第四節(jié) DNA復制、損傷與修復課件

DNA復制、損傷與修復第四節(jié)1.DNA復制DNA復制依賴于特殊的堿基配對堿基互補配對原則

A＝TG≡C

DNA復制是半保留式的

1953年，Watson&Crick提出

DNA復制發(fā)生在細胞分裂周期的S期

DNA雙螺旋在解旋酶的作用下解旋，2條鏈中間的堿基對分開，成為2條單鏈；每一條單鏈都作為模板；

每條鏈上暴露出來的堿基各自與一個游離于核中的4種三磷酸脫氧核苷酸（T、G、A、C）按照堿基配對原則配對，形成與之互補的核苷酸；DNA半保留式復制：在與單鏈上配對的核苷酸之間形成磷酸二酯鍵，在DNA聚合酶的作用下形成鏈條新的互補鏈（子鏈），其中DNA聚合酶只能使核苷酸按5’3’

方向連接。最終形成各含一條母鏈和一條子鏈的2個雙鏈DNA分子。DNA半保留式復制：半保留模型DNA聚合酶和岡崎片段（半不連續(xù)復制）

DNA聚合酶的共同特點：（1）需要提供合成模板；需要Mg2＋催化；（2）不能起始新的DNA鏈，必須要有引物提供3’-OH；（3）合成的方向都是5’→3’（4）除聚合DNA外還有其它功能。

而DNA母鏈（模板鏈）方向為5’→3’和3’→5’，如何解決這一矛盾？DNA聚合酶和岡崎片段（半不連續(xù)復制）岡崎片段與半不連續(xù)復制模型在5’→3’這一模板上，DNA聚合酶仍按照5’→3’方向先反方向地合成一系列小的片段，稱為岡崎片段然后這些小片段再通過DNA連接酶的作用，互相連接起來而成長鏈。3PolymeraseIII5’3’前導鏈Leadingstrandbasepairs5’5’3’3’Helicase

ATP單鏈結(jié)合蛋白SSBProteinsRNA引物RNAPrimer引物酶primase2聚合酶IIIPolymeraseIII滯后鏈Laggingstrand岡崎片斷OkazakiFragments1RNAprimerreplacedbypolymeraseI&gapissealedbyligase

連接酶Summary：DNA復制過程模式圖1）原材料：雙鏈DNA（模板），核苷酸（底物）；2）輔助條件：解旋酶，單鏈結(jié)合蛋白，DNA聚合酶，引物酶，DNA連接酶2.DNA損傷及修復一、突變的意義（一）突變是進化、分化的分子基礎(chǔ)（二）突變導致基因型改變（三）突變導致死亡（四）突變是某些疾病的發(fā)病基礎(chǔ)二、引起突變的因素1．自發(fā)因素：

(1)自發(fā)脫堿基：N-糖苷鍵的自發(fā)斷裂

(2)自發(fā)脫氨基：C→U，A→I(3)復制錯配：（發(fā)生頻率較低）

2.物理因素

紫外線(ultraviolet,UV)、各種輻射Thyminedimers胸腺嘧啶二聚體3．化學因素：(1)脫氨劑：如亞硝酸與亞硝酸鹽，可加速C脫氨基生成U，A脫氨基生成I。烷基化劑：引起堿基或磷酸基的烷基化，甚至可引起鄰近堿基的交聯(lián)

DNA加合劑：嘌呤共價結(jié)合引起損傷

堿基類似物：可摻入到DNA分子中引起損傷或突變

斷鏈劑：如過氧化物，含巰基化合物等，可引起DNA鏈的斷裂

6-分子生物學化學誘變劑——堿基類似物5-bromouracil5-溴尿嘧啶6-分子生物學Mutageniceffectsof5-bromouracil5-溴尿嘧啶引起的突變?nèi)⑼蛔兊姆肿痈淖冾愋湾e配(mismatch)缺失(deletion)插入(insertion)重排(rearrangement)移碼(frame-shift)

DNA分子上的堿基錯配稱點突變(pointmutation)。發(fā)生在同型堿基之間，即嘌呤代替另一嘌呤，或嘧啶代替另一嘧啶。1.轉(zhuǎn)換發(fā)生在異型堿基之間，即嘌呤變嘧啶或嘧啶變嘌呤。2.顛換（一）錯配堿基的轉(zhuǎn)換（二）缺失、插入和移碼缺失：一個堿基或一段核苷酸鏈從DNA大分子上消失。插入：原來沒有的一個堿基或一段核苷酸鏈插入到DNA大分子中間。移碼突變是指三聯(lián)體密碼的閱讀方式改變，造成蛋白質(zhì)氨基酸排列順序發(fā)生改變。

缺失或插入都可導致移碼突變

6-分子生物學

遺傳密碼遺傳密碼——DNA分子中核苷酸的排列順序與蛋白質(zhì)中氨基酸排列順序之間的對應關(guān)系。遺傳密碼是由三個堿基組成的，因此叫三聯(lián)體密碼，64個，其中61個負責氨基酸的翻譯。遺傳密碼的特點具有連續(xù)可讀性和不重疊性簡并現(xiàn)象具有起始密碼子和終止密碼子普遍通用性（線粒體DNA除外）6-分子生物學遺傳密碼表6-分子生物學PHEPHESERSERSERSERTYRTYRCYSCYSLEULEULEULEULEULEUSTOPSTOPSTOPTRPPROPROPROPROHISHISARGARGARGARGGLNGLNILEILEILETHRTHRTHRTHRASNASNSERSERLYSLYSARGARGMETVALVALVALVALALAALAALAALAASPASPGLYGLYGLYGLYGLUGLUNEUTRAL-NONPOLAR

NEUTRAL-POLAR

BASIC

ACIDIC谷酪蛋絲5’……G

C

A

GUA

CAU

GUC……丙纈組纈正常5’……G

A

G

UAC

AUG

UC……缺失C缺失引起移碼突變DNA突變的效應：同義突變錯義突變無義突變移碼突變6-分子生物學Typesofbasepairsubstitutionsandmutations.6-分子生物學Typesofbasepairsubstitutionsandmutations.（三）重排DNA分子內(nèi)較大片段的交換，稱為重組或重排。

由基因重排引起的兩種地中海貧血基因型6-分子生物學缺失重復倒位易位四、DNA損傷的修復修復(repairing)

是對已發(fā)生分子改變的補償措施，使其回復為原有的天然狀態(tài)。光修復切除修復重組修復SOS修復

修復的主要類型（一）光修復光修復酶(photolyase)

UV300～600nm可見光6-分子生物學光修復UvrAUvrBUvrCOHPDNA聚合酶ⅠOHP

（二）切除修復是細胞內(nèi)最重要和有效的修復機制，主要由DNA-polⅠ和連接酶完成。DNA連接酶ATPE.coli的切除修復機制（三）重組修復6-分子生物學重組修復（四）SOS修復當DNA損傷廣泛難以繼續(xù)復制時，由此而誘發(fā)出一系列復雜的反應。這種修復特異性低，對堿基的識別、選擇能力差。通過SOS修復，復制如能繼續(xù)，細胞是可存活的。然而DNA保留的錯誤較多，導致較廣泛、長期的突變。與DNA修復有關(guān)的人類遺傳疾?。褐愿善げ?/p>

布倫氏癥候群

遺傳性大腸癌

6-分子生物學Xerodermapigmentosum干皮性色素沉著原因:核苷酸切除修復機制出現(xiàn)缺失核苷酸切除修復是人體內(nèi)唯一可以去除嘧啶二聚體的機制癥狀:對光線非常敏感日光照射容易罹患皮膚癌第5節(jié)基因表達及調(diào)控RNA的合成（轉(zhuǎn)錄）蛋白質(zhì)的合成（翻譯）基因表達的調(diào)控6-分子生物學AGUUAGCUAGCDNARNATranscriptionTCATCGATCGA6-分子生物學TCAATCGATCGAGUUAGCUAGCDNAmRNAMetUA1CAU2IleCTranslationmessengertRNAtransferRibosome6-分子生物學UAGCUAGCDNAmRNAtRNAMetIleAU2CU3AspGATCAATCGATCGAGU6-分子生物學ATCGATCGUAGCUAGCDNAmRNAProteinMetIleAspTCAAGU6-分子生物學ATCGATCGUAGCUAGCDNAmRNADestroyedTCAAGU轉(zhuǎn)錄(transcription)生物體以DNA為模板合成RNA的過程。

轉(zhuǎn)錄RNADNA

I

RNA的生物合成（轉(zhuǎn)錄）參與轉(zhuǎn)錄的物質(zhì)原料:

NTP(ATP,UTP,GTP,CTP)模板:

DNA酶:

RNA聚合酶(RNApolymerase,RNA-pol)其他蛋白質(zhì)因子復制和轉(zhuǎn)錄的區(qū)別（一）轉(zhuǎn)錄模板DNA雙鏈中按堿基配對規(guī)律能指引轉(zhuǎn)錄生成RNA的一股單鏈，稱為模板鏈(templatestrand)，也稱作有義鏈或Watson鏈。相對的另一股單鏈是編碼鏈(codingstrand)，也稱為反義鏈或Crick鏈。6-分子生物學DNA以全保留的方式轉(zhuǎn)錄成RNA5’3’方向5′···GCAGTACATGTC···3′3′···cgtcatgtacag···5′5′···GCAGUACAUGUC···3′N······Ala·Val·His·Val······C編碼鏈模板鏈mRNA蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄翻譯不對稱轉(zhuǎn)錄在DNA分子雙鏈上某一區(qū)段，一股鏈用作模板指引轉(zhuǎn)錄，另一股鏈不轉(zhuǎn)錄；模板鏈并非永遠在同一條單鏈上。（二）RNA聚合酶1.原核生物的RNA聚合酶核心酶全酶

RNA聚合酶全酶在轉(zhuǎn)錄起始區(qū)的結(jié)合6-分子生物學轉(zhuǎn)錄過程

場所：主要在細胞核模板：DNA的一條鏈原料：4種核糖核苷酸原則：堿基互補配對原則（A-U）產(chǎn)物：RNA原核生物：只有一種RNA聚合酶真核生物：RNA聚合酶ⅠrRNARNA聚合酶ⅡmRNA前體

RNA聚合酶ⅢtRNA等

（一）轉(zhuǎn)錄起始轉(zhuǎn)錄起始需解決兩個問題：RNA聚合酶必須準確地結(jié)合在轉(zhuǎn)錄模板的起始區(qū)域。DNA雙鏈解開，使其中的一條鏈作為轉(zhuǎn)錄的模板。一、原核生物的轉(zhuǎn)錄過程2.DNA雙鏈解開1.RNA聚合酶全酶(2)與模板結(jié)合3.在RNA聚合酶作用下發(fā)生第一次聚合反應，形成轉(zhuǎn)錄起始復合物轉(zhuǎn)錄起始過程6-分子生物學啟動子RNA聚合酶（二）轉(zhuǎn)錄延長1.

亞基脫落，RNA–pol聚合酶核心酶變構(gòu)，與模板結(jié)合松弛，沿著DNA模板前移；

2.在核心酶作用下，NTP不斷聚合，RNA鏈不斷延長。(NMP)n

+

NTP

(NMP)n+1

+PPi6-分子生物學轉(zhuǎn)錄空泡(transcriptionbubble)：RNA-pol（核心酶）

····DNA····RNA依賴Rho(ρ)因子的轉(zhuǎn)錄終止不依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止（三）轉(zhuǎn)錄終止指RNA聚合酶在DNA模板上停頓下來不再前進，轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物RNA鏈從轉(zhuǎn)錄復合物上脫落下來。分類ATP1.依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止6-分子生物學終止子2.不依賴Rho因子的轉(zhuǎn)錄終止幾種主要的修飾方式1.剪接(splicing)2.剪切(cleavage)3.

修飾(modification)4.

添加(addition)二轉(zhuǎn)錄后修飾一、真核生物mRNA的轉(zhuǎn)錄后加工（一）首、尾的修飾5

端形成帽子結(jié)構(gòu)(m7GpppGp—)3

端加上多聚腺苷酸尾巴(polyAtail)帽子結(jié)構(gòu)（二）mRNA的剪接1.

hnRNA

和snRNA核內(nèi)的初級mRNA稱為核不均一RNA或雜化核RNA(hetero-nuclearRNA,hnRNA)snRNA(smallnuclearRNA)核內(nèi)的蛋白質(zhì)小分子核糖核酸蛋白體（并接體,splicesome）snRNA2.外顯子(exon)和內(nèi)含子(intron)外顯子在斷裂基因及其初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物上出現(xiàn)，并表達為成熟RNA的核酸序列。內(nèi)含子隔斷基因的線性表達而在剪接過程中被除去的核酸序列。6-分子生物學hnRNA不均一核RNA6-分子生物學鎖套結(jié)構(gòu)6-分子生物學剪接由剪接體介導完成,剪接體是由蛋白質(zhì)和snRNA構(gòu)成雞卵清蛋白基因hnRNA首、尾修飾hnRNA剪接成熟的mRNA雞卵清蛋白基因及其轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后修飾雞卵清蛋白成熟mRNA與DNA雜交電鏡圖DNAmRNA二、tRNA的轉(zhuǎn)錄后加工tRNA前體RNApolⅢTGGCNNAGTGCGGTTCGANNCCDNARNAaseP、內(nèi)切酶tRNA核苷酸轉(zhuǎn)移酶、連接酶ATPADP堿基修飾（2）還原反應如：UDHU

（3）核苷內(nèi)的轉(zhuǎn)位反應如：Uψ（假尿嘧啶）（4）脫氨反應如：A

I

如：AAm（1）甲基化（1）（1）（3）（2）（4）II.蛋白質(zhì)的生物合成翻譯的起始翻譯的延長翻譯的終止整個翻譯過程可分為：翻譯過程從閱讀框架的5′-AUG開始，按mRNA模板三聯(lián)體密碼的順序延長肽鏈，直至終止密碼子出現(xiàn)。氨基酸+tRNA氨酰-tRNAATPAMP＋PPi氨酰-tRNA合成酶（一）氨酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNAsynthetase)

氨基酸的活化一、肽鏈合成起始指mRNA和起始氨酰-tRNA分別與核糖體結(jié)合而形成翻譯起始復合物（一）原核生物翻譯起始復合物形成核糖體大小亞基分離；mRNA在小亞基定位結(jié)合；起始氨酰-tRNA的結(jié)合；核糖體大亞基結(jié)合。6-分子生物學原核、真核生物各種起始因子的生物功能IF-3IF-11.核糖體大小亞基分離AUG5'3'IF-3IF-12.mRNA在小亞基定位結(jié)合6-分子生物學S-D序列（核糖體結(jié)合位點，RBS，ribosomebindingsite）IF-3IF-1IF-2GTP3.起始氨酰tRNA(fMet-tRNAimet)結(jié)合到小亞基AUG5'3'IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4.核糖體大亞基結(jié)合，起始復合物形成AUG5'3'目錄IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi（二）真核生物翻譯起始復合物形成核糖體大小亞基分離；起始氨酰-tRNA結(jié)合；mRNA在核糖體小亞基就位；核糖體大亞基結(jié)合。二、肽鏈合成延長指根據(jù)mRNA密碼序列的指導，添加氨基酸，N端向C端延伸肽鏈，直到合成終止的過程。肽鏈延長在核糖體上連續(xù)性循環(huán)式進行，又稱為核糖體循環(huán)，每次循環(huán)增加一個氨基酸，包括以下三步：進位成肽轉(zhuǎn)位延伸過程所需蛋白因子稱為延長因子(elongationfactor,EF)原核生物：EF-T(EF-Tu,EF-Ts)EF-G真核生物：EF-1、EF-2原核延長因子生物功能對應真核延長因子EF-Tu促進氨酰-tRNA進入A位，結(jié)合分解GTPEF-1-αEF-Ts調(diào)節(jié)亞基EF-1-βγEFG有轉(zhuǎn)位酶活性，促進mRNA-肽酰-tRNA由A位前移到P位，促進卸載tRNA釋放EF-2肽鏈合成的延長因子（一）進位指根據(jù)mRNA下一組遺傳密碼指導，使相應氨酰-tRNA進入核糖體A位。

TuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsGTP（二）成肽是由轉(zhuǎn)肽酶(transpeptidase)催化的肽鍵形成過程。（三）轉(zhuǎn)位延長因子EF-G有轉(zhuǎn)位酶(translocase)活性，可結(jié)合并水解1分子GTP，促進核糖體向mRNA的3'側(cè)移動。fMetAUG5'3'fMetTuGTP進位轉(zhuǎn)位成肽

三、肽鏈合成的終止當mRNA上終止密碼出現(xiàn)后，多肽鏈合成停止，肽鏈從肽酰-tRNA中釋出，mRNA、核糖體等分離，這些過程稱為肽鏈合成終止。

終止相關(guān)的蛋白因子稱為釋放因子(releasefactor,RF)一是識別終止密碼，如RF-1特異識別UAA、UAG；而RF-2可識別UAA、UGA。二是誘導轉(zhuǎn)肽酶改變?yōu)轷ッ富钚?，相當于催化肽?；D(zhuǎn)移到水分子-OH上，使肽鏈從核糖體上釋放。釋放因子的功能原核生物釋放因子：RF-1，RF-2，RF-3

真核生物釋放因子：eRF原核肽鏈合成終止過程UAG5'3'COO-6-分子生物學Overviewoftranslation從核糖體釋放出的新生多肽鏈不具備蛋白質(zhì)生物活性，必需經(jīng)過不同的翻譯后復雜加工過程才轉(zhuǎn)變?yōu)樘烊粯?gòu)象的功能蛋白。主要包括多肽鏈折疊為天然的三維結(jié)構(gòu)肽鏈一級結(jié)構(gòu)的修飾高級結(jié)構(gòu)修飾蛋白質(zhì)合成后加工基因表達調(diào)控一、基因表達的概念*基因組(genome)一個細胞或病毒所攜帶的全部遺傳信息或整套基因?；蚪?jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯，產(chǎn)生具有特異生物學功能的蛋白質(zhì)分子的過程。*基因表達(geneexpression)基因表達是受調(diào)控的二、基因表達的時間性及空間性（一）時間特異性按功能需要，某一特定基因的表達嚴格按特定的時間順序發(fā)生，稱之為基因表達的時間特異性多細胞生物基因表達的時間特異性又稱階段特異性（二）空間特異性基