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1、基因信息的传递（1）,高 颖 大连医科大学生化教研室 ,转录 翻译 复制 DNA RNA 蛋白质 逆转录,* 中心法则(the central dogma),转录 翻译 复制 DNA RNA 蛋白质 逆转录,转录 翻译 复制 DNA RNA 蛋白质 逆转录,转录 翻译 复制 DNA RNA 蛋白质 逆转录,转录 翻译 复制 DNA RNA 蛋白质 逆转录,DNA的生物合成 (复制) DNA Biosynthesis (Replication),原核生物DNA的复制 真核生物DNA的复制 病毒物DNA的复制,DNA的复制的基本过程和共同特点,DNA复制是酶促化学反应 DNA复制的基本过程 DNA
2、复制过程的共同特点 DNA复制的保真性,一、DNA复制需要的酶及其化学反应特点,复制需要的材料 亲代DNA模板 4种脱氧核糖核苷三磷酸（dNTP) 多种酶和蛋白因子 复制的化学反应 （dNMP)n+ dNTP (dNMP)n-1 + PPi,二、DNA复制的基本过程,DNA 复制的起始 复制起点( origin of reolication) 一个或多个富含AT的短重复序列 复制叉（replication fork) 复制起点解链后形成的叉状结构,DNA链的延伸过程,复制起始位点识别 DNA双链解链 RNA引物合成,复制的终止,RNA引物去除 冈崎片段连接 在特殊的终止结构区域停止,三、DNA
3、复制过程的共同特点,半保留复制方式保证了遗传信息的忠实传递 基因组DNA都有固定的复制起始点 复制子是基本复制单位 双向复制形成复制泡和复制叉 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,DNA复制相关概念,双向复制（bidirectional replication) DNA复制分别向相反的方向进行 引发体（primosome) 由多种酶和蛋白质分子组成=引发体+引物酶 前导链（leading strand) 能连续合成的链,随后链（lagging strand) 分段合成的链（不连续合成） 半不连续复制 一条链（前导链）连续合成，另一条链 （随后链）不连续合成 冈崎片段（
4、Okazaki fragment) 随后链的合成方向与复制叉移动方向相反， 先合成许多不连续片段，称冈崎片段。,四、DNA复制的保真性,DNA聚合酶对碱基配对的选择作用，保证 严格的碱基配对规律 DNA聚合酶对模板的识别作用 DNA聚合酶3 5外切活性的校正作用， 复制出错时有即时的纠错功能。,原核生物DNA的复制,原核生物DNA复制过程的主要特点 只有一个复制起点 从起点向两个相反方向复制 复制速度快，大约每秒延伸500bp RNA引物和冈崎片段均较长 可以连续发动复制,大肠杆菌 DNA 聚合酶,DNA pol I 切除 RNA 引物，并填补RNA 引物被切除后所出现的空隙。,3 5 外切酶
5、活性,5 3 聚合酶活性,5 3 外切酶活性,DNA-pol I 大片段,C,N,DNA-pol I 小片段,蛋白酶,大肠杆菌 DNA-pol I 大片段 (Large fragment) 又称 Klenow 片段，只有 5 3 聚合酶活性和 3 5 外切酶活性。,DNA pol III 合成子链 DNA 并对合成过程中所掺入的错误碱基进行校对 (proofreading) 。 、 和 亚基构成核心酶： 亚基催化磷酸二酯键的形成； 亚基具有 3 5 核酸外切酶活性，起较正作用； 亚基起装配作用。,两个 亚基组成滑动夹子，围绕 DNA 双螺旋形成一个环，便于聚合酶沿着 DNA 模板滑动。,原核生
6、物基因组DNA复制的基本过程,复制起点 复制起点控制复制起始 只有一个复制起点 复制方向 多数双向 复制方式 型,参与大肠杆菌DNA复制起始的 主要蛋白质分子,Dna A蛋白：识别复制起始位点 Dna B蛋白（解螺旋酶）：解开DNA双链 Dna C蛋白：协助解旋酶 单链DNA结合蛋白(SSB)：稳定解开的单链 DNA分子 DnaG蛋白（引物酶）：催化RNA引物生成,原核生物 DNA 的复制过程,(一) 复制的起始 Dna A蛋白识别、结合复制起点。 解螺旋酶将双链DNA解链成两条单链DNA，SSB与单链DNA结合，防止双链DNA的重新形成。,(二) 引物的形成及子链DNA的合成 引发酶合成短的
7、RNA引物； DNA pol III从引物的3-OH合成子链DNA。,先导链(leading strand) 顺着解链方向(复制叉移动方向)合成的子链为先导链，其合成是连续进行的。 随从链(lagging strand) 复制方向与解链方向相反的子链为随从链 ，其合成是不连续的，由许多冈崎片段 (1000-2000 个核苷酸)组成。,子链DNA的合成方向是53,(三)RNA引物的除去及冈崎片段的连接 DNA-pol I 除去RNA引物，并填补空隙； DNA 连接酶连接相邻的DNA片段。,在随从链上，Dna B (解螺旋酶) 与 Dna G (引发酶) 结合形成复合体。,(四)DNA复制的终止
8、E. coli 的两个终止区域，分别结合专一性的终止蛋白。 序列一：terE, terD, terA 序列二：terB, terC E. coli的tus基因编码终止蛋白(Tus)，可抑制解螺旋酶活性。,原核生物DNA复制的调节,真核生物DNA的复制,真核生物染色体DNA与原核生物DNA 复制的区别,复制时需要解开和重新组装核小体结构 多起点复制 RNA引物及冈崎片段的长度均小于原核生物 真核生物染色体全部复制完成以前不会 发生新一轮复制,真核生物染色体DNA复制过程,与原核生物基本相似 起始与终止了解较少,真核生物的细胞周期包括： G1 期 (DNA 合成前期) S 期 (DNA 合成期)
9、G2 期 (DNA 合成后期) M 期 (有丝分裂期),真核生物染色体DNA的复制在S期完成,真核生物DNA复制的有关酶类及蛋白因子,酶及有关蛋白因子 功能 DNA 聚合酶 /引发酶 合成 RNA 引物 DNA 聚合酶 DNA 复制主要酶 增殖细胞核抗原 (PCNA) 滑动夹，与DNA连续合成有关 拓扑异构酶 母链 DNA 拓扑异构化 单链 DNA 结合蛋白 (SSB) 或复制蛋白 A (RPA) 有解螺旋酶及单链结合作用 复制因子 C (RFC) 参与滑动夹子的装配 DNA 连接酶 连接冈崎片段及参与修复 核酸酶 H (RNaseH) 去除 RNA 引物 侧翼核酸内切酶 I (FENI) 去
10、除 RNA 引物,真核细胞中的DNA聚合酶,增殖细胞核抗原 (proliferating cell nuclear antigen, PCNA) PCNA为同源三聚体，形成环状的可滑动夹子。DNA聚合酶 附着于滑动夹子上，沿着DNA模板链不断前进。,PCNA水平是检测细胞增殖的重要指标,复制因子C (replication factor C, RFC) RFC 是滑动夹装载因子，促使 PCNA 结合于引物-模板链。,DNA复制与核小体装配同步进行。 染色体DNA呈线状，复制在末端停止。 复制终止包括： 岡崎片段、复制子之间的连接。 端粒的合成,复制的终止和端粒酶,真核生物端粒的形成：,端粒（t
11、elomere）是指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构部分，通常膨大成粒状。,结构特点, 由末端DNA序列和蛋白质构成。 末端DNA序列是多次重复的富含G、T碱基的短序列。,端粒酶(telomerase),线性DNA在复制完成后，其末端由于引物RNA的水解而可能出现缩短。故需要在端粒酶（telomerase）的催化下，进行延长反应。,端粒酶(telomerase),端粒酶是一种RNA-蛋白质复合体，它可以其RNA为模板，通过逆转录过程对末端DNA链进行延长。,端粒酶的分子结构,端粒酶RNA (human telomerase RNA, hTR) 端粒酶协同蛋白 (human telomer
12、ase associated protein 1, hTP1) 端粒酶逆转录酶 (human telomerase reverse transcriptase, hTRT),端粒酶的组成,端粒酶的爬行模型（动画演示）,DNA聚合酶复制子链,进一步加工,端粒及端粒酶的意义,成年人端粒比胚胎细胞端粒短； 老化与端粒酶活性下降有关； 肿瘤的发生与端粒酶活性有关； 端粒酶不一定能决定端粒的长度。,线粒体DNA的复制 D环复制,H链,L链,逆转录 (reverse transcription) 在逆转录酶的催化下，以RNA为模板合成DNA的过程，又称反转录。,逆转录酶 (reverse transcri
13、ptase),从RNA病毒中发现，能催化以RNA为模板合成双链DNA的酶，全称为依赖RNA的DNA聚合酶。 有三种活性：RNA指导的DNA聚合活性 RNase H活性 DNA指导的DNA聚合活性,逆转录病毒细胞内的逆转录现象,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。 逆转录现象说明：至少在某些生物，RNA同样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20世纪初已注意到的病毒致癌理论。,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
14、成cDNA,cDNA complementary DNA,DNA损伤（突变）与修复 DNA Damage (Mutation) and Repair,突变 (mutation)： 是由遗传物质结构改变而引起的遗传信息的改变。从分子水平来看，突变就是DNA分子上碱基的改变。 DNA损伤 (DNA damage)： 泛指一切DNA结构和功能的变化。包括各种突变类型、碱基的损伤和DNA链的断裂。,引发突变的因素,自发性: 自然错配率约为10-910-10 左右。 物理因素: 如UV (ultra violet)、各种辐射。 化学因素: 烷化剂、碱基类似物、以及其他一些人工合成或环境中存在的化学物质，
15、这些诱发突变的化学物质,称为致癌剂。 生物因素: 抗菌素类、黄曲霉素和病毒等。,物理因素,化学因素,常见的化学诱变剂,化合物类别,作,用,点,分子改变,碱基类似物,如：,5,-,BU,A,5,-,BU,G,-,A,-,-,T,-,-,G,-,-,C,-,羟胺类（,NH,2,OH,）,T,C,-,T,-,-,A,-,-,C,-,-,G,-,亚硝酸盐（,NO,2,）,C,U,-,G,-,-,C,-,-,A,-,-,T,-,烷化剂,如：氮芥类，,Nitromins,G,m,G,G,m,G,DNA,缺失,G,突变的分子改变类型,错配 (mismatch) 缺失 (deletion) 插入 (insertion) 重排 (rearrangement),DNA分子上的碱基错配称点突变 (point mutation),（一）错配,镰形红细胞贫血病人Hb (HbS) 亚基,正常成人Hb (HbA)亚基,1949年波林发现镰刀型细胞贫血症（病人的红血细胞为镰刀形）与血红蛋白结构异常相关。,（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
