第四章遺傳信息的復(fù)制ppt課件

1、遺傳信息的復(fù)制 Replication,第 四 章,第一節(jié) DNA的復(fù)制 復(fù)制(replication) 是指遺傳物質(zhì)的傳代，在細(xì)胞分裂過(guò)程中。以母鏈DNA為模板合成子鏈DNA的過(guò)程。,一、DNA復(fù)制的基本特點(diǎn),復(fù)制的起始點(diǎn) （origin） 復(fù)制的方式 半保留復(fù)制(semi-conservative replication) 復(fù)制的高保真性(high fidelity) 雙向復(fù)制(bidirectional replication)、單向復(fù)制 半不連續(xù)復(fù)制(semi-discontinuous replication),復(fù)制子(replicon) 是基因組中能獨(dú)立進(jìn)行復(fù)制的 功能單位。,A

2、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 T G G,T C C A T G A C G G T G A C C,+,母鏈DNA,復(fù)制過(guò)程中形成的復(fù)制叉,子代DNA,目 錄,

3、A. 環(huán)狀雙鏈DNA及復(fù)制起始點(diǎn) B. 復(fù)制中的兩個(gè)復(fù)制叉 C. 復(fù)制接近終止點(diǎn)(termination, ter),DNA生物合成時(shí)，母鏈DNA解開(kāi)為兩股單鏈，各自作為模板(template)按堿基配對(duì)規(guī)律，合成與模板互補(bǔ)的子鏈。子代細(xì)胞的DNA，一股單鏈從親代完整地接受過(guò)來(lái)，另一股單鏈則完全從新合成。兩個(gè)子細(xì)胞的DNA都和親代DNA堿基序列一致。這種復(fù)制方式稱為半保留復(fù)制。,半保留復(fù)制,按半保留復(fù)制方式，子代DNA與親代DNA的堿基序列一致，即子代保留了親代的全部遺傳信息，體現(xiàn)了遺傳的保守性。,半保留復(fù)制的意義,遺傳的保守性，是物種穩(wěn)定性的分子基礎(chǔ)，但不是絕對(duì)的。,原核生物復(fù)制時(shí)，DNA從

4、起始點(diǎn)(origin)向兩個(gè)方向解鏈，形成兩個(gè)延伸方向相反的復(fù)制叉，稱為雙向復(fù)制。,雙向復(fù)制,復(fù)制的半不連續(xù)性,領(lǐng)頭鏈 (leading strand),隨從鏈 (lagging strand),半不連續(xù)復(fù)制 順著解鏈方向生成的子鏈，復(fù)制是連續(xù)進(jìn)行的，這股鏈稱為領(lǐng)頭鏈。 另一股鏈因?yàn)閺?fù)制的方向與解鏈方向相反，不能順著解鏈方向連續(xù)延長(zhǎng)，這股不連續(xù)復(fù)制的鏈稱為隨從鏈。復(fù)制中的不連續(xù)片段稱為岡崎片段(okazaki fragment)。 領(lǐng)頭鏈連續(xù)復(fù)制而隨從鏈不連續(xù)復(fù)制，就是復(fù)制的半不連續(xù)性。,復(fù)制的化學(xué)反應(yīng),(dNMP)n + dNTP (dNMP)n+1 + PPi,目 錄,聚合反應(yīng)的特點(diǎn),DN

5、A 新鏈生成需引物和模板； 新鏈的延長(zhǎng)只可沿5 3方向進(jìn)行 。,二、原核生物染色體DNA的復(fù)制,（一）參與DNA復(fù)制的物質(zhì),底物(substrate): dATP, dGTP, dCTP, dTTP DNA聚合酶(polymerase): 依賴DNA的DNA聚合酶，簡(jiǎn)寫(xiě) 為 DNA-pol 模板(template) : 解開(kāi)成單鏈的DNA母鏈 引物(primer): 提供3-OH末端使dNTP可以依次聚合 其他的酶和蛋白質(zhì)因子,1、DNA聚合酶,全稱：依賴DNA的DNA聚合酶 (DNA-dependent DNA polymerase) 簡(jiǎn)稱：DNA-pol,活性：1. 53 的聚合活性 2.

6、 核酸外切酶活性,參與DNA復(fù)制的酶與蛋白質(zhì),3 5外切酶活性,5 3外切酶活性,?,能切除突變的 DNA片段。,能辨認(rèn)錯(cuò)配的堿基對(duì)，并將其水解。,核酸外切酶活性,目 錄,功能：對(duì)復(fù)制中的錯(cuò)誤進(jìn)行校讀，對(duì)復(fù)制和修復(fù)中出現(xiàn)的空隙進(jìn)行填補(bǔ)。,DNA-pol （109kD）,323個(gè)氨基酸,小片段,5 核酸外切酶活性,大片段/Klenow 片段,604個(gè)氨基酸,DNA聚合酶活性 5 核酸外切酶活性,N 端,C 端,DNA-pol ,Klenow片段是實(shí)驗(yàn)室合成DNA，進(jìn)行分子生物學(xué)研究中常用的工具酶。,DNA-pol （120kD）,DNA-pol II基因發(fā)生突變，細(xì)菌依然能存活 它參與DNA損傷

7、的應(yīng)急狀態(tài)修復(fù)。,功能 是原核生物復(fù)制延長(zhǎng)中真正起催化作用的酶。,DNA-pol (250kD),原核生物的DNA聚合酶,（二）真核生物的DNA聚合酶,DNA-pol ,起始引發(fā)，有引物酶活性。,延長(zhǎng)子鏈的主要酶，有解螺旋酶活性。,參與低保真度的復(fù)制 。,在復(fù)制過(guò)程中起校讀、修復(fù)和填補(bǔ)缺口的作用。,在線粒體DNA復(fù)制中起催化作用。,DNA-pol ,DNA-pol ,DNA-pol ,DNA-pol ,（二）真核生物的DNA聚合酶,復(fù)制保真性的酶學(xué)依據(jù),復(fù)制按照堿基配對(duì)規(guī)律進(jìn)行，是遺傳信息能準(zhǔn)確傳代的基本原理。 復(fù)制保真性的酶學(xué)機(jī)制： （一）DNA-pol的核酸外切酶活性和及時(shí)校讀 （二）復(fù)制

8、的保真性和堿基選擇,（一）DNA-pol的核酸外切酶活性和及時(shí)校讀,A：DNA-pol的外切酶活性切除錯(cuò)配堿基；并用其聚合活性摻入正確配對(duì)的底物。 B：堿基配對(duì)正確， DNA-pol不表現(xiàn)活性。,復(fù)制的保真性和堿基選擇, DNA聚合酶靠其大分子結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)非共價(jià)（氫鍵）與共價(jià)（磷酸二酯鍵）鍵的有序形成。 嘌呤的化學(xué)結(jié)構(gòu)能形成順式和反式構(gòu)型，與相應(yīng)的嘧啶形成氫鍵配對(duì)，嘌呤應(yīng)處于反式構(gòu)型。,1. 遵守嚴(yán)格的堿基配對(duì)規(guī)律； 2. 聚合酶在復(fù)制延長(zhǎng)時(shí)對(duì)堿基的選擇功能； 3. 復(fù)制出錯(cuò)時(shí)DNA-pol的及時(shí)校讀功能。,DNA復(fù)制的保真性至少要依賴三種機(jī)制,復(fù)制中的分子解鏈及DNA 分子拓?fù)鋵W(xué)變化,DNA分子

9、的堿基埋在雙螺旋內(nèi)部，只有把DNA解成單鏈，它才能起模板作用。,2、3、解螺旋酶、引物酶和單鏈DNA結(jié)合蛋白,解螺旋酶(helicase) 利用ATP供能，作用于氫鍵，使DNA雙鏈解開(kāi)成為兩條單鏈 引物酶(primase) 復(fù)制起始時(shí)催化生成RNA引物的酶 單鏈DNA結(jié)合蛋白(single stranded DNA binding protein, SSB) 在復(fù)制中維持模板處于單鏈狀態(tài)并保護(hù)單鏈的完整,（二）DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶(DNA topoisomerase),解鏈過(guò)程中正超螺旋的形成,目 錄,拓?fù)洚悩?gòu)酶作用特點(diǎn) 既能水解 、又能連接磷酸二酯鍵,拓?fù)洚悩?gòu)酶 拓?fù)洚悩?gòu)酶,分 類,拓?fù)洚悩?gòu)酶,

10、切斷DNA雙鏈中一股鏈，使DNA解鏈旋轉(zhuǎn)不致打結(jié)；適當(dāng)時(shí)候封閉切口，DNA變?yōu)樗沙跔顟B(tài)。 反應(yīng)不需ATP。,拓?fù)洚悩?gòu)酶,切斷DNA分子兩股鏈，斷端通過(guò)切口旋轉(zhuǎn)使超螺旋松弛。 利用ATP供能，連接斷端， DNA分子進(jìn)入負(fù)超螺旋狀態(tài)。,作用機(jī)制,目 錄,4、DNA連接酶,連接DNA鏈3-OH末端和相鄰DNA鏈5-P末端，使二者生成磷酸二酯鍵，從而把兩段相鄰的DNA鏈連接成一條完整的鏈。,DNA連接酶(DNA ligase)作用方式,HO,5,3,3,5,DNA連接酶,ATP,ADP,5,3,5,3,目 錄,DNA連接酶在復(fù)制中起最后接合缺口的作用。 在DNA修復(fù)、重組及剪接中也起縫合缺口作用。 也

11、是基因工程的重要工具酶之一。,功能,DNA復(fù)制過(guò)程 The Process of DNA Replication,起始 延長(zhǎng) 終止,（一）復(fù)制的起始,需要解決兩個(gè)問(wèn)題：,1. DNA解開(kāi)成單鏈，提供模板。,2. 合成引物，提供3-OH末端。,一、原核生物的DNA生物合成,E.coli復(fù)制起始點(diǎn) oriC,1. DNA解鏈,Dna A,Dna B、 Dna C,DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶,引物酶,SSB,3,5,3,5,2. 引發(fā)體和引物,含有解螺旋酶、DnaC蛋白、引物酶和DNA復(fù)制起始區(qū)域的復(fù)合結(jié)構(gòu)稱為引發(fā)體。,3,5,3,5,引物是由引物酶催化合成的短鏈RNA分子。,引物,引物酶,（二）復(fù)制的延長(zhǎng),

12、復(fù)制的延長(zhǎng)指在DNA-pol催化下，dNTP以dNMP的方式逐個(gè)加入引物或延長(zhǎng)中的子鏈上，其化學(xué)本質(zhì)是磷酸二酯鍵的不斷生成。,OH 3,3,目 錄,領(lǐng)頭鏈的合成,目 錄,隨從鏈的合成,目 錄,目 錄,復(fù)制過(guò)程簡(jiǎn)圖,目 錄,原核生物基因是環(huán)狀DNA，雙向復(fù)制的復(fù)制片段在復(fù)制的終止點(diǎn)(ter)處匯合。,（三）復(fù)制的終止,隨從鏈上不連續(xù)性片段的連接,滾環(huán)復(fù)制(rolling circle replication),三、滾環(huán)復(fù)制和D環(huán)復(fù)制,是某些低等生物的復(fù)制形式，如X174和M13噬菌體等。,滾環(huán)復(fù)制,目 錄,D環(huán)復(fù)制(D-loop replication),是線粒體DNA (mitochondri

13、al DNA，mtDNA)的復(fù)制形式。,目 錄,哺乳動(dòng)物的細(xì)胞周期,DNA合成期,G1,G2,S,M,二、真核生物的DNA生物合成, 細(xì)胞能否分裂，決定于進(jìn)入S期及M期這兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。G1S及G2M的調(diào)節(jié)，與蛋白激酶活性有關(guān)。 蛋白激酶通過(guò)磷酸化激活或抑制各種復(fù)制因子而實(shí)施調(diào)控作用。, 真核生物每個(gè)染色體有多個(gè)起始點(diǎn)，是多復(fù)制子復(fù)制。復(fù)制有時(shí)序性，即復(fù)制子以分組方式激活而不是同步起動(dòng)。 復(fù)制的起始需要DNA-pol（引物酶活性）和pol（解螺旋酶活性）參與。還需拓?fù)涿负蛷?fù)制因子(replication factor, RF)。 增殖細(xì)胞核抗原(proliferation cell nuclear

14、 antigen, PCNA)在復(fù)制起始和延長(zhǎng)中起關(guān)鍵作用。,（一）復(fù)制的起始,3,5,5,3,領(lǐng)頭鏈,3,5,3,5,親代DNA,隨從鏈,引物,核小體,（二）復(fù)制的延長(zhǎng),染色體DNA呈線狀，復(fù)制在末端停止。 復(fù)制中岡崎片段的連接，復(fù)制子之間的連接。 染色體兩端DNA子鏈上最后復(fù)制的RNA引物，去除后留下空隙。,（三）復(fù)制的終止,5,3,3,5,5,3,3,5,+,5,3,3,3,3,5,5,目 錄,目 錄,切除引物的兩種機(jī)制,目 錄,端粒酶(telomerase),端粒酶RNA (human telomerase RNA, hTR) 端粒酶協(xié)同蛋白(human telomerase asso

15、ciated protein 1, hTP1) 端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶(human telomerase reverse transcriptase, hTRT),組成,端粒酶的催化延長(zhǎng)作用,爬行模型,目 錄,DNA聚合酶復(fù)制子鏈,進(jìn)一步加工,目 錄,逆轉(zhuǎn)錄和其他復(fù)制方式 Reverse Transcription and Other DNA Replication Ways,第四節(jié),逆轉(zhuǎn)錄病毒細(xì)胞內(nèi)的逆轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象,分子生物學(xué)研究可應(yīng)用逆轉(zhuǎn)錄酶，作為獲取基因工程目的基因的重要方法之一，此法稱為cDNA法。,以mRNA為模板，經(jīng)逆轉(zhuǎn)錄合成的與mRNA堿基序列互補(bǔ)的DNA鏈。,試管內(nèi)合成cDNA,cDNA

16、complementary DNA,DNA損傷（突變）與修復(fù) DNA Damage (Mutation) and Repair,第二節(jié),遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)改變而引起的遺傳信息改變，均可稱為突變。,在復(fù)制過(guò)程中發(fā)生的DNA突變稱為DNA損傷(DNA damage)。,從分子水平來(lái)看，突變就是DNA分子上堿基的改變。,一、突變的意義,（一）突變是進(jìn)化、分化的分子基礎(chǔ) （二）突變導(dǎo)致基因型改變 （三）突變導(dǎo)致死亡 （四）突變是某些疾病的發(fā)病基礎(chǔ),二、引發(fā)突變的因素,物理因素 紫外線(ultra violet, UV)、各種輻射,化學(xué)因素,目 錄,三、突變的分子改變類型,錯(cuò)配 (mismatch) 缺失

17、(deletion) 插入 (insertion) 重排 (rearrangement),DNA分子上的堿基錯(cuò)配稱點(diǎn)突變(point mutation)。,（一）錯(cuò)配,鐮形紅細(xì)胞貧血病人Hb (HbS) 亞基,正常成人Hb (HbA)亞基,（二）缺失、插入和框移,缺失：一個(gè)堿基或一段核苷酸鏈從DNA大分子上消失。,插入：原來(lái)沒(méi)有的一個(gè)堿基或一段核苷酸鏈插入到DNA大分子中間。,框移突變是指三聯(lián)體密碼的閱讀方式改變，造成蛋白質(zhì)氨基酸排列順序發(fā)生改變。,缺失或插入都可導(dǎo)致框移突變 。,缺失引起框移突變,（三）重排,DNA分子內(nèi)較大片段的交換，稱為重組或重排。,逆轉(zhuǎn)錄酶(reverse transc

18、riptase),逆轉(zhuǎn)錄(reverse transcription),一、逆轉(zhuǎn)錄病毒和逆轉(zhuǎn)錄酶,二、逆轉(zhuǎn)錄研究的意義,逆轉(zhuǎn)錄酶和逆轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象，是分子生物學(xué)研究中的重大發(fā)現(xiàn)。 逆轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象說(shuō)明：至少在某些生物，RNA同樣兼有遺傳信息傳代與表達(dá)功能。 對(duì)逆轉(zhuǎn)錄病毒的研究，拓寬了20世紀(jì)初已注意到的病毒致癌理論。,由基因重排引起的兩種地中海貧血基因型,目 錄,四、DNA損傷的修復(fù),修復(fù)(repairing) 是對(duì)已發(fā)生分子改變的補(bǔ)償措施，使其回復(fù)為原有的天然狀態(tài)。,光修復(fù)(light repairing) 切除修復(fù)(excision repairing) 重組修復(fù)(recombination repairing) SOS修復(fù),修復(fù)的主要類