10+Chapter+10+Metabolism+of+Nucleic+Acid+.ppt

1、2020/8/2,1,第10章 核酸的代謝,Chapter 10 Nucleic Acid Metabolism,2020/8/2,2,核酸,種類,分布,性質(zhì),結(jié)構(gòu),功能,復(fù)制,遺傳信息 傳遞、表達(dá),核酸概況,基因表達(dá) 調(diào)控,轉(zhuǎn)錄,翻譯,基因突變與 重組,研究 方法,2020/8/2,3,第10章 核酸的代謝,(一)DNA的半保留復(fù)制 (二)RNA的逆轉(zhuǎn)錄(三)PCR技術(shù) (四)DNA損傷的修復(fù) (五)DNA的突變 三、RNA的生物合成和加工 (一)RNA的轉(zhuǎn)錄 (二)RNA轉(zhuǎn)錄的抑制 (三)hnRNA的加工,一、 核酸降解和核苷酸代謝 (一)核酸和核苷酸的分解代謝 (二)核苷酸合成的前體物質(zhì)

2、 (三)堿基中各原子的來(lái)源 (四)嘌呤核苷酸的合成 (五)嘧啶核苷酸的合成 (六)脫氧核糖核苷酸的還原合成 二、 DNA的復(fù)制和修復(fù),2020/8/2,4,（一）核酸和核苷酸的分解代謝,1、核酸的降解作用,戊糖代謝,進(jìn)一步分解,3,5-磷酸二酯鍵,2020/8/2,5,2、核酸水解酶類核酸水解酶類（）,核酸酶催化核酸中磷酸二酯鍵水解的酶類。 核糖核酸酶（ribonucleases, RNases） 脫氧核糖核酸酶（deoxyribonucleases, DNases）只作用于DNA的核酸酶。 外切核酸酶(exonuclease)切割多核苷酸鏈末端核苷酸殘基的磷酸二酯鍵的酶。 內(nèi)切核酸酶(end

3、onuclease)可以在多核苷酸鏈內(nèi)不同位置水解磷酸二酯堿的酶類。 水解結(jié)果：5-單磷酸和一個(gè) 3 -羥基； 3 -單磷酸和一個(gè) 5-羥基。,2020/8/2,6,核酸水解酶類（）,限制性內(nèi)切酶（restriction endonucleases） 型限制性內(nèi)切酶既催化宿主DNA的甲基化，又切割沒(méi)有甲基化的DNA. 型限制性內(nèi)切酶只具有核酸酶的活性。 限制性甲基化酶（ restriction methylases ）催化在同一識(shí)別序列處堿基的甲基化。 半甲基化DNA剛復(fù)制時(shí)，只有一條鏈上的堿基被甲基化的現(xiàn)象。 回文結(jié)構(gòu)雙螺旋結(jié)構(gòu)的DNA,其5 3方向核苷酸殘基序列相同的現(xiàn)象。 粘性末端限制性

4、內(nèi)切酶將DNA雙鏈切開(kāi)，形成的兩條單鏈互補(bǔ)的末端。,2020/8/2,7,磷酸二酯酶對(duì)核酸的水解位置,2020/8/2,8,3、核苷酸的水解,磷酸單酯酶專一性差，對(duì)一切核苷酸都能作用。 核苷酸酶指專一性強(qiáng)的磷酸單酯酶，只水解3 -核苷酸或 5-核苷酸的酶分別稱作 3 -核苷酸酶或5-核苷酸酶。 分解核苷的酶有核苷磷酸化酶和核苷水解酶兩類。核苷磷酸化酶分解核苷生成含氮堿基和戊糖磷酸酯；核苷水解酶分解核苷形成含氮堿基和戊糖。,2020/8/2,9,4、嘌呤堿的分解,AMP和GMP降解至尿酸的途徑,2020/8/2,10,5、嘧啶堿的分解,三種嘧啶核苷酸降解至尿嘧啶和胸腺嘧啶,2020/8/2,11

5、,尿嘧啶和胸腺嘧啶分別降解至乙酰CoA和琥珀酰CoA,2020/8/2,12,（二）核苷酸合成的前體物質(zhì),2020/8/2,13,（三）堿基中各原子的來(lái)源,2020/8/2,14,（四）嘌呤核苷酸的合成,1、嘌呤的從頭合成途徑 （1）次黃嘌呤核苷酸的合成途徑 （2） IMP轉(zhuǎn)換為AMP和GMP （3）嘌呤核苷酸從頭合成途徑的調(diào)控 2、嘌呤核苷酸合成的補(bǔ)救途徑,2020/8/2,15,四、嘌呤核苷酸的合成 1）次黃嘌呤的合成,(1)次黃嘌呤核苷酸的合成途徑,2020/8/2,16,(2)IMP轉(zhuǎn)換為AMP和GMP,2020/8/2,17,(3)嘌呤核苷酸從頭合成途徑的調(diào)控,嘌呤核苷酸合成的調(diào)控,

6、2020/8/2,18,2、嘌呤核苷酸合成的補(bǔ)救途徑,2020/8/2,19,（五）嘧啶核苷酸的合成1、嘧啶核苷酸的從頭合成途徑,2020/8/2,20,2、CTP的合成,2020/8/2,21,（六）脫氧核糖核苷酸的還原合成1、核糖核苷二磷酸還原生成脫氧核糖核苷二磷酸,2020/8/2,22,2、dUMP合成dTMP,氨基蝶呤結(jié)構(gòu)類 似于4FH,為4FH 的競(jìng)爭(zhēng)抑制劑,2020/8/2,23,二、DNA的復(fù)制和修復(fù),Replication and Repair of DNA,2020/8/2,24,導(dǎo) 言,DNA 是遺傳信息分子，生物體的遺傳特征以密碼（code）的形式編碼在DNA分子上，表

7、現(xiàn)為特定的核苷酸排列順序；并且通過(guò)DNA的復(fù)制（replication）,把遺傳信息由親代傳給子代。在后代的個(gè)體發(fā)育過(guò)程中，遺傳信息自DNA轉(zhuǎn)錄(transcription)給RNA,然后通過(guò)RNA翻譯（translation）成特異的蛋白質(zhì)，以執(zhí)行各種生物功能，使后代表現(xiàn)出與親代相似的遺傳性狀。 *在某些情況下，RNA也可以是遺傳信息的基因攜帶者。,2020/8/2,25,導(dǎo) 言,DNA replication:就是指以原來(lái)的DNA分子為模板（template）合成出相同分子的過(guò)程。 Transcription:就是在DNA分子上合成出與其核苷酸順序相對(duì)應(yīng)的RNA的過(guò)程。 Translati

8、on:就是在RNA控制下，根據(jù)核苷酸鏈上的每三個(gè)核苷酸決定一種氨基酸（三聯(lián)體密碼）的規(guī)則，合成具有特定氨基酸順序的蛋白質(zhì)肽鏈的過(guò)程。 Triplet code:決定一種氨基酸的三個(gè)相連的核苷酸序列的順序。,2020/8/2,26,（一）DNA的復(fù)制,1、原核生物的DNA復(fù)制 染色體與質(zhì)粒復(fù)制 2、線粒體與葉綠體DNA的復(fù)制 3、病毒遺傳物質(zhì)DNA或RNA的復(fù)制 4、真核生物DNA的自我復(fù)制(self-replication),2020/8/2,27,（一）DNA的復(fù)制,DNA合成特點(diǎn)： 1.精確的進(jìn)行自我復(fù)制（self-replication）； 2.合成所需時(shí)間無(wú)誤； 3.DNA聚合酶催化整

9、個(gè)基因組的復(fù)制過(guò)程； 4.DNA的復(fù)制是半保留復(fù)制（semiconservative replication）。 5.DNA 的復(fù)制是雙向同時(shí)進(jìn)行和半不連續(xù)(semidiscontinuty)的。 6.DNA的復(fù)制方向是53方向。,2020/8/2,28,1.精確的進(jìn)行自我復(fù)制（self-replication） DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型,(1)右手雙螺旋，5 3, 3 5 (2)A T, G C (3)交替的脫氧核糖和帶負(fù)電荷的磷酸基團(tuán)位于雙螺旋的外側(cè)，糖環(huán)與堿基間幾乎垂直。 (4)堿基位于雙螺旋內(nèi)側(cè),與螺旋長(zhǎng)軸垂直。 (5)雙螺旋直徑2（2.37）nm; 相鄰堿基對(duì)距離為0.34（0.33）

10、nm, 夾角36（34.6） (6)每一個(gè)螺旋共有十個(gè)堿基對(duì)，螺距為3.4nm (7)具有深（大）溝和淺（?。?。,2020/8/2,29,2.合成所需時(shí)間無(wú)誤復(fù)制時(shí)間：,因?yàn)閺?fù)制時(shí)，復(fù)制叉的移動(dòng)速度大約為1 kbp/s，所以： 人的基因組堿基對(duì)數(shù)：3109堿基對(duì)（bps）；全部復(fù)制時(shí)間則約8小時(shí)； E. coli的堿基對(duì)數(shù)：5106 bps,全部復(fù)制完的時(shí)間則約38分鐘。,2020/8/2,30,4.DNA的半保留復(fù)制（semiconservative replication）。,Semiconservative replication:在DNA分子進(jìn)行復(fù)制的過(guò)程中，每個(gè)子代分子的新鏈合成都

11、以一條來(lái)自親代的母鏈為模板合成，結(jié)果得到的每個(gè)DNA分子的兩條鏈，一條來(lái)自親代DNA，另一條為新合成的。這種復(fù)制方式即稱作半保留復(fù)制。,2020/8/2,31,（1）DNA的半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)證明,A. Meselson Stahl 實(shí)驗(yàn),B. 放射自顯影實(shí)驗(yàn)通過(guò)放射劑量的計(jì)算來(lái)推斷。,2020/8/2,32,（2）DNA的雙向復(fù)制,2020/8/2,33,的半不連續(xù)復(fù)制,2020/8/2,34,（3）DNA聚合酶 (DNA polymerase),以完整DNA鏈作為模板，催化核苷酸加到一個(gè)正在延伸的DNA鏈上，從而合成一條互補(bǔ)的DNA鏈的酶。 斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院Arthur Kornberg 在

12、1956年發(fā)現(xiàn)DNA聚合酶I.,2020/8/2,35,（3）DNA聚合酶,*還有5 3外切酶的活性。,2020/8/2,36,（3）DNA聚合酶,2020/8/2,37,（4）DNA兩條鏈的合成,1、前導(dǎo)鏈（leading strand）:在DNA的復(fù)制過(guò)程中，新鏈聚合方向?yàn)? 3，即復(fù)制方向與復(fù)制叉移動(dòng)方向相同的連續(xù)合成的子鏈。 2、滯后鏈（lagging strand）:以5 3的親鏈為模板，先以5 3方向合成不連續(xù)的短DNA片段，最后在DNA pol I的作用下連接成長(zhǎng)的子鏈。 3、岡崎片段（okanzaki fragment）:DNA合成中，滯后鏈合成時(shí)出現(xiàn)的小的DNA片段，長(zhǎng)度在1

13、0002000核苷酸殘基。 4、復(fù)制叉整體向一個(gè)方向延伸（速度1000bps/s）。,2020/8/2,38,（5）岡崎片段的合成岡崎實(shí)驗(yàn),1968年，岡崎等人 材料：噬菌體感染的大腸桿菌 含有3H標(biāo)記的胸苷培養(yǎng)基 測(cè)定結(jié)果： 在短時(shí)間內(nèi)，新合成的DNA鏈中，有標(biāo)記了的小片段DNA；時(shí)間長(zhǎng)后，則連成大片段的DNA .,2020/8/2,39,合成過(guò)程：a. 岡崎片段合成的開(kāi)始,引發(fā)酶催化合成一個(gè)與滯后模板鏈互補(bǔ)的約1012個(gè)核苷酸的RNA 片段(約每秒一個(gè))RNA引物。,2020/8/2,40,b. RNA的切除及岡崎片段的延伸,DNA pol I 以其5 3外切酶活性去除RNA引物，同時(shí)填充

14、在岡崎片段的空缺部位，將一個(gè)新的脫氧核苷酸加到新的DNA鏈的3端，從而使得切口沿滯后鏈移動(dòng)，完成10或12個(gè)脫氧核苷酸的聚合，脫離。 岡崎片段之間的這種同時(shí)合成和降解的過(guò)程稱為切口平移（nick translation）. DNA連接酶催化連接DNA pol I 留下的片段之間的缺口。,2020/8/2,41,（6）復(fù)制叉移動(dòng)的多酶復(fù)合物,2020/8/2,42,（7）DNA合成的起始,E. coli的DNA復(fù)制起始點(diǎn)為一個(gè)稱作oriC的遺傳位點(diǎn)。 oriC區(qū)組成（245bps）4 copies重復(fù)序列（TTATCCACA）+ 3 copies 富含A-T序列 (GATCTNTTNTTTT),

15、2020/8/2,43,（8）DNA合成的終止,E. coli的復(fù)制終止在ter(minus)區(qū)，600bps. 由ter A, ter B, ter C, ter D、 ter E和ter F六個(gè)DNA序列構(gòu)成陷阱區(qū)，使得復(fù)制叉能進(jìn)不能出。 Ter F、ter B和 ter C構(gòu)成順時(shí)針復(fù)制叉陷阱; ter A, ter D, ter E構(gòu)成反時(shí)針復(fù)制叉陷阱 陷阱區(qū)是終止子利用物質(zhì)（Tus）蛋白質(zhì)的接合部位。Tus-ter復(fù)合物形成，即可以通過(guò)阻止解旋酶解旋來(lái)封閉復(fù)制叉的通路。 Tus-ter復(fù)合物質(zhì)捕捉來(lái)自一個(gè)方向的復(fù)制叉，以使得兩個(gè)復(fù)制叉能夠碰頭。,2020/8/2,44,（二）RNA的

16、逆轉(zhuǎn)錄(reverse transciption),逆轉(zhuǎn)錄病毒的基因組是RNA分子，感染宿主細(xì)胞后，逆轉(zhuǎn)錄生成DNA分子，逆轉(zhuǎn)錄生成的DNA分子被立刻轉(zhuǎn)錄生產(chǎn)更多的病毒RNA，或與宿主細(xì)胞的DNA結(jié)合，潛伏于宿主后代中。 逆轉(zhuǎn)錄酶(reverse transciptase)：具有RNaseH活性，即降解RNA活性和DNA聚合酶活性,2020/8/2,45,（三）PCR技術(shù)（略）,PCR (polymerase chain reaction)聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。 1985年Kary Mullis發(fā)明，獲得1993年諾貝爾獎(jiǎng)。,2020/8/2,46,（三）PCR技術(shù),關(guān)鍵酶Taq polymeras

17、e， Taq 聚合酶。具有熱穩(wěn)定性，在7075時(shí)具有最高生物活性。 過(guò)程： （DNA + 引物）加熱（ 95 ，變性，單鏈）、冷卻（退火）、保溫（延伸） 結(jié)果：n次后，得到 2n DNA.,2020/8/2,47,（四）DNA損傷的修復(fù),1. DNA損傷的修復(fù)的必要性 減少生物體的突變危險(xiǎn)。 DNA指導(dǎo)生物必需分子的合成，如果DNA缺陷積累，將導(dǎo)致細(xì)胞功能紊亂，甚至致死。 DNA損傷與突變的區(qū)別： DNA損傷形式多樣，但發(fā)生在生物體內(nèi)的許多DNA損傷是可以修復(fù)的，只有嚴(yán)重的損傷才會(huì)致死。 逃過(guò)修復(fù)的損傷才會(huì)造成突變。 突變是DNA核苷酸序列的可遺傳變化，是遺傳信息的永久改變。,2020/8/2

18、,48,DNA損傷形式：,包括: 堿基修飾 核苷酸刪除和插入 DNA鏈的交聯(lián) 胸腺嘧啶二聚體的形成 以及磷酸二酯鍵骨架的斷裂等。,2020/8/2,49,2、DNA的損傷原因,化學(xué)誘變劑、u.v.造成：N-糖苷鍵水解、鳥苷或腺苷自發(fā)脫嘌呤形成脫氧核糖、胞嘧啶脫氨形成尿嘧啶（往往自發(fā)發(fā)生）（人體內(nèi)每天有103/109bp發(fā)生脫嘌呤） 。 離子輻射、u.v.造成：胸腺嘧啶二聚體。導(dǎo)致含胸腺嘧啶的鏈上DNA骨架的結(jié)構(gòu)改變，可能引起與互補(bǔ)鏈上的相應(yīng)的腺嘌呤殘基之間的氫鍵斷裂。 自然突變率：1 gene / 105106細(xì)胞代。 突變生物學(xué)意義之一：進(jìn)化的驅(qū)動(dòng)力，取決于DNA修復(fù)和基因的多樣性之間的精細(xì)

19、平衡。,2020/8/2,50,3、DNA的修復(fù),DNA的修復(fù)類型： 直接修復(fù)(direct repair) 切除修復(fù)(excision repair) 錯(cuò)配修復(fù)(mismacth repair) 重組修復(fù)(recombination repair) 易錯(cuò)修復(fù)(erro-prone repair): ,2020/8/2,51,1）直接修復(fù)：,I.光復(fù)合酶的修復(fù)：結(jié)合到胸腺嘧啶二聚體引起扭曲的雙螺旋部位，在可見(jiàn)光(400nm)存在下，光復(fù)合酶催化兩個(gè)胸腺嘧啶堿基的分解，正常的A-T堿基對(duì)重新形成，光復(fù)合酶脫落。 II.甲基轉(zhuǎn)移酶的修復(fù)修復(fù)烷基化損傷的DNA，烷基化的堿基化會(huì)改變堿基的配對(duì)性質(zhì)。如

20、甲基化的鳥嘌呤在O6-甲基鳥嘌呤-DNA甲基轉(zhuǎn)移酶作用下，將這特殊的烷基化堿基的甲烷基轉(zhuǎn)移到該酶的一個(gè)半胱氨酸巰基上，酶則失活；該失活酶又刺激該轉(zhuǎn)移酶基因表達(dá)產(chǎn)生新的烷基轉(zhuǎn)移修復(fù)酶,2020/8/2,52,2）切除修復(fù),(1)核苷酸的切除修復(fù)： ABC切除核酸酶將損傷部位兩側(cè)切取含有損傷的DNA鏈，形成一個(gè)單鏈缺口；DNA聚合酶按照互補(bǔ)鏈接口重新形成DNA鏈；DNA連接酶將新鏈與原來(lái)的鏈連接。,核苷酸的切除修復(fù),2020/8/2,53,(2)堿基切除修復(fù),DNA糖基化酶能識(shí)別DNA中的尿嘧啶、次黃嘌呤和黃嘌呤等不正確堿基。它們分別由胞嘧啶、腺嘌呤和鳥嘌呤分別脫氨形成。 DNA糖基化酶切除它們的

21、N-糖苷鍵，形成一個(gè)核苷酸空隙，DNA聚合酶重新聚合正確的核苷酸，DNA連接酶將切口封閉。,2020/8/2,54,3)錯(cuò)配修復(fù),對(duì)DNA復(fù)制過(guò)程中的偶然錯(cuò)誤堿基配對(duì)，E. coli由MutS, MutH和MutL系統(tǒng)校正。該系統(tǒng)只能校正新合成的DNA。 依據(jù)：新合成的鏈中GATC序列中的A開(kāi)始未被甲基化，而模板鏈的已經(jīng)甲基化,造成甲基錯(cuò)配。MutS能識(shí)別錯(cuò)配堿基， MutS-MutH-MutL復(fù)合物形成；突變的鏈被解旋酶和內(nèi)切核酸酶切去，切除方向與錯(cuò)配堿基的相對(duì)位置有關(guān)；然后按甲基化的親本鏈重新合成和連接。,2020/8/2,55,4）重組修復(fù),2020/8/2,56,5)應(yīng)急反應(yīng)(SOS)

22、和易錯(cuò)修復(fù),由能造成DNA損傷或抑制復(fù)制的處理引起的一系列復(fù)雜的誘導(dǎo)效應(yīng)，稱為應(yīng)急反應(yīng)(SOS response)。 SOS反應(yīng)包括誘導(dǎo)DNA損傷修復(fù)、誘變效應(yīng)、細(xì)胞分裂的抑制以及溶原性細(xì)菌釋放噬菌體等等。 Weigle效應(yīng)(in 1950s):用紫外線照射過(guò)的噬菌體感染事先經(jīng)低劑量紫外線照射的大腸桿菌，存活的噬菌體數(shù)便大為增加，而且存活的噬菌體中出現(xiàn)較多的突變型。如果感染的是未經(jīng)u.v.照射的細(xì)菌，那么存活率和變異率都較低的現(xiàn)象。 SOS反應(yīng)誘導(dǎo)的修復(fù)系統(tǒng)包括避免差錯(cuò)的修復(fù)(error free repair)和易產(chǎn)生差錯(cuò)的修復(fù)(errorprone repair)兩類。,2020/8/2,

23、57,不經(jīng)誘導(dǎo)和SOS反應(yīng)修復(fù)的不同：,錯(cuò)配修復(fù)、直接修復(fù)、切除修復(fù)和重組修復(fù)能夠識(shí)別DNA的損傷或錯(cuò)配堿基而加以消除，在它們的修復(fù)過(guò)程中并不明顯引入錯(cuò)配堿基，因此屬于避免差錯(cuò)的修復(fù)。 SOS反應(yīng)能誘導(dǎo)切除修復(fù)和重組修復(fù)中某些關(guān)鍵酶和蛋白質(zhì)的產(chǎn)生，使這些酶和蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的含量升高，從而加強(qiáng)切除修復(fù)和重組修復(fù)的能力。此外，SOS反應(yīng)還能誘導(dǎo)產(chǎn)生缺乏校對(duì)功能的DNA聚合酶，它能在DNA損傷部位進(jìn)行復(fù)制而避免了死亡，可是卻帶來(lái)了高的變異率。,2020/8/2,58,DNA聚合酶I與DNA聚合酶和V,DNA聚合酶I具有3核酸外切酶活性而表現(xiàn)出校對(duì)功能，它在DNA損傷部位進(jìn)行復(fù)制時(shí)，由于新合成鏈的核苷

24、酸不能和模板鏈的堿基配對(duì)而被切除，再次引入的核苷酸如還不能配對(duì)仍將被切除，這樣DNA聚合酶就會(huì)在原地打轉(zhuǎn)而不前進(jìn)，或是脫落下來(lái)使DNA鏈的合成中止。 SOS誘導(dǎo)產(chǎn)生DNA聚合酶和V，它們不具有3核酸外切酶校正功能，于是在DNA鏈的損傷部位即使出現(xiàn)不配對(duì)堿基，復(fù)制仍能繼續(xù)前進(jìn)。 生物生存的應(yīng)對(duì)策略： SOS反應(yīng)中允許錯(cuò)配修復(fù)可增加存活的機(jī)會(huì)。 SOS反應(yīng)使細(xì)菌的細(xì)胞分裂受到抑制，結(jié)果長(zhǎng)成絲狀體的生理意義：可能是在DNA復(fù)制受到阻礙的情況下避免因細(xì)胞分裂而產(chǎn)生不含DNA的細(xì)胞，或者使細(xì)胞有更多進(jìn)行重組修復(fù)的機(jī)會(huì)。 SOS反應(yīng)主要包括兩個(gè)方面：DNA修復(fù)和導(dǎo)致變異。,2020/8/2,59,（四）D

25、NA損傷的修復(fù),4、修復(fù)系統(tǒng)缺陷： Fanconi貧血病：外切酶或連接酶活性低，表現(xiàn)為一種惡性腫瘤，機(jī)體對(duì)誘變劑的敏感性增加。 Cockayne綜合癥：修復(fù)缺陷，引起光敏感性，病人生長(zhǎng)慢，智力發(fā)育遲鈍，侏儒癥。 著色性干皮?。╔P）：光復(fù)活酶缺陷、或DNA糖基化酶缺陷，或兩種解旋酶缺陷等。患者皮膚和眼睛對(duì)紫外光極端敏感，身體曝光部位有雀斑樣色素沉著，易患皮膚癌。,2020/8/2,60,（四）DNA損傷的修復(fù),4、修復(fù)系統(tǒng)缺陷 重組修復(fù)機(jī)制缺陷，有可能導(dǎo)致癌癥。 例： 婦女的Brca 1和Brca 2兩個(gè)基因如果有缺陷，80的概率可能會(huì)發(fā)生乳腺癌。實(shí)驗(yàn)表明，這兩個(gè)基因編碼的蛋白質(zhì)BRCAl和B

26、RCA2可以與重組蛋白R(shí)ad51相作用，很可能是參與重組修復(fù)過(guò)程。,2020/8/2,61,（五）DNA的突變,DNA作為遺傳物質(zhì)的三個(gè)功能： 1、是通過(guò)復(fù)制將遺傳信息由親代傳遞給子代； 2、是通過(guò)轉(zhuǎn)錄使遺傳信息在子代得以表達(dá)； 3、是通過(guò)變異在自然選擇過(guò)程中獲得新的遺傳信息。 變異是DNA的核苷酸序列改變的結(jié)果，它包括由于DNA損傷和錯(cuò)配得不到修復(fù)而引起的突變，以及由于不同DNA分子之間的交換而引起的遺傳重組。,2020/8/2,62,1、 突變的類型,1）堿基對(duì)的置換 (substitution) 2）移碼突變 (frame shift mutation),2020/8/2,63,1）堿基

27、對(duì)的置換(substitution),置換(substitution)* DNA錯(cuò)配堿基在復(fù)制后被固定下來(lái)，由原來(lái)的一個(gè)堿基對(duì)被另一堿基對(duì)所取代，又稱為點(diǎn)突變。 堿基對(duì)置換包括轉(zhuǎn)換和顛換兩種類型： 轉(zhuǎn)換(transition)兩種嘧啶之間互換，或兩種嘌呤之間互換。 顛換(transversion)在嘌呤與嘧啶之間，或嘧啶與嘌呤之間的互換。 易錯(cuò)修復(fù)可以發(fā)生顛換。,嘌呤,嘧啶,嘧啶,轉(zhuǎn)換,顛換,顛換,顛換,嘌呤,顛換,2020/8/2,64,1、突變的類型,三聯(lián)體密碼子發(fā)生突變導(dǎo)致蛋白質(zhì)中原來(lái)的氨基酸被另一種氨基酸取代，稱為錯(cuò)義突變(missense mutation)。 同義突變(missen

28、se mutation)三聯(lián)體密碼子發(fā)生突變,但是氨基酸沒(méi)有變化的突變。 當(dāng)氨基酸密碼子變?yōu)榻K止密碼子時(shí)，稱為無(wú)義突變(nonsense mutation)，它導(dǎo)致翻譯提前結(jié)束而常使產(chǎn)物失活。,2020/8/2,65,2移碼突變(frame shift mutation),移碼突變(frame shift mutation)由于一個(gè)或多個(gè)非三整倍數(shù)的核苷酸對(duì)插入(insertion)或缺失(deletion)，而使編碼區(qū)該位點(diǎn)后的三聯(lián)體密碼子閱讀框架改變，導(dǎo)致后面的氨基酸都發(fā)生錯(cuò)誤。 通常該基因產(chǎn)物會(huì)完全失活；如出現(xiàn)終止密碼子則使翻譯提前結(jié)束。,2020/8/2,66,2、誘變劑的作用,在自然

29、條件下發(fā)生的突變稱為自發(fā)突變(spontaneous mutation)。 自發(fā)的突變率是非常低的，大腸桿菌和果蠅的基因突變率都在10-10左右。 能夠提高突變率的物理或化學(xué)因子稱為誘變劑(mutagen)。,2020/8/2,67,2、誘變劑的作用,最常見(jiàn)的誘變劑有以下幾類： 堿基類似物(base analog) 堿基的修飾劑 嵌入染料 u.v.和電離輻射,2020/8/2,68,（1）堿基類似物(base analog),堿基類似物引起的突變：與DNA正常堿基結(jié)構(gòu)類似的化合物，能在DNA復(fù)制時(shí)取代正常堿基摻入并與互補(bǔ)鏈上堿基配對(duì)。 這些類似物易發(fā)生互變異構(gòu)(tautomerization)

30、，在復(fù)制時(shí)改變配對(duì)的堿基，于是引起堿基對(duì)的置換。 所有堿基類似物引起的置換都是轉(zhuǎn)換，而不是顛換。,2020/8/2,69,（1）堿基類似物(base analog),例1：5溴尿嘧啶(BU)是胸腺嘧啶的類似物，在通常情況下它以酮式(keto)結(jié)構(gòu)存在，能與腺嘌呤配對(duì)；但它有時(shí)以烯醇式(enol)結(jié)構(gòu)存在，與鳥嘌呤配對(duì)。5溴尿嘧啶中溴原子負(fù)電性很強(qiáng)，其烯醇式發(fā)生率要高得多，顯著提高誘變的能力。結(jié)果使AT對(duì)轉(zhuǎn)變?yōu)镚C對(duì)；而在相反的情況下使GC對(duì)轉(zhuǎn)變成AT對(duì)*。 例2：2氨基嘌呤(AP)是腺嘌呤的類似物，正常狀態(tài)下與胸腺嘧啶配對(duì)，但以罕見(jiàn)的亞氨基狀態(tài)存在時(shí)卻與胞嘧啶配對(duì)。因此，能引起AT對(duì)轉(zhuǎn)換為GC

31、對(duì)，以及GC對(duì)轉(zhuǎn)換為AT對(duì)*。,2020/8/2,70,（2）堿基的修飾劑(base modifier),堿基的修飾劑：某些化學(xué)誘變劑通過(guò)對(duì)DNA堿基的修飾作用，而改變其配對(duì)性質(zhì)。 例如： 亞硝酸能脫去堿基上的氨基。 腺嘌呤脫氨后成為次黃嘌呤(I)，它與胞嘧啶配對(duì)，而不是與原來(lái)的胸腺嘧啶配對(duì)*。 胞嘧啶脫氨后成為尿嘧啶，它與腺嘌呤配對(duì)*。 DNA經(jīng)過(guò)兩次復(fù)制后，分別由于腺嘌呤和胞嘧啶脫氨，而使AT對(duì)轉(zhuǎn)換為GC對(duì)，或GC對(duì)轉(zhuǎn)換為AT對(duì)。 鳥嘌呤脫氨后成為黃嘌呤(X)，它仍與胞嘧啶配對(duì)，因此經(jīng)過(guò)DNA復(fù)制后即恢復(fù)正常，并不引起堿基對(duì)置換。,2020/8/2,71,（2）堿基的修飾劑(base mo

32、difier),羥胺(NH2OH) 只與胞嘧啶作用，生成4羥胺胞嘧啶(HC)，而與腺嘌呤配對(duì)，結(jié)果GC對(duì)變?yōu)锳T對(duì)*。,2020/8/2,72,（2）堿基的修飾劑(base modifier),烷化劑(alkylating agent)是極強(qiáng)的化學(xué)誘變劑，其中較常見(jiàn)的包括氮芥、硫芥、乙基甲烷磺酸(EMS)、乙基乙烷磺酸(EES)和亞硝基胍(NTG)等。 烷化劑使DNA堿基上的氮原子烷基化，最常見(jiàn)的是鳥嘌呤上第7位氮原子的烷基化，引起分子電荷分布的變化而改變堿基配對(duì)性質(zhì)。 如7-甲基鳥嘌呤(MG)與胸腺嘧啶配對(duì)。而直接與配對(duì)有關(guān)位置的烷化可以完全阻斷堿基配對(duì)*。 氮芥是二(氯乙基)胺的衍生物，硫

33、芥是二(氯乙基)的硫醚。氮芥、硫芥能使DNA同一條鏈或兩條不同鏈上鳥嘌呤連接成二聚體。DNA兩條鏈的交聯(lián)阻止了正常的修復(fù)，因此交聯(lián)劑往往是強(qiáng)致癌劑。 亞硝基胍在適宜條件下可使大腸桿菌每一個(gè)細(xì)胞都發(fā)生一個(gè)以上的突變，典型的變化是在DNA復(fù)制叉部位出現(xiàn)多個(gè)緊相靠近的一簇突變。因此精確控制培養(yǎng)條件和加入亞硝基胍的時(shí)間與劑量可選擇性地使細(xì)胞DNA特殊片段發(fā)生突變。 烷化后的嘌呤和脫氧核糖結(jié)合的糖苷鍵變得不穩(wěn)定，容易使嘌呤脫落。N糖苷酶也能將其水解除掉。,2020/8/2,73,（3）嵌入染料(intercalating dye),一些扁平的稠環(huán)分子，例如吖啶橙、原黃素、溴化乙錠等染料，可以插入到DNA

34、的堿基對(duì)之間，故稱為嵌入染料。 這些扁平分子插入DNA后將堿基對(duì)間的距離撐大約一倍，正好占據(jù)了一個(gè)堿基對(duì)的位置。 嵌入染料插入堿基重復(fù)位點(diǎn)處可造成兩條鏈錯(cuò)位。在DNA復(fù)制時(shí)，新合成的鏈或者增加核苷酸插入，或者使核苷酸缺失，結(jié)果造成移碼突變。,2020/8/2,74,4紫外線(ultrnviolet)和電離輻射(ionizing radiation),紫外線的高能量可以使相鄰嘧啶之間雙鍵打開(kāi)形成二聚體，包括產(chǎn)生環(huán)丁烷結(jié)構(gòu)和6-4光產(chǎn)物(6-4 photoproduct)，即一個(gè)嘧啶的第6位碳原子與相鄰嘧啶第4位碳原子間的連接，并使DNA產(chǎn)生彎曲(bend)和紐結(jié)(kink)。 電離輻射(如X射線

35、、射線等)的作用比較復(fù)雜，除射線直接效應(yīng)外還可以通過(guò)水在電離時(shí)所形成的自由基起作用(間接效應(yīng))。DNA鏈可以出現(xiàn)雙鏈斷裂或單鏈斷裂的情況。大劑量照射時(shí)，還有堿基的破壞。 紫外線和電離輻射都是強(qiáng)的誘變劑。,2020/8/2,75,3、誘變劑和致癌劑的檢測(cè),醫(yī)學(xué)和生物學(xué)的研究表明，人類癌癥的發(fā)生是由于某些調(diào)節(jié)正常細(xì)胞分裂的基因缺陷或變異所致，這些基因包括原癌基因和抑癌基因。細(xì)胞生長(zhǎng)失控就形成腫瘤，能轉(zhuǎn)移的惡性腫瘤稱為癌。 控制細(xì)胞分裂的基因由于突變或腫瘤病毒的入侵而失去其調(diào)節(jié)功能，原癌基因成為癌基因，抑癌基因失去抑制細(xì)胞惡性生長(zhǎng)的能力。 因此，細(xì)胞癌變與修復(fù)機(jī)制的受損壞以及突變率的提高有關(guān)。,20

36、20/8/2,76,3、誘變劑和致癌劑的檢測(cè),Ames試驗(yàn)(Ames test) (Bruce Ames) : 用鼠傷寒沙門氏桿菌(Salmonella typhimurium)的營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株，其組氨酸生物合成途徑一個(gè)酶的基因發(fā)生突變而使酶失活，將該菌與待測(cè)物置于無(wú)組氨酸的平皿培養(yǎng)基中培養(yǎng)，如果待測(cè)物具有誘變作用，就可使?fàn)I養(yǎng)缺陷型細(xì)菌因恢復(fù)突變而產(chǎn)生菌落，根據(jù)菌落的多少可判斷誘變力的強(qiáng)弱。 由Ames試驗(yàn)和動(dòng)物試驗(yàn)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)：致癌物質(zhì)中90都有誘變作用，而誘變劑中90有致癌作用。 不少化合物需在體內(nèi)經(jīng)過(guò)代謝活化才有誘變作用，在測(cè)試時(shí)可將待測(cè)物與肝提取物一起保溫，使其轉(zhuǎn)化，這樣可使?jié)撛诘恼T變劑

37、也能被檢測(cè)出來(lái)。,2020/8/2,77,3、誘變劑和致癌劑的檢測(cè),溶原菌被誘導(dǎo)產(chǎn)生噬菌斑的方法檢測(cè)致癌劑: 大腸桿菌的SOS反應(yīng)可以使處于溶原狀態(tài)的噬菌體被激活，從而裂解宿主細(xì)胞產(chǎn)生噬菌斑。 通常引起細(xì)菌SOS反應(yīng)的化合物對(duì)高等動(dòng)物都是致癌的。,2020/8/2,78,三、RNA的生物合成和加工,導(dǎo)言 （一）RNA的轉(zhuǎn)錄 （二）RNA轉(zhuǎn)錄的抑制 （三）hnRNA的加工 1. mRNA的加工 2. rRNA的加工 3. tRNA的加工,2020/8/2,79,導(dǎo)言,中心法則(central dogma)： 基因（gene）:一段編碼具有功能的生物產(chǎn)物的DNA片段，是遺傳物質(zhì)的最小單位。 基因的功能產(chǎn)物為mRNA、rRNA或tRNA、小分子RNA.,2020/8/2,80,導(dǎo)言,模板鏈（template chain）（負(fù)鏈，-鏈）DNA雙鏈中的35鏈，RNA鏈以它作為模板互補(bǔ)合成，合成方向5 3。 編碼鏈（coding chain）（正鏈，+鏈）DNA雙鏈中的與35鏈互補(bǔ)的53鏈。 轉(zhuǎn)錄是不對(duì)稱轉(zhuǎn)錄。在生物體內(nèi)僅有其中一條鏈（的某些區(qū)域）可用于轉(zhuǎn)錄。,2020/8/2,81,導(dǎo)言,DNA和RNA合成的重要區(qū)別： 1、RNA合成是由核糖核苷酸合成的；DNA合成是脫氧核糖核苷酸合成的。 2、