第三講DNA與RNA生物合成ppt課件

1、第三講第三講 DNA與與RNA的生物合成的生物合成 DNA是貯藏遺傳信息的最重要的生物大分子。DNA分子中的核苷酸排列順序不但決定了胞內(nèi)所有RNA及蛋白質(zhì)的基本結構，還通過蛋白質(zhì)酶的功能間接控制了細胞內(nèi)全部有效成份的生產(chǎn)、運轉和功能發(fā)揮。貯藏在任何基因中的生物信息都必須首先被轉錄生成RNA，才能夠得到表達。DNA和RNA雖然很相似，只有T或U及核糖的第二位碳原子上有所不同，但它們的生物學活性卻很不同。 RNA主要以單鏈形式存在于生物體內(nèi)，其高級結構很復雜；RNA既擔負著貯藏及轉移遺傳信息的功能，又能作為核酶直接在細胞內(nèi)發(fā)揮代謝功能。 蛋白質(zhì)是生物信息通路上的終產(chǎn)物，一個活細胞在任何發(fā)育階段都需

2、要數(shù)千種不同的蛋白質(zhì)。因此，活細胞內(nèi)時刻進行著各種蛋白質(zhì)的合成、修飾、運轉和降解反應。DNA代謝 無論是只含有一對染色體的原核細胞還是帶有多對染色體的真核細胞，只有整個基因組得到了完整準確的復制，細胞分裂才能順利發(fā)生。所以說，DNA復制的起始，標志了細胞進入一個新的周期。 、DNA復制復制 根據(jù)反應階段和所需的不同酶類，根據(jù)反應階段和所需的不同酶類，DNA的復的復制可被分為三個階段，即復制起始、延伸和制可被分為三個階段，即復制起始、延伸和終止。每個終止。每個DNA復制的獨立單元被稱為復制復制的獨立單元被稱為復制子子replicon），主要包括復制起始位點），主要包括復制起始位點Origine

3、of replication和終止位點和終止位點terminus）。原核生物的整個染色體上一）。原核生物的整個染色體上一般只有一個復制起始位點。般只有一個復制起始位點。 大腸桿菌大腸桿菌DNA的復制需要有的復制需要有20種左右的酶和種左右的酶和蛋白質(zhì)因子參與，整個蛋白質(zhì)因子參與，整個DNA復制機器被稱之復制機器被稱之為為DNA replicase system或或replisome。 原核DNA復制動畫 注:（需軟件支持） Helicase，任何DNA在被復制前都必須解開雙鏈，這個過程是由helicase來完成的，它可在ATP的作用下將DNA母鏈不斷解開形成單鏈。 Topoisomerase，

4、主要功能是消除DNA解鏈過程中所產(chǎn)生的扭曲力。 DNA結合蛋白，使新解鏈的DNA保持穩(wěn)定結構。 Primases，為DNA復制提供RNA引物。 DNA polymerases，合成新生DNA鏈，切除RNA引物。 DNA Ligases，使新生DNA鏈上的缺口3-OH, 5-p生成磷酸二酯鍵。DNA replicase system1. DNA復制的起始 大腸桿菌中的復制起始位點是Ori C，全長245Bp，該序列在所有細菌復制起始位點中都是保守的。(續(xù)表） DNA復制起始中的主要步驟a. 大約20個左右的DnaA蛋白首先與OriC中的4個9堿基重復區(qū)相結合；b. 識別并使3個13堿基串聯(lián)重復區(qū)

5、DNA形成開環(huán)結構；c. DnaB蛋白在DnaC的幫助下與未解鏈序列結合。每六個DnaB蛋白形成一組并與一條DNA母鏈結合，可在不同方向同時起始DNA的復制。當細胞中存在足夠的SSB和DNA gyrase時，DnaB的解鏈效率非常高。 整個DNA復制過程中，只有復制起始受細胞周期的嚴格調(diào)控。 Once in each cell cycle。 DNA甲基化與DNA復制起始密切相關。OriC中有11個GATC回文結構一般說來，256bp才應有一個GATC重復）。DNA子鏈被合成后，母鏈立即被甲基化稱為hemimethylated）。此時，oriC與細胞原生質(zhì)膜相結合。只有當oriC被從膜上釋放出來

6、，子鏈被Dam甲基化后，才能有效地與DnaA蛋白結合，起始新一輪的DNA復制。復制起始可能還受ATP水解過程調(diào)控，因為DnaA只有與ATP相結合時才能與oriC區(qū)DNA相結合。 2. DNA子鏈的延伸 主要包括兩個不同但相互有聯(lián)系的事件，即前導鏈和滯后鏈的合成。由DNA helicase解開雙螺旋，由拓樸異構酶消除DNA鏈上的扭曲力，SSB結合使DNA單鏈穩(wěn)定。 前導鏈的合成：由DnaGprimase在復制起始位點附近合成一個10-60 nt的RNA引物，然后由polII把dNTP加到該引物上。 滯后鏈的合成：產(chǎn)生Okazaki fragments，消除RNA引物并由DNA pol I補上這一

7、小段DNA序列，由DNA Ligase把兩個片段相連。3. DNA鏈的終止 當子鏈延伸達到terminus regionter，帶有多個20bp序列時，DNA復制就終止了。Ter有點像一個陷井trap），使復制叉只能進入，不能出來。Ter的功能主要是由Ter-Tus復合物ter utilization substance來完成的。4. 真核細胞DNA的復制比大腸桿菌更復雜 真核生物的origin of replication被稱為ARS-autonomously replicating sequences或者被稱為replicators。Yeast replicators長約150dp，有多個

8、保守重復區(qū)，共有約500個replicators分布于酵母的17條染色體中。、DNA的損傷修復的損傷修復 1 錯配修復mismatch Repair） 錯配修復對DNA復制忠實性的貢獻力達102-103，DNA子鏈中的錯配幾乎完全都被修正，充分反映了母鏈的重要性。2. 堿基切除修復Base-Excision Repair） DNA gylcosylases能特異性識別常見的DNA損傷如胞嘧啶或腺嘌呤去氨?；a(chǎn)物并將受損害堿基切除。去掉堿基后的核苷酸被稱為AP位點apurinic or apyrimidinic）。細胞中最常見的Uracil Glycosylase就能特異性切除細胞中的去氨基胞嘧

9、啶。3. 核苷酸切除修復nucleotide-excision repair） 當DNA鏈上相應位置的核苷酸發(fā)生損傷，導致雙鏈之間無法形成氫鍵，由核苷酸切除修復系統(tǒng)負責進行修復。4.DNA的直接修復Direct repair） 、DNA的轉座的轉座 DNA的轉座，或稱移位transposition），是由可移位因子transposable element介導的遺傳物質(zhì)重排現(xiàn)象。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)轉座這一命名并不十分準確，因為在轉座過程中，可移位因子的一個拷貝常常留在原來位置上，在新位點上出現(xiàn)的僅僅是拷貝。因此，轉座有別于同源重組，它依賴于DNA的復制。 a. 簡單轉座子 轉座子transposon，Tn

10、是存在于染色體DNA上可自主復制和移位的基本單位。 最簡單的轉座子不含有任何宿主基因而常被稱為插入序列insertion sequence，IS），它們是細菌染色體或質(zhì)粒DNA的正常組成部分。一個細菌細胞常帶有少于10個IS序列。轉座子常常被定位到特定的基因中，造成該基因突變。IS序列都是可以獨立存在的單元，帶有介導自身移動的蛋白。 b.復合式轉座子composite transposon是一類帶有某些抗藥性基因或其他宿主基因的轉座子，其兩翼往往是兩個相同或高度同源的IS序列，表明IS序列插入到某個功能基因兩端時就可能產(chǎn)生復合轉座子。一旦形成復合轉座子，IS序列就不能再單獨移動，因為它們的功能

11、被修飾了，只能作為復合體移動。2、轉座作用的機制 轉座時發(fā)生的插入作用有一個普遍的特征，那就是受體分子中有一段很短的3-12bp）、被稱為靶序列的DNA會被復制，使插入的轉座子位于兩個重復的靶序列之間。不同轉座子的靶序列長度不同，但對于一個特定的轉座子來說，它所復制的靶序列長度都是一樣的，如IS1兩翼總有9個堿基對的靶序列，而Tn3兩端總有5bp的靶序列。 轉座可被分為復制性和非復制性兩大類。在復制性轉座中，所移動和轉位的是原轉座子的拷貝。轉座酶transposase和解離酶resolvase分別作用于原始轉座子和復制轉座子。TnA類轉座主要是這種形式。在非復制性轉座中，原始轉座子作為一個可移

12、動的實體直接被移位，IS序列、Mu及Tn5等都以這種方式進行轉座。3.轉座作用的遺傳學效應 轉座引起插入突變; 轉座產(chǎn)生新的基因; 轉座產(chǎn)生的染色體畸變; 轉座引起的生物進化.RNA代謝代謝 除了某些RNA病毒之外，所有RNA分子都來自于DNA?；蚪MDNA通過一個被稱為轉錄的過程把貯存在雙鏈DNA分子中的遺傳信息轉換到與模板DNA鏈相互補的RNA單鏈上。 mRNA，編碼了一個或多個蛋白質(zhì)序列； tRNA，把mRNA上的遺傳信息變?yōu)槎嚯闹械?氨基酸信息； rRNA，是合成蛋白質(zhì)的工廠核糖體中的主要成份。 原核DNA轉錄注：(需要軟件支持) 轉錄 1 依賴于DNA的RNA合成 從DNA合成反應的

13、化學本質(zhì)、極性和模板的使用這三方面來說，轉錄與復制是相同的。但是，也存在三個主要不同點： A 轉錄中不需要RNA引物； B轉錄反應一般只用一小段DNA做模板； C在轉錄區(qū)，一般都只有一條DNA鏈可以作為模板。 2.RNA合成的終止 一旦RNA聚合酶啟動了基因轉錄，它就會沿著模板53方向不停地移動，合成RNA鏈，直到遇到終止信號時才釋放新生的RNA鏈，并與模板DNA脫離。 研究RNA鏈終止時遇到最常見的問題是3端核苷酸的定位，因為活細胞內(nèi)部根據(jù)終止信號正確終止的RNA與一個經(jīng)過剪接的RNA在3端沒有兩樣，都是-OH基團。模板DNA上都有終止轉錄的特殊信號-終止子，每個基因或操縱子都有一個啟動子，

14、一個終止子。在新生RNA中出現(xiàn)發(fā)卡式結構會導致RNA聚合酶的暫停，破壞RNA-DNA雜合鏈5端的正常結構。寡聚U的存在使雜合鏈的3端部分出現(xiàn)不穩(wěn)定的rUdA區(qū)域。 a. 依賴于因子的終止 因子是一個相對分子質(zhì)量為2.0105的六聚體蛋白，它能水解各種核苷三磷酸，實際上是一種NTP酶。由于催化了NTP的水解，因子能促使新生的RNA鏈從三元轉錄復合物中解離出來，從而終止轉錄。 有人認為，在RNA合成起始以后，因子即附著在新生的RNA鏈上，靠ATP水解產(chǎn)生的能量，沿著53方向朝RNA聚合酶移動，到達RNA的3-OH端后取代了暫停在終止位點上的RNA聚合酶，并從模板和酶上釋放RNA，完成轉錄過程。終止

15、過程需要消耗能量，所以，因子具有終止轉錄和核苷三磷酸酶兩種功能。 b、不依賴于 因子的終止 若終止點上游存在一個富含GC堿基的二重對稱區(qū)，由這段DNA轉錄產(chǎn)生的RNA容易形成發(fā)卡式結構；在終止點前面有一段由4-8個A組成的序列，導致轉錄產(chǎn)物的3端為寡聚U。這兩種結構特征的存在同樣決定了轉錄的終止。 在新生RNA中出現(xiàn)發(fā)卡式結構會導致RNA聚合酶的暫停，破壞RNA-DNA雜合鏈5端的正常結構。寡聚U的存在使雜合鏈的3端部分出現(xiàn)不穩(wěn)定的rUdA區(qū)域。 3.RNA聚合酶II及轉錄因子在啟動子上的裝配 TFH還參與DNA的損傷修復。當RNA pol轉錄過程中碰到受損傷的核苷酸時，TFH能及時啟動核苷酸切除修復系統(tǒng)，將損傷修復。Actinomycin D和Acridine阻斷RNA鏈的延伸3.RNA的加工成熟 所以，RNA加工成熟主要包括：5加帽子結構