正常人體學-DNA合成損傷修復

1、基因信息的傳遞基因信息的傳遞第十五章第十五章2DNA RNA 蛋白質蛋白質中心法則中心法則復制復制轉錄轉錄翻譯翻譯逆轉錄逆轉錄RNA復制復制DNA的合成與損傷修復的合成與損傷修復第一節(jié)第一節(jié)4一、一、DNA復制的幾個基本原則復制的幾個基本原則(一一)半保半保 留復制留復制(semiconservative replication)模板：模板：親代的親代的DNA雙鏈雙鏈(每股均可為模板每股均可為模板)原則：原則：按堿基配對原則按堿基配對原則(A-T、G-C)指導新鏈的合成指導新鏈的合成特點：特點：合成的兩個子代合成的兩個子代DNA分子堿基序列與親代分分子堿基序列與親代分 子完全一樣，但其中一條鏈

2、來自于親代的子完全一樣，但其中一條鏈來自于親代的 DNA鏈，另一條鏈是新合成的鏈鏈，另一條鏈是新合成的鏈5AGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCCCACTGGGGTGACCAGGTACTGTCCATGACTCCATGACAGGTACTGAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACC+親代親代DNA子代子代DNA新合成新合成 的鏈的鏈6(親代親代)DNA兩股鏈兩股鏈反向反向平行平行兩股子鏈兩股子鏈反向反向平行平行5 3 3 5 5 33 5 3 55 3 親代親代子代子代子代子代(二二)半不連續(xù)復制半

3、不連續(xù)復制(semidiscontinuous replication)7存在兩種存在兩種DNA聚合酶？聚合酶？ 53 35 體內僅有體內僅有53DNA聚合酶聚合酶所有所有DNA聚合酶只能催化聚合酶只能催化53方向合成方向合成35 如何合成如何合成? 崗崎片段崗崎片段83 5 3 5 解鏈方向解鏈方向3 5 3 3 5 前導鏈前導鏈(leading strand)隨從鏈隨從鏈(lagging strand)崗崎片段崗崎片段5 半不連續(xù)復制半不連續(xù)復制9 不能不能催化兩個游離的催化兩個游離的dNTP聚合聚合 需要含需要含3-OH的引物的引物(RNA) RNA聚合酶抑制物能抑制聚合酶抑制物能抑制D

4、NA合成合成 崗崎片段崗崎片段5端有端有RNA引物引物 根據(jù)根據(jù)DNA聚合酶聚合酶(三三)RNA引物引物(RNA prime)10RNA聚合酶聚合酶 能催化兩個游離的能催化兩個游離的NTP聚合聚合 其產物提供其產物提供3-OH1155335533前導鏈前導鏈隨從鏈隨從鏈崗崎片段崗崎片段RNA引物引物12RNA引物最后要被引物最后要被DNA聚合酶聚合酶除去，空隙由除去，空隙由 該酶補滿，缺口再由該酶補滿，缺口再由DNA連接酶連接。連接酶連接。RNA引物的作用：引物的作用： 為為DNA聚合酶提供合成核苷酸所需的聚合酶提供合成核苷酸所需的3-OH 可盡量減小可盡量減小DNA復制起始處的突變復制起始處

5、的突變13(四四)復制的真實性復制的真實性 DNA的半保留復制的半保留復制 遵守嚴格的堿基配對規(guī)律遵守嚴格的堿基配對規(guī)律 RNA引物引物 盡量減少盡量減少DNA復制起始處的突變復制起始處的突變 DNA聚合酶在復制延長中對堿基的選擇功能聚合酶在復制延長中對堿基的選擇功能 復制出錯時有即時的校讀功能復制出錯時有即時的校讀功能(35外切酶功能外切酶功能) DNA損傷的修復機制損傷的修復機制14底物底物(substrate): dATP, dGTP, dCTP, dTTP(dNTP)聚合酶聚合酶(polymerase): DNA指導指導的的DNA聚合酶，聚合酶， 簡寫為簡寫為DNA pol，需，需Mg

6、2+模板模板(template): 解開成單鏈的解開成單鏈的DNA母鏈母鏈引物引物(primer): 提供提供3 -OH末端使末端使dNTP可以依次聚合可以依次聚合 DNA復制的條件復制的條件二、參與二、參與DNA復制的一些酶類復制的一些酶類和蛋白質和蛋白質15 DNA聚合酶：聚合酶：、 (原核生物原核生物) 、 、 、 、 (真核生物真核生物) 解鏈、解旋酶類：解鏈、解旋酶類：DNA解鏈酶、單鏈解鏈酶、單鏈DNA結合蛋白結合蛋白(SSB)、DNA拓撲異構酶拓撲異構酶/ 引發(fā)體引發(fā)體 DNA連接酶連接酶其他的酶和蛋白質其他的酶和蛋白質163, 5-磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵3(一一)DNA聚合酶聚合

7、酶5171. 大腸桿菌大腸桿菌DNA聚合酶聚合酶1955年年Kornberg發(fā)現(xiàn)了發(fā)現(xiàn)了DNA聚合酶聚合酶 簡稱為簡稱為pol，也稱為，也稱為Kornberg酶酶活性：活性：53 的聚合酶活性的聚合酶活性 53 核酸外切酶活性核酸外切酶活性 35 核酸外切酶活性核酸外切酶活性18 35 53 外切酶外切酶 聚合酶聚合酶 NC 53 外切酶外切酶 小片段小片段大片段大片段(klenow片段片段)切除切除RNA引物引物損傷修復損傷修復校讀功能校讀功能聚合功能聚合功能DNA聚聚合酶合酶是是多功能酶多功能酶195 A G C T T C A G G A T A 3 | | | | | | | | |

8、| |3 T C G A A G T C C T A C C G A C 5 3 5 外切酶活性外切酶活性 5 3 外切酶活性外切酶活性?5 A G C U U C A G G A U 3 | | | | | | | | | | |核酸外切酶活性核酸外切酶活性20DNA聚合酶聚合酶全酶全酶2個核心酶個核心酶-復合物復合物2DNA夾子夾子(4個個)2. 大腸桿菌大腸桿菌DNA聚合酶聚合酶21特點特點 一種非常高的續(xù)進性酶一種非常高的續(xù)進性酶催化活性比催化活性比DNA聚合酶聚合酶高高100倍倍產物真實性高產物真實性高DNA聚合酶聚合酶是是DNA復制的主要酶復制的主要酶，是是原核生物復制延長中原核生

9、物復制延長中真正起催化作用的酶真正起催化作用的酶 223. 真核細胞的真核細胞的DNA聚合酶聚合酶DNA-pol 負責合成引物負責合成引物(去除后的填補去除后的填補)DNA-pol 負責負責線粒體線粒體DNA的復制與損的復制與損 傷修復傷修復DNA-pol 、 DNA復制復制、切除修復、切除修復DNA-pol 堿基切除修復堿基切除修復23(二二)解旋解旋、解鏈酶類解鏈酶類 DNA分子的堿基埋在雙螺旋內部，只有把分子的堿基埋在雙螺旋內部，只有把DNA解成單鏈，它才能起模板作用；復制不斷延伸，解成單鏈，它才能起模板作用；復制不斷延伸，螺旋不斷解開螺旋不斷解開解鏈、解旋酶類解鏈、解旋酶類 保持解開模

10、板的單鏈狀態(tài)保持解開模板的單鏈狀態(tài)單鏈單鏈DNA結合蛋白結合蛋白 解旋后在復制前方產生很大的張力，解旋后在復制前方產生很大的張力，DNA發(fā)生發(fā)生纏結后纏結后DNA拓撲異構酶拓撲異構酶241. DNA解鏈酶解鏈酶(DNA helicase) 解開解開DNA雙鏈雙鏈，具有具有ATP酶的活性酶的活性每解開每解開1對堿基消耗對堿基消耗2個個ATP253 5 3 5 3 HO5SSBSSB2. 單鏈單鏈DNA結合蛋白結合蛋白(single strand binding protein, SSB)263. DNA拓撲異構酶拓撲異構酶(DNA topoisomerase)解鏈過程中正超螺旋的形成解鏈過程中正

11、超螺旋的形成2728分類分類拓撲異拓撲異構酶構酶切斷切斷DNA雙鏈中雙鏈中一股一股鏈，使鏈，使DNA解鏈旋轉不致打結；解除張力后解鏈旋轉不致打結；解除張力后封閉切口封閉切口。反應反應不需不需ATP拓撲異拓撲異構酶構酶暫時切斷暫時切斷DNA雙鏈雙鏈，斷端通過切，斷端通過切口旋轉使超螺旋松弛，隨后再連口旋轉使超螺旋松弛，隨后再連接斷端。接斷端。需要需要ATP供能供能294. 引發(fā)體引發(fā)體(primosome)DnaA 結合至復制起始部位結合至復制起始部位 DnaB 具有解鏈酶的作用具有解鏈酶的作用DnaC 協(xié)同協(xié)同DnaBDnaG 引物酶，是一種引物酶，是一種RNA聚合酶聚合酶由多種蛋白質及酶組成

12、，是由多種蛋白質及酶組成，是DNA復制復制 開始所必需的。開始所必需的。303 5 3 5 引物引物 3 HO5引物酶引物酶Dna ADna B、Dna CDNA 拓撲異構酶拓撲異構酶SSB引發(fā)體和引物引發(fā)體和引物3153OH53有缺口的有缺口的DNA鏈鏈DNA連接酶連接酶ATPAMP + PPi53缺口封閉缺口封閉 OO_PO O_III OOPO O_III5. DNA連接酶連接酶(DNA ligase)32 連接雙鏈連接雙鏈DNA分子中一條鏈上的缺口分子中一條鏈上的缺口 連接雙鏈連接雙鏈DNA分子中雙鏈的缺口分子中雙鏈的缺口 不能不能連接兩分子單鏈連接兩分子單鏈DNA 缺口填補缺口填補x

13、33參與復制的酶類與蛋白質參與復制的酶類與蛋白質pol 真正的復制酶真正的復制酶pol 切除引物、填補引物遺留空隙切除引物、填補引物遺留空隙解鏈酶解鏈酶 解開解開DNA雙鏈雙鏈SSB 穩(wěn)定與保護已解開的單鏈穩(wěn)定與保護已解開的單鏈DNA拓撲異構酶拓撲異構酶 克服解鏈中的打結纏繞、解克服解鏈中的打結纏繞、解 除張力除張力引物酶引物酶 合成合成RNA引物引物DNA連接酶連接酶 連接缺口、形成磷酸二酯鍵連接缺口、形成磷酸二酯鍵34三、三、DNA復制過程復制過程大腸桿菌復制時有特定的起始部位稱大腸桿菌復制時有特定的起始部位稱oriCoriC(一一)復制的起始復制的起始35DNA雙鏈復制起始點雙鏈復制起始

14、點oriC DnaADnaB、DnaCDNA雙鏈解開成雙鏈解開成單鏈單鏈DNASSB引物酶引物酶RNA引物引物(3-OH)DNA聚合酶聚合酶、dNTP和和3-OH形成形成3,5磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵解鏈、解旋酶解鏈、解旋酶拓撲異構酶拓撲異構酶36復制開始后由于復制開始后由于DNA雙鏈解開，在兩股單鏈雙鏈解開，在兩股單鏈上進行復制。在電子顯上進行復制。在電子顯微鏡下看到微鏡下看到DNA復制復制前進部前進部位伸展成叉狀，位伸展成叉狀，稱為稱為復制叉復制叉(replication fork)。復制從復制從oriC開始，同時向兩個方向進行的，稱開始，同時向兩個方向進行的，稱為為雙向復制雙向復制。原核生物

15、大腸桿菌原核生物大腸桿菌37真核細胞真核細胞DNA分子巨大分子巨大，有許多個復制起始，有許多個復制起始點，同時進行復制，形成點，同時進行復制，形成多個復制單位多個復制單位。真核生物真核生物38(二二)復制的延長復制的延長指在指在DNA聚合酶的催化下，新合成的聚合酶的催化下，新合成的DNA鏈不斷延長。其化學本質是鏈不斷延長。其化學本質是磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵的不斷生的不斷生成。成。大腸桿菌崗崎片段的長度為大腸桿菌崗崎片段的長度為10002000個核個核苷酸。前導鏈合成苷酸。前導鏈合成10002000個核苷酸后，隨從個核苷酸后，隨從鏈開始合成。鏈開始合成。DNA聚合酶聚合酶全酶全酶2個核心酶分別負責

16、前導個核心酶分別負責前導鏈和隨從鏈的合成。鏈和隨從鏈的合成。3953405 5 Pol切除切除RNA引物引物5 OHP5 Pol填補空隙填補空隙5 5 P5 5 ATPAMP + PPiDNA連接酶連接酶(三三)復制的終止復制的終止41四、真核生物端粒與端粒酶四、真核生物端粒與端粒酶末端問題末端問題 真核生物染色體線性真核生物染色體線性DNA分子每復制一次，新分子每復制一次，新合成子鏈的合成子鏈的5端端RNA引物被切除后，引物被切除后，就會就會留下留下末端的末端的空空缺。缺。425 3 3 5 5 3 3 5 +5 3 3 3 3 5 5 5 染色體末端染色體末端DNA染色體末端染色體末端DN

17、A43 真核生物染色體線性真核生物染色體線性DNA分子末端的結構分子末端的結構 數(shù)百個串聯(lián)重復數(shù)百個串聯(lián)重復GT豐富的短寡核苷酸構成的序豐富的短寡核苷酸構成的序列列 不含功能基因，但對維持染色體的穩(wěn)定性起著重不含功能基因，但對維持染色體的穩(wěn)定性起著重要作用要作用端粒端粒(telomere)44端粒酶端粒酶RNA 作為合成端粒作為合成端粒DNA的模板的模板蛋白質蛋白質 一種特殊逆轉錄酶，以其中的一種特殊逆轉錄酶，以其中的RNA為模為模 板催化合成端粒板催化合成端粒DNA，具有種屬特異性，具有種屬特異性4546 生殖細胞、干細胞：有端粒酶活性生殖細胞、干細胞：有端粒酶活性 體細胞：無端粒酶活性，端

18、粒隨分裂而縮短，體細胞：無端粒酶活性，端粒隨分裂而縮短， 最終導致細胞衰老、調亡，是正常的最終導致細胞衰老、調亡，是正常的 生理現(xiàn)象。生理現(xiàn)象。 腫瘤細胞：端粒酶活性重新出現(xiàn)，對端粒進行補腫瘤細胞：端粒酶活性重新出現(xiàn)，對端粒進行補 償，使之永不衰老，形成惡性增殖。償，使之永不衰老，形成惡性增殖。47UV1. 點突變點突變(一一)DNA損傷的類型損傷的類型五、五、DNA的損傷與修復的損傷與修復482. 缺失和插入缺失和插入 一個堿基一個堿基/一段核苷酸鏈一段核苷酸鏈/整個基因整個基因3. 重排重排 分子內較大片段的交換分子內較大片段的交換49切除修復是細胞內最重要和有效的切除修復是細胞內最重要和

19、有效的修復機制修復機制原核生物中主要由原核生物中主要由DNA pol和連和連接酶完成接酶完成遺傳性疾病如遺傳性疾病如著色性干皮病著色性干皮病由于缺由于缺乏乏UV特異的切割酶特異的切割酶造成的造成的(二二)切除修復切除修復1. 核苷酸切除修復核苷酸切除修復50OHPDNA聚合酶聚合酶OHPDNA連接酶連接酶ATP8個個核苷酸核苷酸4個個核苷酸核苷酸UVrABC切割酶切割酶UvrAUvrBUvrCDNA損傷的切除修復損傷的切除修復512. 堿基切除修復堿基切除修復DNA糖苷酶糖苷酶識別切除損傷的堿基識別切除損傷的堿基 AP核酸內切酶核酸內切酶切除切除AP附近的磷酸二酯鍵附近的磷酸二酯鍵DNA聚合酶

20、聚合酶填補填補DNA連接酶連接連接酶連接52DNA聚合酶聚合酶OHPDNA連接酶連接酶AP核酸內切酶核酸內切酶CGUGDNA糖苷酶糖苷酶GOHPUDNA聚合酶聚合酶P-PG53DNA中的中的C容易突變成容易突變成U尿嘧啶尿嘧啶DNA糖苷酶糖苷酶識別識別DNA中的中的U(由由C突突 變而來變而來)若若DNA中存在中存在U，無法區(qū)別，無法區(qū)別突變突變U和和正常正常U所以所以DNA中中U甲基化甲基化/耗能生成耗能生成TDNA堿基中堿基中T的存在，的存在，增加遺傳信息的穩(wěn)定性增加遺傳信息的穩(wěn)定性RNA中的中的U：數(shù)量多：數(shù)量多/半衰期短半衰期短/經濟經濟DNA堿基的組成為何是堿基的組成為何是“T”?5

21、4六、逆轉錄、逆轉錄病毒及癌基因六、逆轉錄、逆轉錄病毒及癌基因1. 逆轉錄酶逆轉錄酶(一一)逆轉錄病毒及逆轉錄酶逆轉錄病毒及逆轉錄酶以以RNA為模板，有為模板，有逆轉錄酶逆轉錄酶的參與，在的參與，在4種種dNTP存在及合適條件下，按堿基互補配對的原則，合存在及合適條件下，按堿基互補配對的原則，合成互補成互補DNA(complementary DNA, cDNA)。55RNARNADNA(-)DNA(-)DNA(+) DNA(-) RNA指導指導的的DNA合成合成 RNA的水解的水解 DNA指導的指導的DNA合成合成逆轉錄酶具有催化三種反應的活性逆轉錄酶具有催化三種反應的活性56單鏈單鏈RNA病毒病毒 進入宿主細胞進入宿主細胞雙鏈雙鏈DNA前病毒前病毒 整合到宿主細胞基因組整合到宿主細胞基因組DNA中中 宿主細胞宿主細胞RNA聚合酶聚合酶 mRNA 病毒病毒RNA基因組基因組 作為合成相應作為合成相應 病毒蛋白質的模板病毒蛋白質的模板 包裝成新的病毒顆粒，離開宿主包裝成新的病毒顆粒，離開宿主2. 逆轉錄病毒的生活周