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BIOCHEMISTRYF4DNAREPLICATIONINEUKARYOTES應(yīng)用化學(xué)1201張隴濤1215020129F4DNAREPLICATIONIN
EUKARYOTESIneukaryotes,thecellcycleconsistsofG1,S,G2andMphases.
Most
differencesinthecycletimesofdifferentcellsareduetodifferencesin
thelengthoftheG1phase.QuiescentcellsaresaidtobeintheG0phase.Cellcycle真核生物中,細(xì)胞周期包括Gi、S、和M期。不同細(xì)胞的不同周期時(shí)間主要是由Gi期的長(zhǎng)短決定。靜止細(xì)胞(quiescentcells)認(rèn)為是處于GQ期。細(xì)胞周期DNAreplicationoccursonlyintheSphase.Itoccursatmany
chromosomalorigins,isbi-directionalandsemi-conservative.Setsof
20–80repliconsactasreplicationunitsthatareactivatedinsequence.MultiplerepliconsDNA復(fù)制只發(fā)生于S期(Sphase)。它發(fā)生于染色體上許多起始點(diǎn),是雙向而且是¥保留復(fù)制。20?80個(gè)成套的復(fù)制(repli-con)依次被激活作為復(fù)制單位。多復(fù)制子KeyNotesDNApolymerasesαandδreplicatechromosomalDNA,DNA
polymerasesβandεrepairDNA,andDNApolymeraseγreplicates
mitochondrialDNA.FiveDNApolymerasesDNA聚合酶α和δ復(fù)制染色體DNA,DNA聚合酶β和ε修復(fù)DNA,DNA聚合酶γ復(fù)制線(xiàn)粒體DNA。5種DNA聚合酶DNApolymeraseαandδsynthesizethelaggingstrand,viaOkazaki
fragments.TheRNAprimersaresynthesizedbyDNApolymeraseαwhichcarriesaprimasesubunit.DNApolymeraseδsynthesizesthe
leadingstrand.Leadingandlagging
strandsDNA聚合酶α將δ片段合成滯后鏈,而聚合酶δ合成前導(dǎo)鏈。RNA引物由DNA聚合酶α來(lái)合成,該酶帶有引物酶的一個(gè)亞基。前導(dǎo)鏈和滯后鏈Telomerase,aDNApolymerasethatcontainsanintegralRNAthatacts
asitsownprimer,isusedtoreplicateDNAattheendsofchromosomes
(telomeres).Telomerereplication端粒酶(telomerase),一種自身含有可作為引物的內(nèi)在RNA的DNA聚合酶,用于在染色體末端合成DNA(端粒,telomeres)。端粒復(fù)制NucleosomesdonotdissociatefromtheDNAduringDNAreplication;
rathertheymustopenuptoallowthereplicationapparatustopass.Both
daughterDNAmoleculeshaveoldhistonesboundtothembutnew
histonesmustalsobesynthesizedtoallowalltheDNAtobepackaged
correctlyinnucleosomes.Replicationof
chromatinDNA復(fù)制時(shí)核小體不從DNA上解離,但它們必須開(kāi)放以允許復(fù)制體(replicationapparatus)通過(guò)。兩個(gè)子代DNA分子都與先前的組蛋白組合,但還必須合成新的組蛋白使所有DNA在核小體中能正確包裝。染色質(zhì)的復(fù)制Relatedtopics
DNAstructure(F1)
DNAreplicationinbacteria(F3)相關(guān)主題
DNA結(jié)構(gòu)(F1)
原核生物中DNA的復(fù)制(F3)Cellcycle
細(xì)胞周期Thelifeofaeukaryoticcellcanbede?nedasacellcycle(Fig.1).MitosisandcelldivisionoccurintheMphasewhichlastsforonlyabout1h.ThisisfollowedbytheG1phase(Gforgap),thentheSphase(Sforsynthesis),duringwhichtimethechromosomalDNAisreplicated,and?nallytheG2phaseinwhichthecells
prepareformitosis.Eukaryoticcellsinculturetypicallyhavecellcycletimesof
16–24hbutthecellcycletimecanbemuchlonger(>100days)forsomecellsin
amulticellularorganism.Mostofthevariationincellcycletimesoccursby
differencesinthelengthoftheG1phase.Somecellsinvivo,suchasneurons,
stopdividingcompletelyandaresaidtobequiescent,lockedinaG0phase.真核細(xì)胞的一生可以定義為一個(gè)細(xì)胞周期(cellcycle)(圖F4.1)。有絲分裂和細(xì)胞分裂發(fā)生在約持續(xù)1小時(shí)的M期,緊接著是(^期(G代表gap),然后是S期(S代表synthesis),在此期間染色體DNA被復(fù)制,最后是細(xì)胞準(zhǔn)備有絲分裂的G2期。培養(yǎng)的真核細(xì)胞的周期時(shí)間通常為16~24小時(shí),但在多細(xì)胞機(jī)體中一些細(xì)胞的周期時(shí)間可以很長(zhǎng)(>100天)。細(xì)胞周期長(zhǎng)度的變化大部分發(fā)生在(?期。一些體內(nèi)細(xì)胞,如神經(jīng)元,完全停止分裂,被認(rèn)為是靜止的,處于仏期(Gcphase)。Multiplereplicons多復(fù)制例子Ineukaryotes,replicationofchromosomalDNAoccursonlyintheSphaseof
thecellcycle.AsforbacterialDNA(seeTopicF3),eukaryoticDNAisreplicatedsemi-conservatively.ReplicationofeachlinearDNAmoleculeinachromosomestartsatmanyorigins,oneevery30–300kbofDNAdependingonthespecies
andtissue,andproceedsbi-directionallyfromeachorigin.Theuseofmultiple
originsisessentialinordertoensurethatthelargeamountofchromosomal
DNAinaeukaryoticcellisreplicatedwithinthenecessarytimeperiod.Ateach
origin,areplicationbubbleformsconsistingoftworeplicationforksmovingin
oppositedirections.TheDNAreplicatedunderthecontrolofasingleoriginis
calledareplicon.DNAsynthesisproceedsuntilreplicationbubblesmergetogether(Fig.2).在真核生物中,染色體DNA的復(fù)制只發(fā)生在細(xì)胞周期的S期。與細(xì)菌DNA相似(參看F3),真核生物的DNA也是半保留復(fù)制。染色體線(xiàn)性DNA分子的復(fù),制起始于多個(gè)起始點(diǎn),隨種系與組織不同,大約每3?300kbDNA就有一個(gè)起始點(diǎn),而且從每個(gè)起始點(diǎn)處雙向進(jìn)行。多起始點(diǎn)的應(yīng)用對(duì)于保證染色體DNA在必需時(shí)間內(nèi)完成復(fù)制是至關(guān)重要的。在每個(gè)起始點(diǎn),復(fù)制泡由兩個(gè)反向運(yùn)動(dòng)的復(fù)制叉組成。由一個(gè)起始點(diǎn)控制的箄制DNA稱(chēng)為一個(gè)復(fù)制子。DNA合成不斷進(jìn)行直至復(fù)制泡融合在一起(圖F4.2)。Fig.1.
Theeukaryoticcellcycle.TheSphaseistypically6–8hlong,G2isaphaseinwhich
thecellpreparesformitosisandlastsfor2–6h,mitosisitself(M)isshortandtakesonlyabout
1h.ThelengthofG1isveryvariableanddependsonthecelltype.CellscanenterG0,
aquiescentphase,insteadofcontinuingwiththecellcycle.圖F4.1真核細(xì)胞周期。S期通常6~8小時(shí);(?期是細(xì)胞準(zhǔn)備有絲分裂的時(shí)期,延續(xù)2~6小時(shí);有絲分裂(M期)時(shí)間短,僅1小時(shí)左右;(?的長(zhǎng)短變化很大,依賴(lài)于細(xì)胞類(lèi)型。細(xì)胞亦可進(jìn)人Go期即靜止期.則不再進(jìn)人細(xì)胞周期Fig.2.
ReplicationofeukaryoticchromosomalDNA.Replicationbeginsatmanyoriginsand
proceedsbi-directionallyateachlocation.Eventuallythereplicationeyesmergetogetherto
producetwodaughterDNAmolecules,eachofwhichconsistsofoneparentalDNAstrand
(thinline)andonenewlysynthesizedDNAstrand(thickline).圖F4.2真核生物染色體DNA的復(fù)制。復(fù)制開(kāi)始于多個(gè)起始點(diǎn)并在'每個(gè)位點(diǎn)雙向進(jìn)行。最后這些復(fù)制眼融合產(chǎn)生兩個(gè)子代DNA分子,每個(gè)分子都含有一條來(lái)自母鏈的DNA鏈(細(xì)線(xiàn))和一條新合成的DNA鏈(粗線(xiàn))
Alloftheregionsofachromosomearenotreplicatedsimultaneously.Rather,manyreplicationeyeswillbefoundinonepartofthechromosomeandnoneinanothersection.Thusreplicationoriginsareactivatedinclusters,calledreplica-tionunits,consistingof20–80origins.DuringSphase,thedifferentreplication
unitsareactivatedinasetorderuntileventuallythewholechromosomehas
beenreplicated.Transcriptionally-activeDNAappearstobereplicatedearlyinSphase,whilstchromatinthatiscondensedandnottranscriptionallyactiveis
replicatedlater.Multiplereplicons多復(fù)制例子
染色體的各部分不是同時(shí)進(jìn)行復(fù)制的,而是在染色體的某一部分可以一存在很^復(fù)-制服,—而在另=■部分卻二■個(gè)也沒(méi)有。因此復(fù)制起始點(diǎn)是成簇溻活(activatedinclusters),稱(chēng)為復(fù)制單位(replicationunits),每個(gè)復(fù)制單位含有20?80個(gè)起始點(diǎn)。在S期不同的復(fù)制單位被依次激活,直到整條染色體完成復(fù)制。轉(zhuǎn)錄活躍的基因在S期較早被復(fù)制,而濃縮的轉(zhuǎn)錄不活躍的染色質(zhì)復(fù)制得較遲。Five
DNApolymerases5種DNa聚合酶Eukaryoticcellscontain?vedifferentDNApolymerases;α,β,γ,δandε.The
DNApolymerasesinvolvedinreplicationofchromosomalDNAareαandδ.DNApolymerasesβandεareinvolvedinDNArepair.Allofthesepolymerases
exceptDNApolymeraseγarelocatedinthenucleus;DNApolymeraseγis
foundinmitochondriaandreplicatesmitochondrialDNA.真核生物細(xì)胞含有5種不同的DNA聚合酶:α,β,γ,δ和ε。在染色體'DNA復(fù)制中所用的DNA聚合酶為α和δ。DNA聚合酶β和ε用于DNA修復(fù)。除了γ外所有的DNA聚合酶都在核內(nèi)。DNA聚合酶γ在線(xiàn)粒體中,用于復(fù)制線(xiàn)粒體DNA。Leadingand
laggingstrands前導(dǎo)鏈和滯后鏈Thebasicschemeofreplicationofdouble-strandedchromosomalDNAin
eukaryotesfollowsthatforbacterialDNAreplication(seeTopicF3);aleading
strandandalaggingstrandaresynthesized,thelatterinvolvingdiscontinuous
synthesisviaOkazakifragments.TheRNAprimersrequiredaremadebyDNA
polymeraseαwhichcarriesaprimasesubunit.DNApolymeraseαinitiates
synthesisofthelaggingstrand,making?rsttheRNAprimerandthen
extendingitwithashortregionofDNA.DNApolymeraseδthensynthesizes
therestoftheOkazakifragment.TheleadingstrandissynthesizedbyDNAδpolymerase.Theδenzymehas3’→5’exonucleaseactivityandsocanproof-readtheDNAmade,butDNApolymeraseαhasnosuchactivity.
真核生物雙鏈染色體DNA復(fù)制的基本策略與細(xì)菌DNA復(fù)制相同(參看F3):也是合成前導(dǎo)鏈和滯后鏈,后者通過(guò)岡崎片段不連續(xù)合成。然而,在真核生物中,復(fù)制叉移動(dòng)速率比原核生物中慢(約1/10),并且兩條新鏈由不同的DNA聚合酶合成:DNA聚合酶a通過(guò)岡崎片段合成滯后鏈,DNA聚合酶S合成前導(dǎo)鏈。RNA引物由攜帶引物酶亞基的DNA聚合酶a合成。S酶有3'—5'外切酶活性,可以校對(duì)合成的DNADNA聚合酶a沒(méi)有這種活性,所以新生成的滯后鏈DNA可能是由另外的輔助蛋白質(zhì)進(jìn)行校對(duì)。Telomere
replication端粒復(fù)制
ThereplicationofalinearDNAmoleculeinaeukaryoticchromosomecreatesa
problemthatdoesnotexistforthereplicationofbacterialcircularDNAmole-cules.ThenormalmechanismofDNAsynthesis(seeabove)meansthatthe3’
endofthelaggingstrandisnotreplicated.Thiscreatesagapattheendofthe
chromosomeandthereforeashorteningofthedouble-strandedreplicated
portion.TheeffectisthatthechromosomalDNAwouldbecomeshorterand
shorteraftereachreplication.Variousmechanismshaveevolvedtosolvethis
problem.Inmanyorganismsthesolutionistouseanenzymecalledtelomerase
toreplicatethechromosomeends(telomeres).
真核生物染色體線(xiàn)性DNA分子的復(fù)制產(chǎn)生了一個(gè)在細(xì)菌環(huán)形DNA分子復(fù)制不存在的問(wèn)題,按DNA合成的正常機(jī)制(見(jiàn)上文),滯后鏈3'端不被復(fù)制,這會(huì)造成染色體末端的空隙,因而縮短了被復(fù)制的雙鏈部分,后果是每次復(fù)制會(huì)使染色體DNA越來(lái)越短。解決這個(gè)問(wèn)題已演化出各種不同的機(jī)制。在許多機(jī)體中,解決的途徑是用端粒酶來(lái)復(fù)制染色體的末端(端粒)。Telomere
replication端粒復(fù)制
Eachtelomerecontainsmanycopiesofarepeatedhexanucleotidesequencethat
isG-rich;inTetrahymenaitisGGGTTG.Telomerasecarries,asanintegralpartof
itsstructure,anRNAmolecule,partofwhichiscomplementarytothis
G-richsequence.Theexactmechanismofactionoftelomeraseisnotclear;Fig.3
showsonepossiblemodel.TheRNAmoleculeoftelomeraseisenvisagedto
hydrogen-bondtothetelomereend.Then,usingtheRNAasatemplate,telom-
erasecopiestheRNAtemplate(hencethisenzymeisareversetranscriptase;see
TopicI4)andaddssixdeoxynucleotidestothetelomereDNAend.Telomerase
thendissociatesfromtheDNA,re-bindsatthenewtelomereendandrepeatsthe
extensionprocess.Itcandothishundredsoftimesbefore?nallydissociating.The
newlyextendedDNAstrandcanthenactasatemplatefornormalDNAreplica-tion(laggingstrandsynthesisbyDNApolymerase)toformdouble-strandedchromosomalDNA.Thetwoprocesses,oftheDNAendsshorteningthrough
normalreplicationandoflengtheningusingtelomerase,areveryroughlyin
balancesothateachchromosomestaysapproximatelythesamelength.Telomere
replication端粒復(fù)制
每個(gè)端粒都含有許多富含G的六核苷酸序列的重復(fù)拷貝;在四膜蟲(chóng)(Tetrahymena)中是GGGTTG。端粒酶自身攜帶著作為其一部分結(jié)構(gòu)的與這段富含G的序列互補(bǔ)的短RNA分子。端粒酶I作用的精確機(jī)制尚不清楚,圖F4.3是一個(gè)假設(shè)模型。端粒酶中的RNA分子與端粒末端形成氫鍵。然后,以該RNA作為模板,端粒酶復(fù)制這個(gè)RNA模板(因此此酶是反轉(zhuǎn)錄酶(reversetranscriptase;參看14)并加入6個(gè)脫氧核苷酸到端粒DNA末端。然后端粒酶從DNA上脫落下來(lái),再結(jié)合到新的端粒末端,重復(fù)延伸過(guò)程。它在最終脫落下來(lái)前可以重復(fù)
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