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1、基因信息的传递,吴婷 博士/副教授 厦门大学公共卫生学院 国家传染病诊断试剂与疫苗工程技术研究中心 2013.12,Whats Gene?,The fundamental unit of information in living systems is the gene. A gene is defined biochemically as that segment of DNA (or in a few cases RNA) that encodes the information required to produce a functional biological product. T
2、his product is most often a protein. However, a gene product can also be one of several classes of RNA molecules.,中心法则 （the central dogma） 1958年，F. Crick把遗传信息的传递方式归纳为中心法则； 1970年，H. Temin发现逆转录现象，补充中心法则,本章主要内容：,复制的基本规律 DNA复制的酶学和拓扑学变化 复制的过程 逆转录,第10章 DNA的生物合成 DNA Biosynthesis ( Replication ),复制的基本规律 Bas
3、ic Rules of DNA Replication,第 一 节,复制的方式 半保留复制(semi-conservative replication) 双向复制(bidirectional replication) 半不连续复制(semi-discontinuous replication),复制的基本规律,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。,一、半保留复制是DNA复制的基本特征,DNA生物合成时，母链DNA解开为两股单链，各自作为模板(template)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地接受
4、过来，另一股单链则完全从新合成。两个子细胞的DNA都和亲代DNA碱基序列一致。这种复制方式称为半保留复制。,半保留复制的概念:,A G G T A C T G C C A C T G G,T C C A T G A C G G T G A C C,C C A C T G G,G G T G A C C,A G G T A C T G,T C C A T G A C,T C C A T G A C,A G G T A C T G,A G G T A C T G C C A C T G G,T C C A T G A C G G T G A C C,A G G T A C T G C C A C
5、T G G,T C C A T G A C G G T G A C C,+,母链DNA,复制过程中形成的复制叉,子代DNA,原核生物复制时，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。,二、双向复制,三、DNA一股子链复制的方向与解链方向相反导致半不连续复制,领头链 (leading strand),随从链 (lagging strand),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(leading strand) 。 另一股链因为复制的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(lagging st
6、rand) 。复制中的不连续片段称为岡崎片段(okazaki fragment)。 领头链连续复制而随从链不连续复制，就是复制的半不连续性。,DNA复制的酶学和拓扑学变化,第 二 节,The Enzymology and Topology of DNA Replication,参与DNA复制的物质:,底物(substrate): dATP, dGTP, dCTP, dTTP； 聚合酶(polymerase): 依赖DNA的DNA聚合酶，简写为 DNA-pol； 模板(template): 解开成单链的DNA母链； 引物(primer): 提供3-OH末端使dNTP可以依次聚合； 其他的酶和蛋白
7、质因子。,一、DNA聚合酶催化核苷酸之间聚合,全称：依赖DNA的DNA聚合酶 (DNA-dependent DNA polymerase) 简称：DNA-pol,活性：,1. 53 的聚合活性 2. 核酸外切酶活性,（一）原核生物的DNA聚合酶分为三型,（二）常见的真核细胞DNA聚合酶有五种,DNA-pol ,起始引发，有引物酶活性。,延长子链的主要酶，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、修复和填补缺口的作用。,在线粒体DNA复制中起催化作用。,DNA-pol ,DNA-pol ,DNA-pol ,DNA-pol ,真核生物的DNA聚合酶,二、核酸外切酶的校读活性和碱
8、基选择功能是复制保真性的酶学依据,核酸外切酶(exonuclease)是指能从核酸链的末端把核苷酸依次水解出来的酶，外切酶是有方向性的。,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:,遵守严格的碱基配对规律； 聚合酶在复制延长时对碱基的选择功能； 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：,三、复制中的分子解链伴有DNA 分子拓扑学变化,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。 引物酶(primase) 复制起始时催化生成RNA引物
9、的酶。 单链DNA结合蛋白(single stranded DNA binding protein, SSB) 在复制中维持模板处于单链状态并保护单链的完整。,四、DNA连接酶连接DNA双链中的单链缺口,连接DNA链3-OH末端和相邻DNA链5-P末端，使二者生成磷酸二酯键，从而把两段相邻的DNA链连接成一条完整的链。,DNA连接酶(DNA ligase)作用方式：,HO,5,3,3,5,DNA连接酶,ATP,ADP,5,3,5,3,DNA连接酶的作用：,DNA聚合酶，拓扑酶和连接酶催化3,5-磷酸二酯键生成的比较,DNA生物合成过程 The Process of DNA Replicatio
10、n,第 三 节,复制起始：DNA解链形成引发体,一、原核生物的DNA生物合成,Dna A,Dna B、 Dna C,DNA拓扑异构酶,引物酶,SSB,3,5,3,5,含有解螺旋酶、DnaC蛋白、引物酶和DNA复制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,同一复制叉上领头链和随从链由相同的DNA-pol催化延长,复制过程简图,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。,复制的终止过程：切除引物、填补空缺、 连接切口,随从链上不连续性片段的连接：,二、真核生物的DNA生物合成,真核生物每个染色体有多个起
11、始点，是多复制子复制。复制有时序性，即复制子以分组方式激活而不是同步起动。 复制的起始需要DNA-pol （引物酶活性）和pol （解螺旋酶活性）参与。还需拓扑酶和复制因子(replication factor, RF)。,（一）真核生物复制的起始与原核基本相似,真核生物的DNA复制的辅助因子,（二）真核生物复制的延长发生DNA聚合酶/转换,端粒(telomere),指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构。,端粒的功能：,维持染色体的稳定性 维持DNA复制的完整性,端粒的结构特点：,由末端单链DNA序列和蛋白质构成。 末端DNA序列是多次重复的富含G、C碱基的短序列。,TTTTGGGGTTT
12、TGGGG,端粒酶(telomerase),端粒酶RNA (human telomerase RNA, hTR) 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),组成：,端粒酶催化作用的爬行模型,逆转录 Reverse Transcription,第四节,逆转录酶(reverse transcriptase),逆转录(reverse transcription),逆转录酶,一、逆转录病毒的基因组是RNA，其复制方式是逆转录,RNA
13、,DNA,逆转录病毒细胞内的逆转录现象:,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。,试管内合成cDNA:,cDNA complementary DNA,第11章 RNA的生物合成 RNA Biosynthesis (Transcription),一是DNA指导的RNA合成，也叫转录，此为生物体内的主要合成方式，也是本章介绍的主要内容。 另一种是RNA指导的RNA合成(RNA-dependent RNA synthesis)，也叫RNA复制(RNA replication), 由
14、RNA依赖的RNA聚合酶(RNA-dependent RNA polymerase)催化，常见于病毒，是逆转录病毒以外的RNA病毒在宿主细胞以病毒的单链RNA为模板合成RNA的方式。,本章主要内容：,原核生物转录的模板和酶 原核生物的转录过程 真核生物的转录过程 真核生物RNA的加工,复制和转录的区别,参与转录的物质：,原料: NTP (ATP, UTP, GTP, CTP) 模板: DNA 酶 : RNA聚合酶(RNA polymerase, RNA-pol) 其他蛋白质因子,原核生物转录的模板和酶 Templates & Enzymes in Prokaryotic Transcripti
15、on,第一节,一、原核生物转录的模板,DNA分子上转录出RNA的区段，称为结构基因(structural gene)。 转录的这种选择性称为不对称转录(asymmetric transcription)，它有两方面含义：在DNA分子双链上，一股链用作模板指引转录，另一股链不转录；其二是模板链并非总是在同一单链上。,5GCAGTACATGTC 3,3 c g t g a t g t a c a g 5,5GCAGUACAUGUC 3,编码链,模板链,mRNA,转录,DNA双链中按碱基配对规律能指引转录生成RNA的一股单链，称为模板链(template strand)，也称作有意义链或Watson
16、链。相对的另一股单链是编码链(coding strand)，也称为反义链或Crick链。,5 3,3 5,模板链,编码链,编码链,模板链,结构基因,不对称转录,二、RNA合成由RNA聚合酶催化,DNA聚合酶在启动DNA链延长时需要引物存在，而RNA聚合酶不需要引物就能直接启动RNA链的延长。 RNA聚合酶和DNA的特殊序列启动子(promoter)结合后，就能启动RNA合成。,RNA聚合酶由多个亚基组成,核心酶 (core enzyme),全酶 (holoenzyme),转录起始阶段,转录延长阶段,三、RNA聚合酶结合到DNA的启动子上起动转录,转录是不连续、分区段进行的。 每一转录区段可视为一个转录单位，称为操纵子(operon)。操纵子包括若干个结构基因及其上游(upstr
