《基因復(fù)制與轉(zhuǎn)錄》ppt課件

1、DNA的復(fù)制與轉(zhuǎn)錄的復(fù)制與轉(zhuǎn)錄DNA Replication and TranscriptionDNA復(fù)制復(fù)制(replication)： 是指是指 DNA 以本身以本身為模板為模板(template)， 合成新的子代合成新的子代 DNA 分分子的過程。子的過程。 是是 遺傳信息傳送的分子根底。遺傳信息傳送的分子根底。一、一、 DNA復(fù)制相關(guān)概念復(fù)制相關(guān)概念復(fù)制叉復(fù)制叉(replication fork)： 指指DNA在復(fù)制時復(fù)制區(qū)域的在復(fù)制時復(fù)制區(qū)域的雙螺旋解開所產(chǎn)生的兩條單鏈和尚未松解開的雙螺雙螺旋解開所產(chǎn)生的兩條單鏈和尚未松解開的雙螺旋構(gòu)成的旋構(gòu)成的“Y形區(qū)形區(qū) 。在復(fù)制叉區(qū)域發(fā)生雙鏈的

2、不斷分別和新鏈的合成，代在復(fù)制叉區(qū)域發(fā)生雙鏈的不斷分別和新鏈的合成，代表表DNA復(fù)制中的生長點(diǎn)復(fù)制中的生長點(diǎn)(growing point) 。DNA 雙雙鏈模板鏈模板挪動方向挪動方向解開的模板單鏈解開的模板單鏈解開的模板單鏈解開的模板單鏈新生鏈新生鏈切口切口(nick)：在雙鏈：在雙鏈DNA的一條單鏈上失去一個磷酸二的一條單鏈上失去一個磷酸二酯鍵的位置稱為切口。酯鍵的位置稱為切口。缺口缺口(gap)：雙鏈：雙鏈DNA的一條單鏈上失去一段單鏈的位的一條單鏈上失去一段單鏈的位置稱為缺口。置稱為缺口。切口切口切口切口缺口缺口缺口缺口1.1.半保管復(fù)制半保管復(fù)制(semi-conservative r

3、eplication):(semi-conservative replication):一個一個DNA分子可復(fù)制成兩個分子可復(fù)制成兩個DNA分子，新合成的兩分子，新合成的兩個子代個子代DNA分子與親代分子與親代DNA分子的堿基順序完全一分子的堿基順序完全一樣。每個子代樣。每個子代DNA中有一條鏈來自親代中有一條鏈來自親代DNA，另一，另一條鏈?zhǔn)切潞铣涉?，這種合成方式稱為半保管復(fù)制。條鏈?zhǔn)切潞铣涉湥@種合成方式稱為半保管復(fù)制。 二、二、 DNA復(fù)制的特點(diǎn)復(fù)制的特點(diǎn)實(shí)驗(yàn)證據(jù)：實(shí)驗(yàn)證據(jù)：Meselson和和Stahl(1958)的同位素示蹤實(shí)驗(yàn)；的同位素示蹤實(shí)驗(yàn)；Cairns的大腸桿菌染色體的大腸桿

4、菌染色體DNA復(fù)制放射自顯復(fù)制放射自顯影實(shí)驗(yàn)。影實(shí)驗(yàn)。DNA復(fù)制同位素示蹤實(shí)驗(yàn)復(fù)制同位素示蹤實(shí)驗(yàn) Meselson and Stahl (1958)15N-DNA 親代親代子一代子一代15N,14N-DNA 14N-DNA 15N-14N-DNA子二代子二代3. 復(fù)制遵照堿基配對原那么復(fù)制遵照堿基配對原那么(base pairing rule ):堿基配對是核酸分子間傳送信息的構(gòu)造根底。堿基配對是核酸分子間傳送信息的構(gòu)造根底。NNNNNHHANNCH3OOHTNNNNONHHHNNONHHGC氫氫鍵鍵氫氫鍵鍵5. DNA復(fù)制是引發(fā)性復(fù)制復(fù)制是引發(fā)性復(fù)制(priming replication)

5、:DNA復(fù)制時，先由引物酶復(fù)制時，先由引物酶(primase)以解開的以解開的DNA模板鏈為模板合成一小段模板鏈為模板合成一小段RNA引物，引物，DNA聚合酶聚合酶再從再從RNA引物的引物的3-OH端開場新端開場新DNA鏈的合成，引鏈的合成，引物長度普通為幾個到十多個核苷酸。物長度普通為幾個到十多個核苷酸。 4. 復(fù)制的高保守性復(fù)制的高保守性(high fidelity of DNA replication ):DNA復(fù)制中的堿基配對原那么保證了復(fù)制中的堿基配對原那么保證了DNA復(fù)制的復(fù)制的忠實(shí)性，由于忠實(shí)性，由于DNA是遺傳信息的攜帶者，因此可是遺傳信息的攜帶者，因此可使親代的性狀特征準(zhǔn)確的

6、傳送給子代。使親代的性狀特征準(zhǔn)確的傳送給子代。6. 復(fù)制的多向性：復(fù)制的多向性：DNA復(fù)制可以單向進(jìn)展，也可以雙向進(jìn)展，還可以復(fù)制可以單向進(jìn)展，也可以雙向進(jìn)展，還可以經(jīng)過滾環(huán)及經(jīng)過滾環(huán)及D-環(huán)方式進(jìn)展。環(huán)方式進(jìn)展。 Replication forkOrigin單向復(fù)制單向復(fù)制(unidirectional replication)Replication forkOrigin雙向復(fù)制雙向復(fù)制(bidirectional replication)滾環(huán)復(fù)制滾環(huán)復(fù)制(rolling circle replication)5353D-環(huán)復(fù)制環(huán)復(fù)制(D-Loop replication)OriginOri

7、gin7. 對稱性復(fù)制與非對稱性復(fù)制對稱性復(fù)制與非對稱性復(fù)制:對稱復(fù)制是指兩條鏈的復(fù)制同時進(jìn)展；不對稱復(fù)制是對稱復(fù)制是指兩條鏈的復(fù)制同時進(jìn)展；不對稱復(fù)制是指復(fù)制時先復(fù)制合成其中一條鏈后再進(jìn)展另一條鏈的指復(fù)制時先復(fù)制合成其中一條鏈后再進(jìn)展另一條鏈的復(fù)制。復(fù)制。 三、參與三、參與DNA復(fù)制的重要細(xì)胞組分復(fù)制的重要細(xì)胞組分1. DNA聚合酶聚合酶(DNA polymerase )：全稱：依賴全稱：依賴DNA的的DNA聚合酶聚合酶 (DNA-dependent DNA polymerase)簡稱：簡稱：DNA-polDNA聚合酶催化反響的特點(diǎn)：聚合酶催化反響的特點(diǎn)： 底物：四種脫氧核糖核苷三磷酸底物：

8、四種脫氧核糖核苷三磷酸(dNTPs) ； 引物：小段引物：小段RNA序列；序列； 方向：聚合具有方向性，方向：聚合具有方向性，53進(jìn)展；進(jìn)展； 模板：聚合需求模板：聚合需求DNA模板鏈支持，產(chǎn)物模板鏈支持，產(chǎn)物DNA的的性質(zhì)與模板性質(zhì)與模板DNA一樣。一樣。 O堿基OHCH2OPOO-OPOP-OOO-OO-O堿基OHCH2O引物鏈模鏈板O堿基OHCH2OPOHOO堿基OCH2O引物鏈模鏈板PPiPPi堿基堿基堿基堿基(2) 大腸桿菌大腸桿菌DNA聚合酶聚合酶 ： DNA Pol IDNA Pol IIDNA Pol III構(gòu)造基因構(gòu)造基因*pol Apol Bpol C不同種類亞基數(shù)目不同種

9、類亞基數(shù)目1710相對分子質(zhì)量相對分子質(zhì)量103,00088,000830,00035核酸外切酶活性核酸外切酶活性+53核酸外切酶活性核酸外切酶活性+-聚合速度聚合速度(核苷酸核苷酸/min)1,0001,2002,40015,0060,000繼續(xù)合成才干繼續(xù)合成才干32001,500500,000功能功能切除引物，修復(fù)切除引物，修復(fù) 修復(fù)修復(fù)(不詳不詳)復(fù)制復(fù)制* 對于多亞基酶，此處只列出聚合活性亞基的構(gòu)造基因。對于多亞基酶，此處只列出聚合活性亞基的構(gòu)造基因。 僅聚合活性亞基。僅聚合活性亞基。DNA Pol II和和III共有亞基包括共有亞基包括、和和。Pol I 是最先從大腸桿菌細(xì)胞中分別

10、出來是最先從大腸桿菌細(xì)胞中分別出來DNA聚合酶：聚合酶：N 端端C 端端DNA-pol 木瓜蛋白酶木瓜蛋白酶Klenow酶是實(shí)驗(yàn)室進(jìn)展酶是實(shí)驗(yàn)室進(jìn)展DNA合成的常用工具酶合成的常用工具酶 大片段大片段(65kD，即，即Klenow酶酶)： 聚合酶活性聚合酶活性 35核酸外切酶活性核酸外切酶活性小片段小片段(35kD)：具有具有53核酸外切酶活性核酸外切酶活性大腸桿菌大腸桿菌DNADNA聚合酶聚合酶亞基組成及功能亞基組成及功能中心酶中心酶夾子安裝器夾子安裝器兩個兩個亞基組成環(huán)形夾子纏繞在亞基組成環(huán)形夾子纏繞在DNA周圍，并沿著周圍，并沿著DNA鏈滑動，添加鏈滑動，添加DNA Pol 的繼續(xù)催化才

11、干。的繼續(xù)催化才干。(3) 真核生物真核生物DNA聚合酶：聚合酶： DNA聚合酶聚合酶(I)(IV)(M)(III)(II)定位定位細(xì)胞核細(xì)胞核細(xì)胞核細(xì)胞核線粒體線粒體細(xì)胞核細(xì)胞核細(xì)胞核細(xì)胞核亞基數(shù)亞基數(shù)4122135外切酶外切酶無無無無有有有有有有引物合成酶活性引物合成酶活性有有無無無無無無無無繼續(xù)合成才干繼續(xù)合成才干中等中等低低高高有有PCNA時高時高高高抑制劑抑制劑蚜腸霉素蚜腸霉素 雙脫氧雙脫氧TTP雙脫氧雙脫氧TTP蚜腸霉素蚜腸霉素蚜腸霉素蚜腸霉素功能功能引物合成引物合成修復(fù)修復(fù)線粒體線粒體DNA合成合成 核核DNA合成合成修復(fù)修復(fù)酵母細(xì)胞中相應(yīng)的酵母細(xì)胞中相應(yīng)的DNA聚合酶分別以括弧

12、內(nèi)的羅馬數(shù)字及聚合酶分別以括弧內(nèi)的羅馬數(shù)字及M表示。表示。真核生物真核生物DNA復(fù)制由復(fù)制由DNA聚合酶聚合酶和和共同完成。其中共同完成。其中聚合酶聚合酶擔(dān)任引物的合成，擔(dān)任引物的合成，擔(dān)任擔(dān)任DNA的復(fù)制。的復(fù)制。聚合酶聚合酶可與增殖細(xì)胞核抗原可與增殖細(xì)胞核抗原(PCNA, proliferating cell nuclear antigen) 結(jié)合，以添加聚合酶的繼續(xù)合成才干。結(jié)合，以添加聚合酶的繼續(xù)合成才干。RNA引物引物DNA Pol 2. DNA銜接酶銜接酶(DNA ligase)：DNA銜接酶銜接酶ATPAMPPPi5533OPOO-O3555HO33O POO-O-解鏈過程構(gòu)成正

13、超螺旋。解鏈過程構(gòu)成正超螺旋。3. 拓?fù)洚悩?gòu)酶拓?fù)洚悩?gòu)酶topoismerase ：在在DNADNA復(fù)制過程中，可以使超螺旋放松引起拓?fù)洚悩?gòu)反復(fù)制過程中，可以使超螺旋放松引起拓?fù)洚悩?gòu)反響的酶稱為拓?fù)洚悩?gòu)酶。響的酶稱為拓?fù)洚悩?gòu)酶。 類類 型型型型型型松弛雙螺旋類型松弛雙螺旋類型負(fù)超螺旋負(fù)超螺旋正超螺旋正超螺旋作作 用用 方方 式式一條鏈一條鏈兩條鏈兩條鏈能能 量量 需需 求求不需求能量不需求能量需求需求ATP拓?fù)洚悩?gòu)酶的種類與功能拓?fù)洚悩?gòu)酶的種類與功能4. 解鏈酶解鏈酶helicase：是參與是參與DNA雙鏈解開的酶類雙鏈解開的酶類(又稱為解螺旋酶又稱為解螺旋酶)，這類酶，這類酶蛋白一旦與雙鏈蛋

14、白一旦與雙鏈DNA結(jié)合，就會引起結(jié)合，就會引起DNA雙鏈解離，使雙鏈解離，使兩條分開的鏈呈線性。解鏈需求兩條分開的鏈呈線性。解鏈需求ATP供能。供能。 在原核生物中，擔(dān)任解開在原核生物中，擔(dān)任解開DNA模板雙鏈的是模板雙鏈的是Dna B蛋白，蛋白，解鏈過程由解鏈過程由ATP供能。供能。 在以在以SV40病毒基因組的復(fù)制為代表的真核生物基因組病毒基因組的復(fù)制為代表的真核生物基因組DNA復(fù)制模型中，擔(dān)負(fù)解開復(fù)制模型中，擔(dān)負(fù)解開DNA雙螺旋作用的酶是一種雙螺旋作用的酶是一種被稱為被稱為T抗原抗原(T antigen)的蛋白。的蛋白。 5. SSB (single strand binding pro

15、tein)蛋白蛋白 ：當(dāng)當(dāng)DNA雙螺旋被解鏈酶解開后立刻與解開的單鏈相結(jié)合，雙螺旋被解鏈酶解開后立刻與解開的單鏈相結(jié)合，阻止復(fù)性并防止單鏈阻止復(fù)性并防止單鏈DNA被核酸酶降解。被核酸酶降解。 原核生物原核生物 Dna G蛋白蛋白 某些質(zhì)粒和線粒體某些質(zhì)粒和線粒體DNA RNA聚合酶聚合酶6. 引物酶引物酶primase ：在在DNA復(fù)制中，擔(dān)任合成復(fù)制中，擔(dān)任合成RNA引物的酶稱為引物酶。引物的酶稱為引物酶。 真核生物真核生物 DNA Pol 7. 其它參與其它參與DNA復(fù)制的細(xì)胞組分復(fù)制的細(xì)胞組分 ：dNTP、DNA模板及其它細(xì)胞蛋白和輔助因子。模板及其它細(xì)胞蛋白和輔助因子。四、四、DNA復(fù)

16、制的過程復(fù)制的過程復(fù)制過程可分為三個階段：起始、延伸和終止。復(fù)制過程可分為三個階段：起始、延伸和終止。 1. 原核生物原核生物DNA復(fù)制：復(fù)制：(1) 復(fù)制的起始復(fù)制的起始(initiation) ： Ori C超螺旋超螺旋DNADNA模板模板Dna A 蛋白蛋白 向結(jié)合區(qū)接近向結(jié)合區(qū)接近與結(jié)合位點(diǎn)與結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合的結(jié)合的Dna A蛋白蛋白13-bp segments: GATCTNTTNTTTT9-bp segments: TTATCCACA起始復(fù)合物起始復(fù)合物Dna A 富含富含Dna A蛋白的蛋白的纏繞區(qū)纏繞區(qū)分別的分別的DNA雙螺旋雙螺旋開鏈復(fù)合物開鏈復(fù)合物ATPADPPi+Dna B

17、+ Dna C 六聚體六聚體Dna TDna C 亞基亞基Dna B翻開的起始位點(diǎn)翻開的起始位點(diǎn)前引發(fā)復(fù)合物前引發(fā)復(fù)合物SSB 四聚體四聚體引物酶復(fù)合體引物酶復(fù)合體Dna A引發(fā)體引發(fā)體NTPsDna A主導(dǎo)鏈主導(dǎo)鏈的的RNA引物引物主導(dǎo)鏈主導(dǎo)鏈的的RNA引物引物NTPsDna A后隨鏈的后隨鏈的RNA引物引物后隨鏈的后隨鏈的RNA引物引物Dna A533555DNA Pol III dNTPs NTPsDNA Pol IIIDNA Pol III后隨鏈的后隨鏈的RNA引物引物后隨鏈的后隨鏈的RNA引物引物(2) 復(fù)制的延伸復(fù)制的延伸(elongation) ： 合成前導(dǎo)鏈的合成前導(dǎo)鏈的DNA Pol III中心酶