《2016年暑期分子生物学奥赛理论培训ppt课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2016年暑期分子生物学奥赛理论培训ppt课件（88页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2016年暑期分子生物学奥赛理论培训辅导,南京大学 杨荣武,一、DNA复制,DNA复制的一般特征 参与DNA复制的主要酶和蛋白质 细菌与真核生物的DNA复制比较 DNA复制的高度忠实性,DNA复制的一般特征,以原来的DNA两条链作为模板，四种dNTP为前体，还需要Mg2 作为模板的DNA需要解链 半保留复制 需要引物主要是RNA，少数是蛋白质 复制的方向始终是53 具有固定的起点 多为双向复制，少数为单向复制 半不连续性 具有高度的忠实性和进行性,DNA复制可能的三种方式,在复制叉中不连续合成的DNA片段称为冈崎片段，连续合成的DNA子链被称为前导链，不连续合成的DNA子链被称为后随链或滞后链
2、。,参与DNA复制的主要酶和蛋白质的结构与功能,DNA聚合酶 DNA解链酶 单链结合蛋白 DNA引发酶 DNA拓扑异构酶 DNA连接酶 端聚酶（真核生物特有）,DNA聚合酶,DNA聚合酶的全名是依赖于DNA的DNA聚合酶，就是以DNA为模板，催化DNA合成的聚合酶。 DNA聚合酶是参与DNA复制的主要酶，该酶的许多性质直接决定了DNA复制的一些基本特征。,DNA聚合酶,反应通式： Mg2+ DNA + 引物-OH + dNTP DNA/引物-dNMP + PPi 5 3 随后的 PPi迅速水解驱动反应的进行 细菌DNA 聚合酶 DNA pol I,II,III,IV和V 真核生物DNA 聚合酶
3、 DNA pol ,和以及更多,已在大肠杆菌中发现5种不同的DNA聚合酶 DNAP I: 切除引物和修复 DNAP II: 在DNA修复中起作用 DNAP III: 主要的DNA复制酶 DNAP IV: 在DNA修复中起作用 DNAP V:在DNA修复中起作用,DNA聚合酶家族,真核细胞的DNA聚合酶,已在真核细胞中发现至少15种以上的DNA聚合酶，除了5种发现较早的DNA聚合酶、和以外，其它几种DNA聚合酶如聚合酶、和都有相关的报道，这些新发现的DNA聚合酶一般缺乏3-外切酶的活性（除外），因此没有校对的功能，它们主要参与DNA的跨越合成，以克服损伤对DNA复制的不利影响。,端聚酶的结构与功
4、能,端聚酶也称为端粒酶，由蛋白质和RNA两种成分组成，其中蛋白质具有逆转录酶的活性，其三维结构与其它逆转录酶有明显的相似性，而RNA含有1.5拷贝的端粒DNA重复序列，这一部分序列作为逆转录酶的模板。不同来源的端聚酶在RNA长度上变化很大，但它们都形成特定的二级结构，作为模板的那一部分序列处于单链状态，以方便它与端粒区的重复序列结合，并有效地充当逆转录的模板。,几种真核生物的端粒重复序列,端聚酶的结构模型,端聚酶的作用机理,端粒酶活性与细胞分裂能力的关系,细菌与真核细胞的DNA复制比较,真核细胞的DNA复制在很多方面与细菌极为相似，但也有几点不同于细菌的地方： （1）需要解决核小体和染色质结构
5、对DNA复制构成的障碍； （2）复制叉移动的速度远低于细菌； （3）具有多个复制子，这可以弥补复制叉移动速度低对整个DNA复制速度的制约； （4）冈崎片段的长度小于细菌； （5）复制被限制在细胞周期的S期，并受到严格的调控； （6）在第一轮复制结束之前不能进行第二轮复制，细菌在第一轮复制还没结束的时候就可以进行第二轮复制； （7）需要端聚酶解决染色体DNA末端复制问题 （8）复制终止没有特定的像大肠杆菌Ter序列的终止区。,古菌的DNA复制,在DNA复制上，古菌与细菌相似的是，它也不需要也没有端聚酶，因为其染色体DNA是环状，无端粒结构，而在其他方面更像真核生物，主要表现在： DNA模板与组蛋
6、白形成核小体，而核小体结构对复制会产生一定影响； 许多古菌具有多个复制起始区； 参与复制的许多蛋白质和酶在结构与功能上非常接近真核生物。,DNA复制的高度忠实性,四种dNTPs浓度的平衡 DNA聚合酶的高度选择性 DNA聚合酶的自我校对 错配修复 使用RNA作为引物,绝 句,复错不要紧， 只要校对真， 错了我一个， 还有后来酶。,DNA的损伤 DNA的修复 直接修复 切除修复 损伤跨越 DNA的突变 突变的类型与后果 突变的原因 回复突变与突变的校正,二、DNA的损伤、修复和突变,哪些因素能影响到DNA的完整性？,细胞内源的因素 环境因素 -例如化学试剂、污染物和UV 疾病治疗 -例如离子辐射
7、和化疗,细胞内源因素,复制错误 例如四种dNTP量的不平衡导致错配 DNA本身的不稳定 碱基的自发脱氨基 DNA的脱嘌呤/脱嘧啶导致碱基脱落 活性氧的作用 DNA, 蛋白质和脂质的氧化,环境（外源）因素,化学试剂 (1) 天然化合物 黄曲霉素 (2) 人造化合物 苯并芘- 香烟 顺铂- 化疗药物 物理因素 (1) UV (2) 离子辐射 -射线 x-射线,DNA损伤类型,碱基修饰 碱基丢失-无碱基位点 复制错误：错误 链断裂 蛋白质-DNA交联 DNA-DNA交联,DNA损伤的因素和损伤的主要类型,紫外线引起的碱基损伤,DNA 修复,DNA是唯一一种在发生损伤以后可以被完全修复的分子，而其他生
8、物大分子在受到损伤以后要么被降解，要么被取代。当然，并不是发生在DNA分子上的所有损伤都能修复。如果受到的损伤不能及时被修复，可导致细胞的癌变和早衰。 细胞之所以在DNA受到损伤以后，选择的处理方法是尽量将其修复而不是将其降解，这一是因为作为遗传物质的DNA分子在细胞内只有一个拷贝，如果将其水解的话，细胞也就失去了存在的根基；二是DNA的互补双螺旋结构使得修复一个受损伤的DNA分子变得很容易。,直接修复,嘧啶二聚体的直接修复由DNA光裂合酶催化。此酶直接识别和结合嘧啶二聚体。然后，利用辅基捕捉到的光能，将嘧啶二聚体打开，最后再与DNA解离。但是胎盘类哺乳动物却没有这种酶。 烷基化碱基的直接修复
9、由特定的烷基转移酶催化 DNA链断裂的直接修复由DNA连接酶催化。,嘧啶二聚体的直接修复,烷基化碱基的直接修复,切除修复,切除修复先切除损伤的碱基或核苷酸，然后，重新合成正常的核苷酸，最后，再经连接酶重新连接，将原来的切口缝合。整个切除修复过程包括识别、切除、重新合成和重新连接。 切除修复又分为碱基切除修复（BER）和核苷酸切除修复（NER），两者的主要差别在于识别损伤的机制上，前者是直接识别具体的受损伤的碱基，而后者并不识别具体的损伤，而是识别损伤对DNA双螺旋结构造成的扭曲。,损伤跨越,重组跨越使用同源重组的方法将DNA模板进行交换以避免损伤对复制的抑制，从而使复制能够继续下去，而随后的复
10、制仍然使用细胞内高保真的聚合酶，因此忠实性并无下降，故此途径被视为一种无错的系统。 跨越合成又称为跨损伤合成，由专门的DNA聚合酶与停留在损伤位点上的原来催化复制的DNA聚合酶交换，在子链上（模板链上损伤碱基的对面）插入正确或错误的核苷酸，结果导致对损伤位点无错或易错的跨越。,SOS反应,是指细胞在受到潜在致死性压力下，例如UV辐射、胸腺嘧啶饥饿、DNA修饰物的作用和DNA复制所必需的基因的失活，做出的有利于细胞生存的代谢预警反应，包括易错的跨损伤合成、细胞丝状化和切除修复的激活，其中涉及到近20个“sos”基因的表达。,DNA的突变,修复系统的不完善，为DNA的突变打开了方便之门，因为这些损
11、伤如果在下一轮DNA复制之前还没有被修复的话，就有可能直接被固定下来传给子代，有的则通过易错的跨损伤合成产生新的错误并最终也被固定下来。这些发生在DNA分子上可遗传的结构变化通称为突变,突变的类型,点突变是指DNA 分子某一位点上所发生的一种碱基对变成另外一种碱基对的突变，可分为转换和颠换两种形式，其中，转换是指两种嘌呤碱基或两种嘧啶碱基之间的相互转变，颠换是指嘌呤碱基和嘧啶碱基之间的互变 移码突变是指在一个蛋白质基因的编码区发生的一个或多个核苷酸（非3的整数倍）的缺失或插入。,碱基突变的几种方式,点突变的后果,突变的密码子决定同样的氨基酸，这样的突变对蛋白质的结构和功能不会产生任何影响，因此
12、称为沉默突变。 突变的密码子决定不同的氨基酸，这样的突变可能对蛋白质的功能不产生任何影响或影响微乎其微，也可能产生灾难性的后果而带来分子病。由于突变导致出现了错误的氨基酸，因此，这样的突变称为错义突变。如果错误的氨基酸与原来的氨基酸是同种性质，这种突变被称为中性突变。 突变的密码子变为终止密码子或者相反，前者因为终止密码子的提前出现可导致一条多肽链被截短，被称为无义突变，后者则会加长一条多肽链，被称为加长突变或通读突变。,隐性突变和显性突变,DNA突变可能是隐性的，也可能是显性的。 如果突变仅仅是灭活一种蛋白质，那么，这种突变一般产生隐性性状。 如果突变产生的蛋白质对细胞有毒，这种毒性无法被另
13、外一条染色体上正常基因表达出来的正常的蛋白质所抵消或中和，那么，这种突变被视为显性。,突变的原因,几乎任何导致DNA损伤的因素都能够导致DNA突变，前提是它们造成的损伤在DNA复制之前还没有被细胞内的修复系统修复，因此，可以这样认为，导致DNA损伤的原因在某种意义上就是导致DNA突变的原因。由内在因素引起的突变被称为自发性突变，由外在因素引发的突变被称为诱发突变。各种导致DNA突变的内外因素总称为突变原。,导致自发点突变的原因,自发的点突变 （1）DNA复制过程中的错配 （2）自发脱氨基 （3）活性氧的氧化 （4）碱基的烷基化 自发的移码突变 （1）“复制打滑” （2）转座作用。,自发脱氨基和
14、活性氧作用引起的碱基转换,诱发突变,诱发点突变 碱基类似物，如5-溴尿嘧啶和2-氨基 嘌呤 烷基化试剂，如氮芥和硫芥等 脱氨基试剂，如亚硝酸 羟胺 诱发移码突变 嵌入试剂，如吖啶黄，原黄素和EB等,诱变剂诱发的点突变,三、DNA转录,中心法则 DNA转录的一般特征 依赖DNA的RNA聚合酶 启动子 细菌与真核生物的DNA转录比较 古菌的DNA转录,中心法则-“一个中心（DNA），两个基本点（RNA和蛋白质”,DNA 转录与DNA复制的比较,与DNA复制的共同性质 1) 需要模板、Mg2、解链和解除转录过程中形成的正超螺旋 2) 只能按照53的方向进行 与DNA复制不同的性质 1)不需要引物 2
15、) NTPs 代替dNTPs; UTP代谢dTTP 3) 缺乏校对活性（错误率在1/104 1/105 nts） 4) 发生在特定的区域（不是所有的DNA序列） 5) 对于一个特定的基因而言，只有一条链转录 记住一些名称模板链（无意义链，Watson链）和编码链（有意义链，Crick链）,编码链，有意义链， Crick 链,模板链，无意义链， Watson 链,转录,翻译,RNA聚合酶,共同的性质 -DNA模板：一条链被转录 -底物：GTP, CTP, UTP, ATP -二价金属离子：Mg2+ 与DNA聚合酶之间的主要差别,细菌RNA聚合酶的结构与功能,所有的三类RNA由同一种RNA聚合酶催
16、化 全酶 核心酶：2 , 1 , 1 , 1 抑制剂：利福霉素和利链霉素,真核细胞的RNA聚合酶,真核细胞的RNA聚合酶出现了功能分工，不同性质的RNA由不同的RNA聚合酶催化转录，其细胞核具有三种RNA聚合酶，即RNA聚合酶I、II、和III，三者也分别被称为RNA聚合酶A、B和C，它们分别催化细胞核内的rRNA（5S rRNA除外）、mRNA（大多数microRNA和小RNA（tRNA和5SrRNA）的转录。除此以外，线粒体和叶绿体也含有RNA聚合酶。,RNA聚合酶 II 抑制剂,白毒伞含有有毒的环状十肽鹅膏蕈碱,这种蘑菇口味不错，但却是致命的！ 食用6 24小时之后，开始出现强筋挛和腹泻 第3天出现假恢复 第4或第5天，死亡随时发生，除非进行肝移植,细菌启动子的性质,启动子通常由转录起始点上游40bp长的序列组成 包括两段一致序列： “-35 区” 一致序列是TTGACA Pribnow盒或“-10 区”一致序列是TATAAT “35”区和“
