第十章 基因信息的傳遞

第三篇基因信息的傳遞

基因（gene)

是為生物活性產(chǎn)物編碼的DNA功能片段，這些產(chǎn)物主要是蛋白質(zhì)或是各種RNA?；虻母拍钪行姆▌t基因的生理功能是通過蛋白質(zhì)表達(dá)出來的，所以DNA的核苷酸序列是遺傳信息的儲存者，它通過自主復(fù)制得以代代相傳，通過轉(zhuǎn)錄生成各種RNA，進(jìn)而翻譯成蛋白質(zhì)的過程來控制生命現(xiàn)象。即儲存在核苷酸中的遺傳信息通過轉(zhuǎn)錄、翻譯成蛋白質(zhì)的過程，這就是生物學(xué)中的中心法則。DNARNA蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄翻譯復(fù)制逆轉(zhuǎn)錄中心法則TheCentralDogma1958F.Crick1970H.Temin(逆轉(zhuǎn)錄)Reversetranscription第十章

DNA的生物合成（復(fù)制）DNABiosynthesis，Replication

本章內(nèi)容復(fù)制的基本特征DNA復(fù)制的反應(yīng)體系DNA復(fù)制過程逆轉(zhuǎn)錄和其他復(fù)制方式DNA損傷(突變)與修復(fù)考核要求熟記遺傳信息傳遞的中心法則熟記DNA復(fù)制合成的酶和復(fù)制過程掌握逆轉(zhuǎn)錄概念和逆轉(zhuǎn)錄酶及逆轉(zhuǎn)錄過程掌握引起基因突變的因素第一節(jié)

復(fù)制的基本規(guī)律

BasicRulesofDNAReplication

一、復(fù)制的概念及特征二、半保留復(fù)制的概念、實(shí)驗(yàn)依據(jù)及意義三、雙向復(fù)制

四、半不連續(xù)復(fù)制五、

復(fù)制的保真性復(fù)制(replication是指遺傳物質(zhì)的傳代，以母鏈DNA分子兩條鏈為模板，合成兩個(gè)子鏈DNA分子的過程。分子基礎(chǔ)：堿基配對規(guī)律DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)復(fù)制的特征：

半保留復(fù)制(semi-conservativereplication)雙向復(fù)制(bidirectionalreplication)半不連續(xù)復(fù)制(semi-discontinuousreplication)

高保真性(highfidelity)一、半保留復(fù)制的概念、實(shí)驗(yàn)依據(jù)和意義半保留復(fù)制的概念

DNA生物合成時(shí)，母鏈DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)解開為兩股單鏈，各自作為模板，按照堿基互補(bǔ)原則，合成與模板互補(bǔ)的子鏈。這樣子代細(xì)胞的DNA雙鏈，其中一股單鏈?zhǔn)菑挠H代完整地接受過來的，另一股單鏈則完全重新合成，兩個(gè)子細(xì)胞的DNA都與親代DNA堿基序列一致，這種復(fù)制方式稱為半保留復(fù)制。AGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCCCACTGGGGTGACCAGGTACTGTCCATGACTCCATGACAGGTACTGAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACC+母鏈DNA

復(fù)制過程中形成的復(fù)制叉子代DNA

半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)依據(jù)實(shí)驗(yàn)依據(jù)半保留復(fù)制的意義保證了子代與親代遺傳信息的準(zhǔn)確傳遞；確保了物種的延續(xù)性和穩(wěn)定性；——使遺傳信息相對穩(wěn)定地傳遞復(fù)制時(shí)，DNA從復(fù)制起始點(diǎn)(origin)向兩個(gè)方向解鏈，形成兩個(gè)延伸方向相反的復(fù)制叉，稱為雙向復(fù)制。復(fù)制叉（replicationfork）指的是基因組DNA的復(fù)制子開始復(fù)制時(shí)，復(fù)制子的特定區(qū)域解開分成兩股，各自作為模板，所形成的叉形結(jié)構(gòu)或Y形結(jié)構(gòu)。二、雙向復(fù)制A.環(huán)狀雙鏈DNA及復(fù)制起始點(diǎn)B.復(fù)制中的兩個(gè)復(fù)制叉C.復(fù)制接近終止點(diǎn)(termination,ter)oriterABC習(xí)慣上把兩個(gè)相鄰起始點(diǎn)之間的距離定為一個(gè)復(fù)制子(replicon)

。復(fù)制子是DNA分子中能獨(dú)立完成復(fù)制的功能單位。真核生物每個(gè)染色體有多個(gè)起始點(diǎn)，是多復(fù)制子的復(fù)制。原核生物的染色體和質(zhì)粒及真核生物的線粒體DNA，只由一個(gè)復(fù)制子組成。5’3’oriorioriori5’3’5’5’3’3’5’5’3’復(fù)制子3’三、復(fù)制的半不連續(xù)性3

5

3

5

3′5′3′5′解鏈方向領(lǐng)頭鏈(leadingstrand)隨從鏈(laggingstrand)岡崎片段3′5′子鏈的合成只能從5`向3`延伸順著解鏈方向連續(xù)合成的子鏈，稱為領(lǐng)頭鏈。與解鏈方向相反不連續(xù)合成的子鏈，稱為隨從鏈。復(fù)制中的不連續(xù)片段稱為岡崎片段(okazakifragment)。

領(lǐng)頭鏈連續(xù)復(fù)制而隨從鏈不連續(xù)復(fù)制，就是復(fù)制的半不連續(xù)性。

概念四、復(fù)制的保真性復(fù)制保真性的酶學(xué)機(jī)制：（一）DNA-pol的核酸外切酶活性與校讀（二）DNA-pol對堿基的選擇功能（三）嚴(yán)格的堿基配對規(guī)律第二節(jié)

DNA復(fù)制的反應(yīng)體系

TheEnzymologyandTopologyof

DNAReplication一、復(fù)制的化學(xué)反應(yīng)二、DNA聚合酶{三、復(fù)制保真性的酶學(xué)基礎(chǔ)四、復(fù)制中的解鏈和DNA分子拓?fù)鋵W(xué)變化五、DNA連接酶及其功能原核生物真核生物底物：dNTP(dATP，dCTP，dGTP，dTTP）模板（template）：解開成單鏈的DNA母鏈引物（primer）：提供3`-OH末端酶及蛋白質(zhì)因子DNA聚合酶：依賴DNA的DNA聚合酶解旋酶類，單鏈結(jié)合蛋白引物酶DNA連接酶、拓?fù)洚悩?gòu)酶一、復(fù)制的化學(xué)反應(yīng)(dNMP)n+dNTP(dNMP)n+1+PPi

DNA新鏈生成需引物和模板；新鏈的延長只可沿5→3

方向進(jìn)行。

聚合反應(yīng)的特點(diǎn)

聚合反應(yīng)的實(shí)質(zhì)核苷酸與核苷酸之間生成3`,5`-磷酸二酯鍵而逐一聚合二、DNA聚合酶全稱：依賴DNA的DNA聚合酶

（DNA-dependentDNApolymerase，DNA-pol，DDDP）是以DNA為模板，dNTP為底物，合成與模板DNA互補(bǔ)的DNA的一類酶。DNA聚合酶的特點(diǎn):以dNTP底物反應(yīng)需要模板的指導(dǎo),不能催化游離的dNTP的聚合反應(yīng)需要引物提供3'-OH催化dNTP加到生長中的DNA鏈的3'-OH末端;催化DNA合成的方向是5`→3`具有5`→3`或3`→5`核酸外切酶活性產(chǎn)生DNA的性質(zhì)和模板相同5′AGCTTCAGGATA

3′

|||||||||||3′TCGAAGTCCTAGCGAC5′

3

5

外切酶活性

5

3

外切酶活性?能切除突變的DNA片段或引物。能辨認(rèn)錯(cuò)配的堿基對，并將其水解。核酸外切酶活性目錄（一）原核生物的DNA聚合酶有三種DNA聚合酶：DNApolⅠ、II、III酶作用DNA聚合酶Ⅰ5‘－3’聚合酶作用，起填補(bǔ)空隙；3’－5’外切酶作用，起校讀功能；5’－3’外切酶作用，起修復(fù)和切除引物。DNA聚合酶Ⅱ5‘－3’聚合酶及3‘－5’外切酶酶作用，可校正/修復(fù)DNA鏈（SOS修復(fù)）。DNA聚合酶Ⅲ與酶Ⅰ作用類似，酶活性高，是主要的鏈延伸酶（聚合酶replicase）功能：對復(fù)制中的錯(cuò)誤進(jìn)行校讀對復(fù)制和修復(fù)中出現(xiàn)的空隙進(jìn)行填補(bǔ)DNA-polⅠ（109kD）由A至R共18個(gè)a-螺旋區(qū)組成323個(gè)氨基酸小片段（A-F）5核酸外切酶活性大片段（G-R）/Klenow片段

604個(gè)氨基酸DNA聚合酶活性

5核酸外切酶活性N端C端木瓜蛋白酶DNA-polⅠKlenow片段是實(shí)驗(yàn)室合成DNA，進(jìn)行分子生物學(xué)研究中常用的工具酶。

核酸外切酶活性:能辨認(rèn)錯(cuò)配的堿基對，并將其水解:能切除突變的DNA片段DNA-polⅡ（120kD）

反應(yīng)需要帶有缺口的雙鏈DNA作為模板，但缺口不能太大。

DNA-polII基因發(fā)生突變，細(xì)菌依然能存活。在polI和polIII缺失情況下暫時(shí)起作用。參與DNA損傷的應(yīng)急狀態(tài)修復(fù)（SOS修復(fù)）。

功能：原核生物復(fù)制延長中真正起催化作用的酶DNA-polⅢ(250kD)10種亞基組成的不對稱異源二聚體DNA-polIII的亞基的功能

、、

：組成核心酶，兼有5

聚合活性和

5外切酶活性：復(fù)制保真性所必需

：夾穩(wěn)模板鏈并使酶沿模板滑動-復(fù)合物：其余亞基的統(tǒng)稱，有促進(jìn)全酶組裝至模板上，以及增強(qiáng)核心酶活性的作用(二)真核生物的DNA聚合酶已至少發(fā)現(xiàn)15種：DNA-polα,β,γ,δ,εDNA-polα：起始引發(fā)，有引物酶活性,與隨從鏈的合成有關(guān)DNA-polβ：參與低保真度的復(fù)制

DNA-polδ：主要的催化酶，有解螺旋酶活性，與領(lǐng)頭鏈合成有關(guān)DNA-polε：校讀、修復(fù)和填補(bǔ)缺口作用DNA-polγ：在線粒體DNA復(fù)制中起催化作用(二)真核生物的DNA聚合酶三、復(fù)制保真性的酶學(xué)依據(jù)復(fù)制保真性的酶學(xué)機(jī)制：（一）DNA-pol的核酸外切酶活性與校讀（二）DNA-pol對堿基的選擇功能（一）DNA-pol的核酸外切酶活性和及時(shí)校讀A：DNA-pol的外切酶活性切除錯(cuò)配堿基；并用其聚合活性摻入正確配對的底物。B：堿基配對正確，DNA-pol不表現(xiàn)外切酶活性。（二）復(fù)制的保真性依賴正確的堿基選擇?在核苷酸聚合之前或在聚合當(dāng)時(shí)，DNA聚合酶就可以控制堿基的正確選擇1.遵守嚴(yán)格的堿基配對規(guī)律；2.聚合酶在復(fù)制延長時(shí)對堿基的選擇功能；3.復(fù)制出錯(cuò)時(shí)DNA-pol的及時(shí)校讀功能。DNA復(fù)制的保真性至少要依賴三種機(jī)制

四、復(fù)制中解鏈和DNA分子的拓?fù)鋵W(xué)變化參與DNA解鏈和穩(wěn)定單鏈狀態(tài)的酶及蛋白質(zhì)解螺旋酶（helicase）引物酶（primase）單鏈DNA結(jié)合蛋白(singlestrandedDNAbindingprotein,SSB)DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶（DNAtopoisomerase）解開、理順DNA鏈，維持DNA在一段時(shí)間內(nèi)處于單鏈狀態(tài)（一）解螺旋酶、引物酶和單鏈DNA結(jié)合蛋白E.Coli基因圖目錄解螺旋酶helicaseDNA拓樸異構(gòu)酶DNAtopoisomerase單鏈DNA結(jié)合蛋白SSB(singlestrandDNAbindingprotein)解開、理順DNA鏈、維持DNA單鏈狀態(tài)解螺旋酶

解螺旋酶（unwindingenzyme），又稱解鏈酶或rep蛋白（replication，DnaB），用于解開DNA雙鏈的酶蛋白，每解開一對堿基，需消耗兩分子ATP。引物酶(primase)——復(fù)制起始時(shí)催化生成RNA引物的酶。由dnaG基因編碼（對利福平不敏感）；短鏈RNA（引物，primer）為DNA生物合成提供了3’-OH末端。單鏈DNA結(jié)合蛋白（singlestrandbindingprotein,SSB），又稱螺旋反穩(wěn)定蛋白（HDP）其作用為：①穩(wěn)定單鏈DNA，便于以其為模板復(fù)制子代DNA；②保護(hù)單鏈DNA，避免核酸酶的降解。

作用特點(diǎn)：不斷結(jié)合、脫離（二）DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶(DNAtopoisomerase)

解鏈過程中正超螺旋的形成作用特點(diǎn)：

松弛超螺旋和雙股螺旋，理順DNA鏈，既能水解又能形成磷酸二酯鍵分類拓?fù)洚悩?gòu)酶I型拓?fù)洚悩?gòu)酶II型DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶(DNAtopoisomerase)

拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅰ切斷DNA雙鏈中一股鏈，使DNA解鏈旋轉(zhuǎn)不致打結(jié)；適當(dāng)時(shí)候封閉切口，DNA變?yōu)樗沙跔顟B(tài)。反應(yīng)不需ATP。拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ切斷DNA分子兩股鏈，斷端通過切口旋轉(zhuǎn)使超螺旋松弛。利用ATP供能，連接斷端，DNA分子進(jìn)入負(fù)超螺旋狀態(tài)。作用機(jī)制

II五、DNA連接酶催化一個(gè)DNA片段的3`-OH末端和相鄰DNA片段的5`-P末端生成磷酸二酯鍵，從而把兩段相鄰的DNA鏈連接成一條完整的鏈。需要消耗ATP。只能連接堿基互補(bǔ)基礎(chǔ)上的雙鏈中的單鏈缺口。在DNA修復(fù)、重組、剪接中也起縫合缺口的作用。是基因工程的重要工具酶5`5`5`5`3`3`3`3`POHDNA連接酶ATPADP3`HOO－P－O－OO－5`3`HOP5`+DNA連接酶ATPADP3`HOO－P－OOO－P5`三種酶催化生成磷酸二酯鍵的比較提供核糖3`-OH提供5`-P結(jié)果聚合酶引物或延長中的新鏈游離dNTP去PPi(dNMP)n+1連接酶復(fù)制中不連續(xù)的兩條單鏈不連續(xù)→連續(xù)拓?fù)涿盖袛唷⒄砗蟮膬蓷l鏈改變拓?fù)錉顟B(tài)第三節(jié)

DNA生物合成過程

TheProcessofDNAReplication一、原核生物的DNA生物合成二、真核生物的DNA生物合成一、原核生物的DNA生物合成（一）復(fù)制的起始1、DNA解成單鏈，提供模板2、形成引發(fā)體及合成引物提供3`-OH末端1.DNA解成單鏈大腸桿菌的復(fù)制有固定的起始點(diǎn)，稱為oriCoriC的跨度為245bp，有特定的堿基順序3組串聯(lián)重復(fù)序列——識別區(qū)2對反向重復(fù)序列——ATrich區(qū)（容易解鏈）解鏈過程主要由DnaA、B、C三種蛋白質(zhì)共同參與DnaA：四聚體蛋白，辨認(rèn)并結(jié)合于串聯(lián)重復(fù)序列DnaB：解螺旋酶；DnaC：協(xié)同DnaB蛋白SSB在一定時(shí)間內(nèi)使復(fù)制叉保持適當(dāng)長度GATTNTTTATTT···GATCTNTTNTATT···GATCTCTTATTAG···

11317293244

···TGTGGATTA-‖-TTATACACA-‖-TTTGGATAA-‖-TTATCCACA5866166174201209237245

串聯(lián)重復(fù)序列

反向重復(fù)序列5

3

5

3

E.coli復(fù)制起始點(diǎn)oriC引發(fā):從DNA的雙鏈解開到合成RNA引物的過程。引發(fā)體:引物酶(DnaG)與解螺旋酶(DnaB)、DnaC及DNA的起始復(fù)制區(qū)域構(gòu)成的復(fù)合物，它負(fù)責(zé)RNA引物的合成。引物：是由引物酶催化合成的短鏈RNA分子。2.引發(fā)體和引物參與復(fù)制起始的各種物質(zhì)名稱功能DnaA蛋白辨認(rèn)起始點(diǎn)解螺旋酶(DnaB蛋白)解開DNA雙鏈DnaC蛋白協(xié)助解螺旋酶引物酶(DnaG蛋白)催化RNA引物生成SSB穩(wěn)定解開的單鏈拓?fù)洚悩?gòu)酶理順DNA鏈oriC(245bp的DNA組分)E.coli的復(fù)制起始點(diǎn)（二）復(fù)制的延長指在DNA-pol的催化下，以母代單鏈DNA為模板，按照堿基互補(bǔ)原則，dNTP以dNMP的方式逐個(gè)加入引物或延長中的子鏈DNA上，其化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)是生成磷酸二酯鍵。DNA-polIII的核心酶和b亞基同一復(fù)制叉上領(lǐng)頭鏈和隨從鏈由相同的DNA-pol催化延長DNA聚合酶IIII復(fù)制過程中各種酶和蛋白質(zhì)因子的作用原核生物基因是環(huán)狀DNA，雙向復(fù)制的復(fù)制片段在復(fù)制的終止點(diǎn)(ter)處匯合。oriterE.coli8232oriterSV40500（三）復(fù)制的終止5

5

RNA酶（水解引物）5

OHP5

5

5

P5

5

隨從鏈上不連續(xù)性片段的連接DNA-polIdNTP催化岡崎片段繼續(xù)延長填補(bǔ)引物缺口ATP

ADP+PiDNA連接酶將相鄰的兩個(gè)DNA片段連接起來，形成完整的DNA鏈二、真核生物的DNA生物合成

起始延長終止?真核生物每個(gè)染色體有多個(gè)起始點(diǎn)，是多復(fù)制子復(fù)制。復(fù)制有時(shí)序性，即復(fù)制子以分組方式激活而不是同步起動。?復(fù)制的起始需要DNA-polα（引物酶活性）和polδ（解螺旋酶活性）參與。還需拓?fù)涿负蛷?fù)制因子(replicationfactor,RF)。增殖細(xì)胞核抗原(proliferationcellnuclearantigen,PCNA)在復(fù)制起始和延長中起關(guān)鍵作用。（一）復(fù)制的起始3

5

5

3

領(lǐng)頭鏈3

5

3

5

親代DNA隨從鏈引物核小體（二）復(fù)制的延長切除引物的兩種機(jī)制染色體DNA呈線狀，復(fù)制在末端停止。

DNA復(fù)制與核小體裝配同步進(jìn)行，復(fù)制完成后隨即組合成染色體并從G2期過渡到M期復(fù)制中岡崎片段的連接，復(fù)制子之間的連接染色體兩端DNA子鏈上最后合成的RNA引物，去除后留下空隙。（三）復(fù)制的終止5

3

3

55

3

3

5+5

3

3

3

3

5

5

端粒(telomere)指真核生物染色體線性DNA分子末端的結(jié)構(gòu).功能?維持染色體的穩(wěn)定性?維持DNA復(fù)制的完整性結(jié)構(gòu)特點(diǎn)?由末端單鏈DNA序列和蛋白質(zhì)構(gòu)成。?末端DNA序列是富含G、T短序列的多次重復(fù)TTTTGGGGTTTTGGGG…端粒酶(telomerase)端粒酶RNA(humantelomeraseRNA,hTR)端粒酶協(xié)同蛋白

(humantelomeraseassociatedprotein1,hTP1)端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶

(humantelomerasereversetranscriptase,hTRT)