核酸第1-1章 DNA复制

DNA的生物合成中心法则(TheCentralDogma)转录翻译逆转录复制第一节DNA复制的基本特征一、半保留复制(semiconservativereplication)当DNA进行复制时，双螺旋结构解开成两条单链，各自作为模板合成与之互补的新链。在子代DNA双链中，一条是来自于亲代，另一条完全重新合成。这种复制方式称为半保留复制二、从复制起点双向复制1、复制起点（ori/O）有几十甚至几百个碱基的跨度，富含AT2、复制子（replicon）从一个复制起点引发复制的全部DNA序列3、复制叉（replicationfork）复制时在解链点形成分叉结构3553新链3535亲代DNA复制方向前导链(leadingstrand)顺着解链方向生成的子链，其复制是连续进行的，所得到一条连续片段的子链。5’3’3535解链方向三、半不连续复制（semidiscontinuoureplication）3535解链方向复制方向与解链方向相反，须等待解开足够长度的模板链才能继续复制，所得到一条由不连续片段组成的子链。后随链(laggingstrand)冈崎片段（Okazakifragment）分段合成的后随链片段3’5’3’3’5’第二节原核生物DNA的复制一、参与DNA复制的酶和蛋白质（一）DNA聚合酶（DNApolymerase）其特点是:需要模板(template)需要引物（primer）寡核苷酸3-OH以5’→3’方向催化合成DNADNA-polⅠ1、53的DNA聚合酶活性：聚合速度，延伸能力2、35外切酶活性：能辨认错配的碱基对，并将其水解（校对）3、53外切酶活性：切口平移（nicktranslation）5’AGCTTCAGGATA3’|||||||||||3’TCGAAGTCCTAGCGAC5’?大肠杆菌DNA聚合酶功能切口平移（nicktranslation）定义：如果双链DN分子上存在切口，DNA聚合酶I可以在切口处催化两个反应：一个是水解反应，从5’端切除核苷酸；另一个是聚合反应，在3’端延伸合成DNA，结果反应过程像是切口在移动意义:①在DNA复制过程切除后随链冈崎片段5‘端的RNA引物②在DNA修复过程中发挥作用（二）解链、解旋酶类1、解旋酶（helicase）利用ATP供能，作用于氢键，使DNA双链解开成为两条单链。DnaBDnaC解链方向2、拓扑异构酶（topoisomerase）双链DNA分子两股链的绕数称为拓扑连环数具有相同的一级结构、不同的拓扑连环数的DNA分子互为拓扑异构体拓扑异构酶通过改变DNA的拓扑连环数来改变其拓扑结构。解链过程中，DNA分子会过度拧紧、打结、缠绕、连环等现象，均需DNA拓扑异构酶，改变DNA分子构象，理顺DNA链，使复制能顺利进行拓扑异构酶作用特点：既能水解、又能连接磷酸二酯键分类：Ⅰ型拓扑异构酶Ⅱ型拓扑异构酶3、单链DNA结合蛋白（SSB）维持单链稳定抑制RNA聚合酶（三）引物酶（primase，引发酶）引物酶依赖DNA的RNA聚合酶在模板的复制起始部位催化NTP的聚合,形成短片段的RNA。这一小段RNA作为复制的引物（primer），提供3-OH末端，使DNA-pol能够催化dNTP聚合。引发体（primosome）：DnaG+DnaB引物酶与其他和复制有关的蛋白质形成的复合物（四）DNA连接酶（DNAligase）连接DNA链3-OH末端和相邻DNA链5-P末端，使二者生成磷酸酯键，从而把两段相邻的DNA链连接成完整的链（只能连接dsDNA上nick）参与DNA复制、重组、修复ATPOHP二、复制过程在大肠杆菌DNA的复制过程中，各种与复制有关的酶和蛋白因子结合在复制叉上，构成复制体(replisome)复制过程可以分为起始、延长和终止三个阶段不同阶段的复制体具有不同的组成和结构大肠杆菌复制原点起始复制所需蛋白质SSB解链酶引物引物酶拓扑异构酶打开DNA超螺链打开双螺旋合成防止复螺旋三、原核生物DNA合成抑制剂一些抗生素通过抑制DNA合成杀死原核病原体。(l)喹诺酮类(quinolone):解旋酶和拓扑异构酶IV(2)硝基呋喃类(nitrofuran):攻击DNA、核糖体蛋白、呼吸链、丙酮酸脱氢酶系(3)硝基咪唑类（nitroimidazole):还原产物与厌氧菌DNA结合，抑制其复制与转录第三节真核生物DNA的复制一、染色体DNA（一）染色体DNA复制特点1·复制速度慢复制叉的推进速度约为5Ont/s，仅为大肠杆菌1/202·发生染色质解离与重塑复制叉经过核小体时需要解开核小体结构;经过之后，要在两条子代DNA双链上重塑核小体结构3·多起点复制真核生物的染色体DNA有多个复制起点，同时启动复制，形成多复制子结构，每个复制子控制的复制区域比较小4·冈崎片段小真核生物150-2OOnt，而大肠杆菌1000-2000nt。5·终止阶段涉及端粒合成真核生物的染色体DNA为线性结构，其末端端粒DNA通过特殊机制合成6·受DNA复制检验点控制真核生物的染色体DNA在一个细胞周期中只复制一次（二）DNA聚合酶α、β、γ、δ、εδ负责核DNA的复制γ负责线粒体DNA的复制1，染色体DNA呈线状，复制在末端停止5`5`5`5`水解、聚合、连接5`5`5`5`2，连接不连续片段（三）端粒与复制终止短缺短缺端粒（telomere）真核生物染色体线性DNA分子末端的结构1、结构特点：1）由末端单链DNA序列和蛋白质构成2）末端DNA序列是多次重复的富含G、T碱基的短序列2、功能1）维持染色体的稳定性2）维持DNA复制的完整性TTTTGGGGTTTTGGGG…3）细胞分裂计数器4）长度反映端粒酶活性端粒酶（telomerase）1一种RNA-蛋白质的复合物2一种特殊的逆转录酶,能依赖自身的RNA为模板逆转录合成端粒DNA特点：功能：复制终止时，染色体线性DNA末端确有可能缩短，但通过端粒酶的作用，可以补偿这种由除去引物引起的末端缩短。二、线粒体DNA(mtDNA)H链;L链;复制起点错位分布DNA聚合酶γ催化复制不对称复制这种复制的前期是以新生L链替换亲代L链的过程，并且亲代L链的游离结构形如字母D，所以这种复制被形象地称为D环复制(D-loopreplication）第四节病毒DNA的复制由基因组特征和宿主DNA复制系统共同决定一、病毒DNA：双链环状DNA，核内由宿主细胞的复制酶系统完成3’-OH5’-P5’3’5’3’5’5’5’3’3’3’3’5’滚环复制rollingcirclereplication二、噬菌体DNA第五节DNA损伤与修复一、DNA损伤稳定是相对的，变异是绝对的变异即基因突变，其化学本质是DNA损伤，是指碱基序列发生了可以传递给子代细胞的变化，这种变化通常导致一个基因产物功能的改变或缺失（一）损伤类型1、点突变：指DNA分子上一个碱基的变异错配（转换，颠换）一个核苷酸缺失、插入2、插入和缺失遗传信息的改变同义突变错义突变：导致蛋白质多肽链氨基酸序列变化。无义突变：肽链合成提前终止。3、重排是指基因组中DNA发生较大片段的交换，但不涉及遗传物质的丢失与获得重排发生在基因组中，可以在DNA分子内部，也可以在DNA分子之间4、共价交联胸腺嘧啶二聚体（二）损伤因素1、复制错误复制滑脱--“环出”现象新生链环出会造成子二代DNA发生插入，而模板环出会造成缺失2、自发性损伤3、物理因素：紫外线4、化学因素：烷化剂、碱基修饰剂（亚硝酸盐）5、生物因素：病毒（三）损伤意义突变是生物进化的分子基础致死突变突变是许多疾病的分子基础二、DNA修复五种修复系统:错配修复直接修复切除修复重组修复易错修复DNA复制过程之外，精确修复DNA复制过程之中，不完全修复（一）错配修复●Dam甲基化酶使母链位于5’GATC序列中腺苷酸甲基化●甲基化紧随在DNA复制之后进行●根据复制叉上DNA甲基化程度，切除尚未甲基化的子链上的错配碱基根据母链甲基化原则找出错配碱基的示意图发现错配碱基在水解ATP的作用下，MutS，MutL与碱基错配点的DNA双链结合MutS-MutL在DNA双链上移动，发现甲基化DNA后由MutH切开非甲基化的子链（一）错配修复甲基化指导的错配修复示意图错配碱基位于切口3’下游端，错配碱基位于切口5’上游端，1、光修复（lightrepairing）光修复酶UV（二）直接修复2、烷基化碱基修复一些酶识别DNA中修饰碱基（三）切除修复●是指将DNA分子的损伤片段切除，然后以互补链为模板，合成DNA填补缺口，使DNA恢复正常结构●原核生物和真核生物都有两套切除修复系统:核苷酸切除修复系统碱基切除修复系统●都包括两个步骤:①由特异性核酸酶寻找损伤部位，切除损伤片段;②合成DNA填补缺口。UvrAUvrBUvrCOHPDNA聚合酶ⅠOHP★核苷酸切除修复是细胞内最重要的修复机制，主要由切除核酸酶（Uvr）、DNA聚合酶Ⅰ和连接酶完成。DNA连接酶ATPE.coli的切除修复机制修复的对象是子代DNA。损伤的DNA先进行复制，在子代DNA损伤互补的部位出现缺口，通过分子间重组，将另一个子代完好的片段移至缺口处，再填补重组产生的缺口。模板上的伤疤始终留着。只能随着重组修复次数↑，伤疤占的比例↓。（四）重组修复DNA损伤严重将激活与DNA修复有关的基因，这一现象称为SOS应答(SOSresponse)SOS应答产生两类效应:①增加与其他修复系统有关基因的 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 达，从而提高修复能力;②启动易错修复系统DNA聚合酶IV和V都没有校对功能，只在SOS应答后期、DNA损伤太多、复制叉因遇到DNA损伤而中止复制的情况下才会表达。它们催化有损伤DNA模板的复制，所以称为跨损伤复制跨损伤复制是对DNA损伤过多的一种应激应答，特点是保真性降低，突变率大增。虽然使复制得以进行下去，但是会形成较多错配，发生较多突变，所以称为易错修复（五）易错修复DNA损伤的后果取决于损伤程度和细胞的DNA修复能力。如果细胞不能修复DNA，就会出现基因功能异常而发生疾病(1)着色性干皮病(XP)(2)遗传性非息肉病性结直肠癌(HNPCC)三、DNA修复与疾病第六节DNA的逆转录合成一、逆转录酶逆转录酶活性RNA指导的DNA聚合酶DNA指导的DNA聚合酶RNaseH游离3－OH4种NTPtRNA引物酶作用条件逆转录病毒细胞内的逆转录现象：RNA模板逆转录酶DNA-RNA杂化双链RNA酶单链DNA逆转录酶双链DNA*逆转录现象说明：至少在某些生物，RNA同样兼有遗传物质的传代与表达功能。二、逆转录过程——前病毒基因组（cDNA)的形成逆转录酶AAAATTTTAAAASI核酸酶DNA聚合酶碱水解TTTT分子生物学研究可应用逆转录酶，合成DNA以mRNA为模板，经逆转录合成的与mRNA碱基序列互补的DNA链，称为cDNAcomplementaryDNA四、逆转录生物学意义中心法则的补充DNA重组重要工具酶治疗：重要靶酶五、AIDS与HIV艾滋病病毒是逆转录病毒，有HIV-l和HIV-2两种，能引起艾滋病的主要是HIV-l艾滋病病毒的宿主细胞主要是CD4+T细胞(辅助性T细胞)，感染之后不是被转化，而是被杀死，造成机体免疫系统损伤。目前治疗艾滋病药物的靶点主要是艾滋病病毒的逆转录酶和其他蛋白质。思考题1、名词解释：领头链、随从链、冈崎片段、半不连续复制、cDNA、端粒酶、点突变2、简述DNA复制的基本特征。3、参与原核生物DNA复制主要酶和蛋白有哪些？各有什么特点。4、损伤类型有哪些？7、DNA修复系统哪几种？