第十二章 DNA的生物合成

第十二章DNA的生物合成

本章重點(diǎn)介紹遺傳中心法則和DNA半保留復(fù)制方式，掌握復(fù)制的化學(xué)反應(yīng)和復(fù)制方向，以及參與DNA復(fù)制的酶和蛋白質(zhì)因子，掌握DNA復(fù)制的基本過(guò)程。了解逆轉(zhuǎn)錄機(jī)逆轉(zhuǎn)錄酶，了解DNA突變及修復(fù)方式。思考

DNA是絕大多數(shù)生物體遺傳信息的載體，繼1953年Watson&Crick提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型后，1958年，Crick提出了“中心法則”(Centraldogma)揭示了遺傳信息的傳遞規(guī)律。wehadfoundthesecretoflife遺傳信息傳遞的中心法則

蛋白質(zhì)逆轉(zhuǎn)錄翻譯轉(zhuǎn)錄復(fù)制復(fù)制DNARNA生物的遺傳信息以密碼的形式儲(chǔ)存在DNA分子上，表現(xiàn)為特定的核苷酸排列順序。在細(xì)胞分裂的過(guò)程中，通過(guò)DNA復(fù)制把親代細(xì)胞所含的遺傳信息忠實(shí)地傳遞給兩個(gè)子代細(xì)胞。在子代細(xì)胞的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，這些遺傳信息通過(guò)轉(zhuǎn)錄傳遞給RNA，再由RNA通過(guò)翻譯轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的蛋白質(zhì)多肽鏈上的氨基酸排列順序，由蛋白質(zhì)執(zhí)行各種各樣的生物學(xué)功能，使后代表現(xiàn)出與親代相似的遺傳特征。后來(lái)人們又發(fā)現(xiàn)，在宿主細(xì)胞中一些RNA病毒能以自己的RNA為模板復(fù)制出新的病毒RNA，還有一些RNA病毒能以其RNA為模板合成DNA，稱(chēng)為逆轉(zhuǎn)錄，這是中心法則的補(bǔ)充。

中心法則總結(jié)了生物體內(nèi)遺傳信息的流動(dòng)規(guī)律，揭示遺傳的分子基礎(chǔ)，不僅使人們對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)、發(fā)育、遺傳、變異等生命現(xiàn)象有了更深刻的認(rèn)識(shí)，而且以這方面的理論和技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展了基因工程，給人類(lèi)的生產(chǎn)和生活帶來(lái)了深刻的革命。？目錄第一節(jié)半保留復(fù)制第二節(jié)

DNA的生物合成第三節(jié)DNA的損傷與修復(fù)第四節(jié)DNA重組第一節(jié)半保留復(fù)制

（DNA指導(dǎo)下的DNA合成）

DNA在復(fù)制過(guò)程中首先是兩條鏈間的氫鍵斷裂，然后雙鏈解開(kāi)。接著再以每一條鏈為模板，按照堿基互補(bǔ)配對(duì)原則（A:T,G:C）,由DNA聚合酶催化合成新的互補(bǔ)鏈。這樣新形成的兩個(gè)DNA分子與原來(lái)的DNA分子的堿基序列完全相同。每個(gè)子代DNA中的一條鏈來(lái)自親代DNA，另一條鏈則是新合成的，這種復(fù)制方式稱(chēng)為半保留復(fù)制。DNA半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)依據(jù)

1958年Meselson&stahl用同位素示蹤標(biāo)記/密度梯度離心技術(shù)實(shí)驗(yàn),證明了DNA是采取半保留的方式進(jìn)行復(fù)制.第二節(jié)

DNA的生物合成DNA合成的通式及方向參與DNA復(fù)制的酶和蛋白因子原核生物DNA復(fù)制的過(guò)程真核生物DNA復(fù)制的過(guò)程逆轉(zhuǎn)錄作用（RNA指導(dǎo)下的DNA的合成）DNA合成的通式及方向

DNA合成是以4種dNTP(N=A,T,G,C)為底物，在DNA聚合酶的催化下，向DNA的3’-OH添加脫氧核苷酸使鏈延長(zhǎng)的過(guò)程。原核生物參與DNA復(fù)制的酶和蛋白因子DNA聚合酶(DNApolymerases)DNA解旋酶(DNAhelicase)單鏈結(jié)合蛋白(single-strandbindingprotein,SSB)：結(jié)合在解開(kāi)的DNA單鏈上，防止重新形成雙螺旋。拓?fù)洚悩?gòu)酶(topoisomerase):兼具內(nèi)切酶和連接酶活力，能迅速將DNA超螺旋或雙螺旋緊張狀態(tài)變成松馳狀態(tài)，便于解鏈。引物酶(primase)和引發(fā)體(primosome)：?jiǎn)?dòng)RNA引物鏈的合成。DNA連接酶（DNAligase）大腸桿菌有三種DNA聚合酶分子量每個(gè)細(xì)胞的分子統(tǒng)計(jì)數(shù)5′-3′聚合酶作用3′-5′核酸外切酶作用5′-3′核酸外切酶作用聚合速度(核苷酸/分)持續(xù)合成能力主要功能PolⅠPolⅡPolⅢ109,000400+++1000-12003-200DNA修復(fù)RNA引物切除120,000100++-24001500DNA修復(fù)400,00010-20+++15000-60000≥500000DNA復(fù)制比較項(xiàng)目DNA聚合酶ⅠDNA聚合酶ⅡDNA聚合酶ⅢDNApolymeraseI大片段(Klenowfragment)小片段5′-3′聚合酶作用3′-5′核酸外切酶作用5′-3′核酸外切酶作用DNApolymeraseIIIDNAhelicaseIfIwereanenzyme,IwouldbeDNAhelicase,

soIcouldunzipyourgenesSingle-strandedDNAbindingproteinfrom

M.tuberculosis,

M.lepraeandM.megmatis

SSBprimase

Aprimosomeisacomplexofsevenproteins:DnaG

primase,DnaB

helicase,DnaC

helicaseassistant,DnaT,PriA,PriB,andPriC.DNALigase

ligasefrommanybacteriahttp:///pdb/static.do?p=education_discussion/molecule_of_the_month/pdb55_1.html不能催化單鏈DNA連接必須具有粘性末端雙鏈DNA，而不是平齊末端羥基和磷酸基團(tuán)必須相鄰topoisomerasecutsonestrandofaDNAdoublehelixandthenreannealsthecutstrand.cutsbothstrandsofoneDNAdoublehelix,passesanotherunbrokenDNAstrandthroughit,andthenreannealsthecutstrandTypeITypeII原核生物DNA復(fù)制的過(guò)程DNA復(fù)制的起點(diǎn)和方式DNA鏈的合成與延長(zhǎng)終止復(fù)制的忠實(shí)性DNA復(fù)制的起點(diǎn)和方式未復(fù)制DNA復(fù)制叉的推進(jìn)環(huán)狀

DNA復(fù)制時(shí)所形成的Q結(jié)構(gòu)起始點(diǎn)雙向復(fù)制GATCTNTTNTTT成串排列的三個(gè)13bp序列共有序列共有序列TTATCCACA

DnaA蛋白結(jié)合位點(diǎn)四個(gè)9bp序列DnaADnaB(解螺旋酶)SSBE.ColiDNA復(fù)制起點(diǎn)在起始階段的結(jié)構(gòu)模型DNA鏈的合成與延長(zhǎng)復(fù)制叉的移動(dòng)方向拓?fù)洚悩?gòu)酶DNA聚合酶III解鏈酶RNA引物引物酶DNA聚合酶ISSB3′3′5′前導(dǎo)鏈滯后鏈3′5′5′RNA引物3′3′終止Mg2+連接酶ATP或NAD＋PPi或NMNATCGPTTPPPAACCTGAPACPPPPOHTGGATCGPTTPPPAACCTGAPACPPPTGGP缺口(nick）3'3'5'5'5'5'3'3'模板鏈模板鏈PoliI切除RNA引物L(fēng)igase

連接DNA復(fù)制的忠實(shí)性

DNA復(fù)制過(guò)程是一個(gè)高度精確的過(guò)程，據(jù)估計(jì)，大腸桿菌DNA復(fù)制109-1010堿基對(duì)僅出現(xiàn)一個(gè)誤差，保證復(fù)制忠實(shí)性的原因主要有三點(diǎn):a、DNA聚合酶的高度專(zhuān)一性（嚴(yán)格遵循堿基配對(duì)原則）b、DNA聚合酶的校對(duì)功能（錯(cuò)配堿基被3’-5’

外切酶切除）c、起始時(shí)以RNA作為引物DNA聚合酶的校對(duì)功能聚合酶錯(cuò)配堿基復(fù)制方向正確核苷酸5′5′5′3′3′3′切除錯(cuò)配核苷酸DNA聚合酶的3-5

外切酶水解位點(diǎn)3′3′5′5′錯(cuò)配堿基3′-5′核酸外切酶水解位點(diǎn)DNA聚合酶的5-3

外切酶水解位點(diǎn)真核細(xì)胞DNA復(fù)制的特點(diǎn)多個(gè)起點(diǎn)復(fù)制起點(diǎn)起點(diǎn)起點(diǎn)起點(diǎn)起點(diǎn)起點(diǎn)端粒（telemere）復(fù)制真核和原核DNA細(xì)胞復(fù)制比較端粒酶（telomerase）

DNA復(fù)制需要引物，但在線(xiàn)形DNA分子末端不可能通過(guò)正常的機(jī)制在引物被降解后合成相應(yīng)的片段.如果沒(méi)有特殊的機(jī)制合成末端序列，染色體就會(huì)在細(xì)胞傳代中變得越來(lái)越短。這一難題是通過(guò)端粒酶的發(fā)現(xiàn)才得到了澄清，端粒酶是一種含RNA的蛋白復(fù)合物，實(shí)質(zhì)上是一種逆轉(zhuǎn)錄酶，它能催化互補(bǔ)于RNA模板的DNA片段的合成，使復(fù)制以后的線(xiàn)形DNA分子的末端保持不變。

初步研究表明，人體中生殖細(xì)胞的端粒長(zhǎng)度保持不變，而體細(xì)胞的端粒長(zhǎng)度則隨個(gè)體的老化而逐步縮短。對(duì)此的一個(gè)推論是：人的生殖細(xì)胞具端粒酶的活力，體細(xì)胞則否。這一問(wèn)題的解決無(wú)疑會(huì)有助于對(duì)生命衰老的認(rèn)識(shí)。5′3′AAAACCCCAAAACCCCCCA端粒酶端粒合成的一種模型3′5′TTTTGGGGTTTTG5′3′AAAACCCCAAAACCCCCCAAA3′5′TTTTGGGGTTTTGGGGTTTTG5′3′AAAACCCCAAAACCCCCCAAATTGGGTGGGT3′5′AATTTTG5′3′AAAACCCCAAAACCCCCCAGTTTTG整合移位端粒合成的完成TTTTGGGGTTTTGGGGTTTTGGGGTTTT5′3′nAA3′TTTTGGGGTTTTGGGGTTTTGGGGT5′3′TTCCCCTnAA3′TTTTGGGGTTTTGGGGTTTTGGGGT5′3′TTAAAACCCCAAAACCCCAAAACCCCTn進(jìn)一步加工繼續(xù)延伸逆轉(zhuǎn)錄作用1、概念2、逆轉(zhuǎn)錄酶3、病毒逆轉(zhuǎn)錄過(guò)程4、逆轉(zhuǎn)錄的生物學(xué)意義擴(kuò)充了中心法則有助于對(duì)病毒致癌機(jī)制的了解與真核細(xì)胞分裂和胚胎發(fā)育有關(guān)逆轉(zhuǎn)錄酶是分子生物學(xué)重要工具酶三種功能依賴(lài)DNA指導(dǎo)下的DNA聚合酶活力依賴(lài)RNA的DNA聚合酶活力核糖核酸酶H活力以RNA為模板合成DNA，這與通常轉(zhuǎn)錄過(guò)程中遺傳信息從DNA到RNA的方向相反，故稱(chēng)為逆轉(zhuǎn)錄作用。逆轉(zhuǎn)錄過(guò)程中cDNA的合成

依賴(lài)RNA的DNA聚合酶核糖核酸酶H活力依賴(lài)DNA的DNA聚合酶逆逆轉(zhuǎn)錄病毒的生活周期

生活周期RNA衣殼被膜逆轉(zhuǎn)錄酶轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)譯整合入宿主細(xì)胞染色體DNA進(jìn)入細(xì)胞丟失被膜丟失衣殼逆轉(zhuǎn)錄RNARNAcDNA衣殼蛋白被膜蛋白逆轉(zhuǎn)錄酶

第三節(jié)DNA損傷與修復(fù)某些物理（紫外線(xiàn)、電離輻射）和化學(xué)或生物學(xué)因素的作用，或者由于生物體DNA復(fù)制過(guò)程出現(xiàn)異常均可引起DNA分子的損傷或改變。如果DNA損傷不能修復(fù)，對(duì)體細(xì)胞可能影響其功能或生存，對(duì)生殖細(xì)胞則可能影響到其后代。一、損傷類(lèi)型

堿基對(duì)的置換(substitution)

移碼突變(framesshiftmutation)暗修復(fù)二、DNA修復(fù)類(lèi)型（1）光裂合酶修復(fù)（2）切除修復(fù)（3）重組修復(fù)（4）誘導(dǎo)修復(fù)（SOS修復(fù)）-T-C-G-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-C-G-A-C-A-T-G-C-轉(zhuǎn)換A

-T-C-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-G-A-C-A-T-G-C-缺失T野生型基因

-T-C-G-A-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-T-G-A-C-A-T-G-C-

-T-C-G-T-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-A-G-A-C-A-T-G-C-顛換堿基對(duì)的置換(substitution)

-T-C-G-A-G-C-T-G-T-A-C-G--A-G-C-T-C-G-A-C-A-T-G-C-插入移碼突變(framesshiftmutation)DNA紫外線(xiàn)損傷的光裂合酶修復(fù)A形成嘧啶二聚體B光復(fù)合酶結(jié)合于損傷部位C修復(fù)后酶被釋放切除修復(fù)堿基丟失堿基缺陷或錯(cuò)配結(jié)構(gòu)缺陷切開(kāi)核酸內(nèi)切酶核酸外切酶切除DNA聚合酶DNA連接酶AP核酸內(nèi)切酶核酸外切酶切開(kāi)切除修復(fù)連接糖苷酶插入酶堿基取代DNA的重組修復(fù)胸腺嘧啶二聚體復(fù)制核酸酶及重組蛋白修復(fù)復(fù)制DNA聚合酶DNA連接酶重組SOS反應(yīng)的機(jī)制靶基因表達(dá)lexA靶基因表達(dá)

但產(chǎn)物被分解recA大量表達(dá)RecA促使分解LexA未誘導(dǎo)的細(xì)胞誘導(dǎo)的細(xì)胞靶基因lexA基因被LexA

蛋白質(zhì)部分阻遏recA基因被LexA

蛋白質(zhì)部分阻遏（40個(gè)不同的位點(diǎn)被阻遏）LexA(阻遏物)

RecA(輔蛋白酶)單鏈