DNA复制转录翻译讲解

主讲教师：黄慧聪医学分子生物学基础肺炎支原体肺炎流行病学、临床特征与诊疗规范化研究潘长旺发展简史2主要内容345DNA复制、转录和翻译DNA重组与基因工程基因与疾病1发展简史准备和酝酿建立和发展蛋白质是生命的主要基础物质DNA是遗传的物质基础遗传中心法则的建立蛋白质翻译合成的基本过程1953年Watson-Crick的DNA双螺旋结构模型Watson-Crick的DNA双螺旋主要内容基因工程技术基因表达的调控生物大分子的结构和功能生物信息学DNA复制、转录和翻译中心法则（centraldogma）遗传信息传递方向的规律DNA通过复制将遗传信息由亲代传递给子代；通过转录和翻译，将遗传信息传递给蛋白质分子，从而决定生物的表现型。DNA的复制、转录和翻译过程就构成了遗传学的中心法则。在RNA病毒中，其遗传信息贮存在RNA分子中。遗传信息的流向是RNA通过复制，将遗传信息由亲代传递给子代，通过反转录将遗传信息传递给DNA，再由DNA通过转录和翻译传递给蛋白质，这种遗传信息的流向就称为反中心法则。染色体结构与DNA复制基因的转录与加工蛋白质的翻译蛋白质合成后的修饰加工蛋白质合成后的靶向输送一、染色体结构与DNA复制（一）复制的基本规律（二）DNA复制的条件（三）DNA生物合成过程（四）真核生物端粒（五）逆转录染色体：染色体DNA基因基因和染色体，DNA和脱氧核苷酸的关系：每一条染色体只含有一个DNA分子，每个DNA分子上有很多基因，基因是DNA片段，在染色体上呈线性排列，每个基因中又有成百上千个脱氧核苷酸。每个基因有特定的脱氧核苷酸排列顺序，它代表着遗传信息是基因的载体。DNA在复制时，以亲代DNA的每一股作模板，合成完全相同的两个双链子代DNA，每个子代DNA中都含有一股亲代DNA链，这种现象称为DNA的半保留复制(semi-conservativereplication)。1、半保留复制（一）复制的基本规律复制亲代DNA子代DNADNA半保留复制示意图DNA半保留复制研究实验结果示意图按半保留复制方式，子代DNA与亲代DNA的碱基序列一致，即子代保留了亲代的全部遗传信息，体现了遗传的保守性。遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，但不是绝对的。半保留复制的意义DNA在复制时，需在特定的位点起始，这是一些具有特定核苷酸排列顺序的片段，即复制起始点(origin)。在原核生物中，复制起始点通常为一个，而在真核生物中则为多个。2、有一定的复制起始点5’3’oriorioriori5’3’5’5’3’3’5’5’3’复制子3’复制起始点与复制子示意图习惯上把两个相邻DNA复制起始点之间的距离（或DNA片段）定为一个复制子(replicon)。复制子是独立完成复制的功能单位。DNA复制时，局部双螺旋解开形成两条单链，这种叉状结构称为复制叉。复制起始点、复制子与复制叉（动画演示）参与DNA复制的DNA聚合酶，必须以一段具有3’端自由羟基（3’-OH）的RNA作为引物(primer)，才能开始聚合子代DNA链。RNA引物的大小，在原核生物中通常为50~100个核苷酸，而在真核生物中约为10个核苷酸。RNA引物的碱基顺序，与其模板DNA的碱基顺序相配对。3、需要引物DNA复制时，以复制起始点(origin)为中心，向两个方向进行解链，形成两个延伸方向相反的复制叉，称为双向复制(bidirectionalreplication)。但在低等生物中，也可进行单向复制（如滚环复制）。4、双向复制DNA聚合酶只能以5'→3'方向聚合子代DNA链，即模板DNA链的方向必须是3'→5'。由于DNA分子中两条链的走向相反，因此当分别以两条亲代DNA链作为模板聚合子代DNA链时，子代链的聚合方向也是不同的。5、半不连续复制3535解链方向领头链(leadingstrand)随从链(laggingstrand)DNA的半不连续复制以3’→5’方向的亲代DNA链作模板的子代链在复制时基本上是连续进行的，其子代链的聚合方向为5’→3’，这一条链被称为领头链(leadingstrand)。以5’→3’方向的亲代DNA链为模板的子代链在复制时则是不连续的，其链的聚合方向也是5’→3’，这条链被称为随从链(laggingstrand)。领头链连续复制而随从链不连续复制，就是复制的半不连续性。由于亲代DNA双链在复制时是逐步解开的，因此，随从链的合成也是一段一段的。DNA在复制时，由随从链所形成的一些子代DNA短链称为冈崎片段(Okazakifragment)。冈崎片段的大小，在原核生物中约为1000～2000个核苷酸，而在真核生物中约为100个核苷酸。以四种脱氧核糖核酸(deoxynucleotidetriphosphate)为底物，即dATP，dGTP，dCTP，dTTP。1、底物(substrate)(dNMP)n+dNTP(dNMP)n+1+PPi（二）DNA复制的条件DNA复制过程中脱氧核糖核苷酸的聚合反应DNA复制是模板依赖性的，必须要以亲代DNA链作为模板。亲代DNA的两股链解开后，可分别作为模板进行复制。2、模板(template)引物酶(primerase)本质上是一种依赖DNA的RNA聚合酶（DDRP），该酶以DNA为模板，聚合一段RNA短链引物(primer)，以提供自由的3’-OH，使子代DNA链能够开始聚合。引物酶需组装成引发体才能催化RNA引物的合成。3、引发体和RNA引物3535引物酶催化合成短链RNA引物分子引物4、DNA聚合酶全称：依赖DNA的DNA聚合酶(DNA-dependentDNApolymerase,DDDP)简称：DNA-pol活性：1.53的聚合酶活性2.核酸外切酶活性DNA连接酶(DNAligase)可催化两段DNA片段之间磷酸二酯键的形成，从而把两段相邻的DNA链连接成一条完整的链。5、DNA连接酶DNA连接酶ATP（NAD+）ADP+Pi（NMN++AMP）HO5’POO-O-O3’5’3’POO-O-O3’5’5’3’DNA连接酶的连接作用DNA复制过程简图DNA连接酶在复制中起最后接合缺口的作用。在DNA修复、重组及剪接中也起缝合缺口作用。是基因工程的重要工具酶之一。DNA连接酶的作用解螺旋酶(helicase)，又称解链酶或rep蛋白，是用于解开DNA双链的酶蛋白。每解开一对碱基，需消耗2分子ATP。6、解螺旋酶单链DNA结合蛋白（singlestrandbindingprotein,SSB），又称螺旋反稳蛋白(HDP)，是一些能够与单链DNA结合的蛋白质因子。7、单链DNA结合蛋白SSB的生理作用使解开双螺旋后的DNA单链能够稳定存在，即稳定单链DNA，便于其作为模板复制子代DNA；保护单链DNA，避免核酸酶的降解。8、DNA拓扑异构酶人类拓扑异构酶Ⅰ的分子结构能够松解DNA超螺旋结构的酶。108局部解链后DNA复制过程中正超螺旋的形成解链过程中正超螺旋的形成拓扑异构酶的作用特点既能水解、又能连接磷酸二酯键拓扑异构酶Ⅰ拓扑异构酶Ⅱ分类拓扑异构酶Ⅰ切断DNA双链中一股链，使DNA解链旋转不致打结；适当时候封闭切口，DNA变为松弛状态。反应不需ATP。拓扑异构酶Ⅱ切断DNA分子两股链，断端通过切口旋转使超螺旋松弛。利用ATP供能，连接断端，DNA分子进入负超螺旋状态。DNA拓扑异构酶的作用机制1、复制的起始（三）DNA生物合成过程解旋解链，形成复制叉引发体组装和引物合成2、复制的延长DNA聚合酶5'3'5'dATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPdCTPOH3'3'DNA-polDNA复制的延长过程3、复制的终止去除引物，填补缺口连接冈崎片段端粒（telomere）是指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构部分，通常膨大成粒状。（四）真核生物端粒功能•维持染色体的稳定性•保证DNA复制的完整性端粒的结构特点•由末端单链DNA序列和蛋白质构成。•末端DNA序列是多次重复的富含G、T碱基的短序列。TTTTGGGGTTTTGGGG…线性DNA在复制完成后，其末端由于引物RNA的水解而可能出现缩短。故需要在端粒酶（telomerase）的催化下，进行延长反应。53355335端粒酶(telomerase)端粒酶是一种RNA-蛋白质复合体，它可以其RNA为模板，通过逆转录过程对末端DNA链进行延长。端粒酶的分子结构端粒酶的爬行模型（动画演示）（五）逆转录1、逆转录病毒和逆转录酶逆转录病毒细胞内的逆转录现象：RNA模板逆转录酶DNA-RNA杂化双链RNA酶单链DNA逆转录酶双链DNA2、逆转录研究的意义逆转录酶和逆转录现象，是分子生物学研究中的重大发现。逆转录现象说明：至少在某些生物，RNA同样兼有遗传信息传代与表达功能。对逆转录病毒的研究，拓宽了20世纪初已注意到的病毒致癌理论。（一）RNA的转录过程：（略）转录起始链的延伸转录终止二、基因的转录与加工（二）RNA的转录后加工在细胞内，由RNA聚合酶合成的原初转录物（primarytranscript）往往需要一系列的变化，才转变为成熟的RNA分子。此过程总称为RNA的成熟或称为RNA的转录后加工。1、mRNA前体的加工：原核生物的mRNA转录后一般不需要加工，转录的同时即进行翻译（半寿期短）。亦有少数多顺反子的mRNA需要核酸酶切成小单位，然后再翻译。真核生物mRNA（半寿期较长）转录物很大，在加工过程中形成许多分子大小不等的中间物，它们被称为核内不均一RNA（heterogeneousnuclearRNA,hnRNA)，需要进一步进行加工修饰转化为mRNA。加工包括：（1）hnRNA被剪接，把内含子（DNA上非编码序列）转录序列剪掉，把外显子（DNA上的编码序列）转录序列拼接上(真核生物一般为不连续基因)。（2）3’端添加polyA“尾巴”；（3）5’端连接“帽子”结构（m7G5ppp5NmpNp-）；（4）分子内部的核苷酸甲基化修饰。2、tRNA前体的加工：原核与真核生物的tRNA转录后都需要加工。3、rRNA前体的加工：原核与真核生物的rRNA转录后也都需要进行加工。原核：刚转录的rRNA为30S，先在特定的碱基上进行甲基化（核糖2-羟基）修饰，后逐步裂解。真核：45S（哺乳动物）、38S（果蝇）、37S（酵母）tRNAsarecleavedfromtranscriptsofrRNAoperons三、蛋白质的翻译1、遗传密码(geneticcode):DNA（或mRNA）中核苷酸序列与蛋白质中氨基酸序列之间的对应关系。2、密码子(codon)：mRNA上每3个相邻核苷酸编码多肽链中一个氨基酸，这三个核苷酸称一个密码子或三联体密码。（一）遗传密码两个概念3、遗传密码字典mRNA：蛋白质的DNA序列信息的中间体。tRNA：运送特定氨基酸到核糖体上合成蛋白质。rRNA：核糖体的组成元件。（二）蛋白质合成中使用的RNA1、mRNA是蛋白质合成的模板原核生物mRNA与真核生物mRNA结构比较核糖体可以不从mRNA上解离连续合成三个蛋白质EukaryoticmRNAProkaryoticmRNA2、tRNA转运活化的氨基酸至mRNA模板上有20种分子转换器，每种氨基酸一个3、rRNA核糖体是蛋白质合成的工厂核糖体得到分离后，发现含有RNA，即称rRNA。（三）核糖体大小亚基的生物学功能小亚基：通过密码子与反密码子的配对，识别并结合模板mRNA，蛋白质合成中A位、P位、E位的一部分等。大亚基：结合多肽链，催化肽键形成、蛋白质合成中A位、P位、E位的一部分等。①mRNA结合部位；②结合AA-tRNA部位（A位）；③结合肽基tRNA部位（P位）；④空载tRNA移出部位（E位）；⑤形成肽键的部位。此外，还有用于起始和延伸的各种蛋白质因子结合部位。核糖体发挥生物学功能的5个基本部位进位移位转肽Ala（A）Val（V）Leu（L）Ile（I）P