1、,第三章 DNA的生物合成,第一节 DNA复制一. DNA复制的基本特点,（一）复制的起始点和方向,E. Coli 基因图,目 录,（二）复制的方式半保留复制,5-AGCCATGC-35-AGCCATGC-3 3-TCGGTACG-53-TCGGTACG-5 5-AGCCATGC-3 3-TCGGTACG-5,DNA复制的方式,亲代DNA分子,第一子代分子,第二子代分子,15N-DNA,14N-DNA,混合,123,DNA半保留复制及实验依据,按半保留复制方式，子代DNA与亲代DNA的碱基序列一致，即子代保留了亲代的全部遗传信息，体现了遗传的保守性。,半保留复制的意义,遗传的保守性，是物种稳定
2、性的分子基础，但不是绝对的。,2半不连续复制,二、原核生物染色体DNA的复制 (一) 参与DNA复制的酶与蛋白质 1DNA聚合酶 (DNA Dependent DNA Polymerase, DDDP),大肠杆菌的主要DNA聚合酶 DNA聚合酶 DNA Pol DNA Pol DNA Pol 5 3聚合酶 有 有 有 3 5外切酶 有 有 有 5 3外切酶 有 无 无 功能 校对功能 损伤修复 主要聚合酶 损伤修复 水解引物 填补缺口,3 5外切酶活性,5 3外切酶活性,?,能切除突变的 DNA片段。,能辨认错配的碱基对，并将其水解。,核酸外切酶活性,目 录,功能：对复制中的错误进行校读，对复
3、制和修复中出现的空隙进行填补。,DNA-pol （109kD）,323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 ,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 （120kD）,DNA-pol II基因发生突变，细菌依然能存活。 它参与DNA损伤的应急状态修复。,DNA聚合酶,二、原核生物染色体DNA的复制 (一) 参与DNA复制的酶与蛋白质 1DNA聚合酶 (DNA Dependent DNA Polymerase, DDDP),大肠杆菌的主要
4、DNA聚合酶 DNA聚合酶 DNA Pol DNA Pol DNA Pol 5 3聚合酶 有 有 有 3 5外切酶 有 有 有 5 3外切酶 有 无 无 功能 校对功能 损伤修复 主要聚合酶 损伤修复,1. 遵守严格的碱基配对规律；2. 聚合酶在复制延长时对碱基的选择功能；3. 复制出错时DNA-pol的及时校读功能。,DNA复制的保真性至少要依赖三种机制,1DNA聚合酶（DNA polymerase）,底物: 4种dNTP模板: 单链DNA引物: RNA片段,2引物酶（primase）,在原核生物,催化合成RNA引物(55100个核苷酸)的RNA聚合酶在真核生物，引发酶与DNA聚合酶形成一个
5、复合物，这个复合物合成大约10个核苷酸长的RNA引物,3解链酶(helicase) 在DNA复制中以单链DNA为模板，合成子代DNA。解链酶能解开双螺旋，其作用是在复制叉前解开一小段DNA。,4拓扑异构酶（topoisomerase）,在复制过程中，DNA的超螺旋结构必须解开，拓扑异构酶能松弛超螺旋。人类有两种拓扑异构酶，分别为I型和II型。,5单链DNA结合蛋白(single- strand DNA binding protein,SSB),6.DNA连接酶,DNA连接酶催化两个DNA片段通过3，5-磷酸二酯键连接在一起，形成更大的DNA片段。这一反应需要ATP供能。DNA 连接酶不但在DN
6、A复制中起作用，而且在DNA损伤的修复和重组DNA中不可缺少。,(二) 原核生物DNA的复制过程1复制的起始2DNA链的合成3复制的终止,1复制的起始,参与细菌复制起始的各种蛋白质及其功能 蛋白质名称 功能 DnaA 识别起始位点 DnaB 解链酶活性，解开DNA双链 DnaC 协助解链酶的活性 DnaG 引发酶活性，催化RNA引物合成 SSB 单链DNA结合蛋白，稳定解开的单链 Omega () 拓扑异构 gyrase(旋转酶） 拓扑异构,Dna A,Dna B、 Dna C,DNA拓扑异构酶,引物酶,SSB,3,5,3,5,2. 引发体和引物,含有解螺旋酶、DnaC蛋白、引物酶和DNA复制
7、起始区域的复合结构称为引发体。,3,5,3,5,引物是由引物酶催化合成的短链RNA分子。,引物,引物酶,（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。,OH 3,3,目 录,领头链的合成,目 录,随从链的合成,目 录,目 录,复制过程简图,目 录,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,随从链上不连续性片段的连接,目 录,表12-3 真核细胞几种主要DNA聚合酶的性质,DNA聚合酶 蛋白质分子量(K) 250 3638 160300 170 2
8、56 细胞定位 核 核 线粒体 核 核5 3聚合活性 中 高 高 高 3 5外切酶活性 无 无 有 有 有 功能 引物酶活性 低保真复制 线立体DNA复制 主要聚合酶 填补引物空隙 切除修复,端粒DNA的合成,端粒(telomeres)是染色体末端的结构，它是由许多富含鸟嘌呤核苷酸的特殊的重复顺序DNA及相关蛋白质组成的复合体。端粒酶（telomerase）是催化端粒合成的酶。端粒酶是由蛋白质及RNA组成的，它具有逆转录酶的活性，能与自身携带的RNA为模板，逆转录合成端粒DNA,端粒DNA：人的DNA 的3末端存在的重复顺序（TTAGGG）n 端粒酶：催化端粒DNA的复制，酶本身含有与端粒DN
9、A序列 互补的RNA片段。,逆转录过程,某些病毒是以RNA为基因组，如RNA肿瘤病毒及AIDS病毒。它们分别造成人类肿瘤和免疫缺陷。逆转录酶（reverse transcriptase）可催化以RNA为模板合成DNA的反应。因此它又被称为RNA指导的DNA聚合酶（RNA-directed DNA polymerase, RDDP）。,逆转录酶具有双重功能。它既可利用病毒RNA作模板，合成一条与模板互补的DNA单链，二者形成RNA-DNA杂交分子。逆转录酶同时又具有核糖核酸酶H的活性，专一地水解RNA-DNA杂交分子中的RNA。留下来的单链DNA作模板，在DNA指导的DNA聚合酶的作用下，合成另
10、一条互补DNA链，形成双链DNA分子,逆转录过程,After the RNA retrovirus enters a host cell, its genomic RNA will be transcribed into a double stranded DNA and then integrated into the host DNA. The RNA to DNA transcription is called reverse transcription. Figure 4-J-1. Mechanism of reverse transcription. The entire proce
11、ss is catalyzed by reverse transcriptase which has both DNA polymerase and RNase H activities.,A retrovirus-specific cellular tRNA hybridizes with a complementary region called the primer-binding site (PBS).,A DNA segment is extended from tRNA based on the sequence of the retroviral genomic RNA.,The
12、 viral R and U5 sequences are removed by RNase H.,First jump: DNA hybridizes with the remaining R sequence at the 3 end.,A DNA strand is extended from the 3 end,Most viral RNA is removed by RNase H.,A second DNA strand is extended from the viral RNA,Both tRNA and the remaining viral RNA are removed
13、by RNase H.,Second jump: The PBS region of the second strand hybridizes with the PBS region of the first strand.,Extension on both DNA strands. LTR stands for long terminal repeat,真核生物DNA复制具有不同的特点真核生物DNA复制具有与原核生物DNA复制不同的特点（一）真核生物DNA复制时需要解开和重新组装核小体结构组蛋白的合成与DNA的复制相适应。（二）真核生物染色体DNA的复制从多个位点起始（三）真核生物染色体D
14、NA需要特殊机制复制端粒（四）真核生物染色体DNA全部复制完以前不会启动新一轮复制 细胞周期蛋白D的水平在G1 后期升高，激活S期的CDK2，复制许可因子是CDK2的底物。复制许可因子一般不能通过核膜进入核内，但是在有丝分裂的末期、核膜重组之前进入细胞核，与DNA的复制起点结合。当细胞再次进入S期时，复制许可因子可被CDK2激活，启动复制。一旦复制启动，复制许可因子失去活性或被降解。在细胞周期的其它时间内，新的复制许可因子不能进入核内，保证基因组的复制在一个细胞周期内只能进行一次。（五）线粒体DNA以D环模式进行复制,不同基因组DNA复制的过程具有共同机制1、基因组DNA都具有固定的复制起始点
15、2、复制过程中形成复制泡和复制叉3、复制的基本单位称为复制子4、半保留复制方式保证遗传信息的忠实传递5、半不连续复制方式克服了DNA空间结构对 DNA新链合成的制约,不同基因组DNA复制具有不同的特点1、真核生物基因组DNA复制过程中涉及到逆转录2、基因组单链DNA通过复制中间体完成复制3、有的基因组DNA需要通过RNA中间体进行复制4、双连环状DNA也有不同的复制方式复制 绝大多数戈兰阴性菌的质粒滚环复制 某些病毒、噬菌体的环状DNAD环复制 线粒体DNA,第五章 DNA的损伤与修复,第一节 多种因素可引起DNA的损伤,一、紫外线引起DNA损伤 胸腺嘧啶二聚体 5万/细胞/小时 DNA之间的
16、交联 DNA与蛋白质的交联 DNA连的断裂,二、电离辐射引起DNA损伤,1碱基的变化碱基氧化修饰过氧化物的形成碱基环的破坏碱基的脱落,二、电离辐射引起DNA损伤2脱氧核糖的变化 脱氧核糖的分解 DNA 链的断裂 单链断裂 双链断裂,二、电离辐射引起DNA损伤3 DNA链交联 DNA- DNA交联 DNA- 蛋白质交联,三、烷化剂引起DNA损伤 亲电子化合物 分子中含有一个或多个活性烷基 碱基或磷酸基被烷基化，尤其是鸟嘌呤1碱基烷基化2碱基脱落3 DNA断链4 DNA链交联,（四）碱基类似物、修饰剂引起碱基对的改变5-溴尿嘧啶，5-氟尿嘧啶，2-氨基腺嘌呤亚硝酸盐（五）其他一些因素也可引起DNA
17、损伤 吖啶类化合物,(六）DNA也会产生自发性损伤1 DNA复制时产生碱基错配 碱基错配发生率DNA复制时 10-1 10-23/ 5/外切酶活性 10-5 10-6校对作用后 10-9,2 DNA修复时产生碱基错配3碱基自发改变导致DNA损伤 互变异构导致DNA突变G或T以稀醇式出现 发生 G与T 配对 A或C以亚氨式出现 发生A与C配对 脱氨基作用导致DNA突变 C U A I G X 碱基丢失导致DNA突变,DNA损伤的表现形式链内共价交联链间共价交联DNA链断裂碱基突变插入或缺失DNA重排,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
18、是某些疾病的发病基础,第二节DNA损伤修复是遗传保守性的重要保障,一、某些DNA损伤可以直接修复DNA断裂口可以直接修复二聚体可以直接修复烷基化碱基可以直接修复,二、切除修复是常见的修复方式,人类切除修复DNA大约需要16种蛋白因子参加。 切除修复可分以下几个步骤：1）通过特异的核酸内切酶识别损伤部位。2）由酶的复合物在损伤的两边切除几个核苷酸。3）以另一条完整的DNA 链为模板，在DNA聚合酶或其他的DNA聚合酶作用下，按53方向进行修复合成。4）DNA连接酶将所合成的DNA链与原来的链接上。,A. DNA一条链损伤 B、C:核酸内切酶识别损伤部位并在损伤部位的两端切 除一段DNA D: D
19、NA聚合酶以另一条完好的DNA链为模板合成一段 新的DNA E: 缺口处由DNA连接酶封闭。,A. DNA一条链损伤（如含有嘧啶二聚体）BDNA复制后，其中一个子代是正常的，而另一个子代的一条链出 现空隙。C以正常子代中原来自母链的一段DNA序列通过重组，将缺损部分 修复。D. 最后，再以子代中完整的链为模板，修补缺失的互补序列,三、重组修复是DNA损伤较多时的修复方式,四、 SOS修复是DNA损伤严重时的修复方式,由于DNA损伤广泛以至于难以进行复制，由此诱发一系列复杂的反应。SOS应答是大量基因的协同诱导 recAlexA,A DNA未损伤时，LexA极大的抑制RecA,UvrA,UvrB,UvrC及LexA自身和其它参与SOS应答蛋白质的合成。B。当DNA受到严重损伤时，RecA被激活，结合到单链DNA上，并导致LexA的自身的降解。使SOS应答蛋白质合成，由此DNA损伤得到修复。,
