突变就是DNA分子上碱基的改变。 null一、突变的意义（一）突变是进化、分化的分子基础 （二）突变导致基因型改变 （三）突变导致死亡 （四）突变是某些疾病的发病基础 null二、引发突变的因素物理因素 紫外线(ultra violet, UV)、各种辐射null化学因素null三、突变的分子改变类型错配 (mismatch) 缺失 (deletion) 插入 (insertion) 重排 (rearrangement)nullDNA分子上的碱基错配称点突变(point mutation)。（一）错配null镰形红细胞贫血病人Hb (HbS) β亚基正常成人Hb (HbA)β亚基null（二）缺失、插入和框移缺失：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。框移突变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。 缺失或插入都可导致框移突变 。null缺失引起框移突变null（三）重排DNA分子内较大片段的交换，称为重组或重排。 null由基因重排引起的两种地中海贫血基因型目 录null四、DNA损伤的修复修复(repairing) 是对已发生分子改变的补偿，使其回复为原有的天然状态。光修复(light repairing) 切除修复(excision repairing) 重组修复(recombination repairing) SOS修复 修复的主要类型null（一）光修复光修复酶(photolyase) UVnull （二）切除修复是细胞内最重要和有效的修复机制，主要由DNA-polⅠ和连接酶完成。E.coli的切除修复机制目 录null切 除 修 复 动 画null（三）重组修复null（四）SOS修复当DNA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。 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。 这种修复特异性低，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保留的错误较多，导致较广泛、长期的突变。null附 录nullE. Coli中的DNA聚合酶