2016-1微生物的遗传物质

第1章微生物的遗传物质第一节遗传物质DNA的结构和复制第二节原核生物的染色体及其复制第三节基因结构和基因组染色体是微生物基因组的结构单位，习惯上把原核生物的DNA分子也称为染色体。基因是编码功能性产物的一段具有特征结构的DNA片段（以RNA为遗传物质的病毒除外）。第一节遗传物质DNA的结构和复制一、DNA的结构4种脱氧核苷酸由3‘5’磷酸二酯键聚合而形成DNA的碱基顺序一级结构DNA结构二级结构DNADoubleHelixmodelWatson&Crick,19533.4nm1nmB-DNA是在有碱金属存在及92%湿度条件下，经X光衍射分析得到的。A-DNA是在75%湿度条件下DNA纤维通过X光衍射分析得到的。右手双螺旋结构1979年，发现了左手双螺旋DNA，称为Z-DNA是由两条反向平行的多聚核苷酸相连而成的。Z-DNA可能在基因表达调控中起作用。但确切的生物学功能尚待研究。ABZ三级结构E.coli的染色体长度1mm，比其细胞本身长1000倍，所以一定存在着超螺旋结构；在真核生物中核小体的形成引入负超螺旋，在细菌和古细菌中是DNA回旋酶引起超螺旋。DNA的不同形式有：环状和线状通常细菌的染色体DNA，质粒DNA，以及真核生物的线粒体DNA和叶绿体DNA为环状二、DNA的复制特点和几种主要的复制方式1.基本概念2.复制起点与方向3.Semi-ConservationReplication4.复制的方式1.基本概念(BasicConcept)Watson&Crick:一种遗传物质，必须能行使两种功能，即自我复制和对细胞的高度特异性的影响遗传物质的基本属性：基因的自我复制基因的突变可以控制性状的表达DNA复制亲代双链DNA分子在DNA聚合酶的作用下，分别以每单链DNA分子为模板，聚合与自身碱基可以互补配对的游离的dNTP,合成出两条与亲代DNA分子完全相同的子代DNA分子的过程。●Replicon;●Replisome;每一个复制起点及其复制区称为一个复制单位Themultiprotein(30±)structurethatassemblesatreplicatingforktoundertakesynthesisofDNA•复制机理的复杂性D.S.DNAS.S.DNA能量的供求构型的变化超螺旋线状，开环状多种酶类的互作ReplisomeDNA复制起始控制机理知之甚少复制的准确性（修复，校正）研究试材的特殊性（温度敏感型ts，突变抑制体系Su）DNA复制速度(E.coli105bp/min，高速解旋112km/h?)缺乏统一的模式(D.S.DNA,S.S.DNA,LinearDNA….)原核生物的复制起点（Originofreplication，简称ori）例如，E.coli的oriC，长度为245bp真核生物多个复制起点，例如酿酒酵母，约有400个复制起点（autonomouslyreplicatorysequence，ARS），每个长度为100-200bp。2.复制起点与方向（replicationorigin&direction）isolationofori•richAT&palindromEnzymesbindingsite300bp±inreplicationorigin0fProkaryoteATrich复制起点的特征ATrich真核生物复制起点的研究是以酵母为基础的ARS(automaticReplicationSequence)自主复制序列ARS1(A,B1,B2,B3)A区具有高度保守性A/TTTTATG/ATTTA/TB区变化较大•“呼吸现象”DNA复制原点处氢键迅速断裂与再生，导致两条DNA链不断解链与聚合，形成瞬间的单泡状结构的过程。在富含AT的区域内尤为明显•子链DNA延伸方向DNApolymerasereactsonthe3’endonlyNewDNAelongationfrom5’to3’direction进化中保留的深刻的、选择与适应的、化学及功能的根源5’OHTCATCAC5’OH3’pppOHC++ppi如果DNA的延伸方向是3’→5’ATCG+5’pppOH3’GpppOHGATCG5’pppOH3’ATCG+5’pppOH3’GpppOHG5’ppp因能量的需要，DNA的5’端必须带有PPP游离dNTP具有ppppppOH3’ATCG在0.2MNacl的生理环境中，磷酸基团间的强电负性，使dNTP难以聚合到DNA的5‘端，而且双链DNA的5’端碱基配对困难需要其他机制以解脱碱基发生错配后的校正……费时、费能、增加脱磷酸、加磷酸的能量消耗ATCGpppOH+pppApOHTCGpppOHTCGTCGpppOH3.DNA的半保留复制（Semi-ConservationReplication）Threereplicationhypotheses(CsClgradientcentrifuge)N15N14DNASemi-ConservationReplicationM.MeselsonandF.W.Stahl,Sciences44:675,1958.b)半不连续复制（semi-discontinuousreplication）后随链前导链5‘3’3‘5’3‘5’5‘3’4.DNA复制的方式(DNAreplicationmodel)●θ型复制1963年，Cairns根据E.coli的环状染色体复制的中间产物自显影实验提出的。形状象“θ”●滚环方式D.S.DNA→Nick→Elongation→rolling合成互补链，形成双链A蛋白识别起点，产生切口polIII催化延长正链环化形成双链结构产生A蛋白,识别复制起点●置换式或D-Loop（Displacementform）D.S.DNAInmitochondrialDNAalsoinchloroplasmDNA→S.S.DNAastemplate→NewS.S.DNA→Displacement→D-Loop重链复制D-环延伸形成D-环轻链开始复制重链复制完成轻链正在复制轻链复制完成封闭新合成链上的缺口第二节原核生物的染色体及其复制原核生物染色体80%以上DNARNA蛋白质环状双链DNA分子存在于细胞内相对集中的区域，成为拟核。无核膜。一、原核生物染色体的数目和大小E.coli有1条环状染色体，4.7MbB.subtilis有1条环状染色体，4.2MbAgrobacteriumtumefaciens有1条线性染色体，2.1Mb；1条环状染色体，3.0Mb。二、细菌染色体的结构参与DNA折叠的蛋白质类组蛋白与DNA结合后，帮助DNA进行高度折叠，除类组蛋白外，DNA还与其他蛋白质相结合。如与复制、转录和加工有关的蛋白质结合在一起，这样，其环状染色体DNA以紧密缠绕的、致密的、不规则小体形式存在，该小体即是拟核。电镜下呈圆形或椭圆形。拟核：三、细菌染色体的复制细菌的复制基因与酶类InitiategenesdnaBprepriming300kd~20copies/cellhexamerRNApolprimaseforleadingS.dnaCactswithdnaB25kddnaGprimaseforlaggingS.60kd~25(Okazakifragment)monomerSSBBindingwithS.S.DNA74kd~300PreventsfromannealmonomerElongategenesdnaEDNApolymeraseIII(α)140kd~20dnaZDNApolymeraseIII(β)52kd~20polADNApolymeraseI109kd~400polBDNApolymeraseII90-120kd~100TopoisomerasetopATopI(swivelase)100kdsuperhelix→D.S.helixTopoisomerasegyrαTopII(gyrase)gyrβD.S.helix→superhelixCutD.S.DNAATPLigateTopoisomeraserepRelaxedprotein(Helicase)D.S.DNA→S.S.DNAligLigaseHDPHelixDi-stabilizingProteinNoATPaseBindingS.S.DNAdecreaseTmPreventsfromannealb)DNA聚合酶（DNApolymerase）ProkaryoteIpolA109KD3’-5’和5’-3’外切酶活性切除RNA引物和参与后随链合成中的缺口填充反应IIpolB3’-5’外切酶活性III10种不同的亚基组成核心酶和全酶TopI,TopIIHelicase(repprotein)SingleStrandBindingprotein(SSB)Helixdestabilizingprotein(HDP)DnaBproteinDnaCproteinPrimaseUng-aseDNAPolymeraseIIIDNAPolymeraseILigaseforprimosome复制体进化中形成了灵活的多酶复合体replisome进化中形成了灵活的多酶复合体replisome位于复制叉处的多酶复合体完成laggingStrandDNA延伸时•必须快速从一个冈崎片段移到另一冈崎片段•InlaggingStrand多酶系统必须完成多次反复的启动与扩展E.coli启动2000—4000次的冈崎片段复制Replisomemodel复制起点AT丰富DNA识别位点DNAbox5’-TTATCCACA-3’13个富含AT的单核苷酸5’-GATCTNTTNTTTT-3’大肠杆菌染色体复制起点oriC的结构DNA复制过程链的生长原理起始阶段:识别oriC复制叉起始阶段:双链分开起始阶段:引物的合成延伸阶段:TheterminationofDNAreplicationE.coli(单起点双方向)两复制叉的相遇处具有多个终止位点(不是复制叉简单相遇）terE,D,AterF,C,B(22bp保守区)FBTerminusUtilizationSubstance（TUS36kd）CADETer-TUS复合体终止阶段:terE,D,A仅对反时针方向的复制叉具有终止效应terF,B,C仅对顺时针方向的复制叉具有终止效应FBCADETer-TUS复合体(Rep.forktrap)终止DnaB(螺旋酶)防止DNA过度复制避免出现DNA多聚体，高拷贝四、细菌染色体的分离机制第三节基因结构和基因组基因结构和基因概念的发展基因组学大肠杆菌的基因组ΦX174噬菌体的基因组真核生物的基因组及其特点原核基因结构:-35,-10区的特征真核基因结构:增强子,外显子,内含子一、基因结构和基因概念RNA剪切基本概念geneoverlappinggenesplitgenepseudogenemovablegeneIntronexonORFenhancersilencerpromoterterminator二、基因组学基因组的大小:病毒103bp原核生物106bp真核生物109bp基因组:单倍体细胞核内整套染色体所含的DNA分子及其所携带的全部基因MapoftheMycoplasmagenitaliumgenomeMapoftheHaemophilusinfluenzaegenome基因组学的发展E.coli的基因组转录单元：由启动子，结构基因和终止子组成的一段DNA顺序。操纵子：功能上相关联的几个结构基因前后相连，利用一个共同的启动子和终止子，这种转录单元被称为操纵子。ΦX174噬菌体的基因组真核生物的基因组及其特点基因组的分子量大真核生物有很多条染色体，一般呈线性核基因组DNA存在于细胞核内基因组有大量不编码蛋白质的序列真核生物的蛋白质编码基因往往以单拷贝形式存在非重复序列（单一序列）中度重复序列高度重复序列（卫星DNA）真核生物基因组中的DNA序列特征：基因家族：真核生物基因组