DNA的合成

DNA-遗传信息的载体?以亲代DNA为模板合成子代DNA、从而将遗传信息准确地传递到子代DNA分子的过程。1.DNA的复制——传递遗传信息2.转录——表达遗传信息生物体以DNA为模板合成RNA的过程。3.翻译——表达遗传信息mRNA分子中由碱基序列组成的遗传信息，通过遗传密码破译的方式转变成为蛋白质中的氨基酸排列顺序。传统中心法则4.RNA复制1965年，科学家在RNA肿瘤病毒中发现了一种RNA复制酶，它可以对RNA进行复制。病毒RNA进入宿主细胞后，还可进行复制，即在RNA指导的RNA聚合酶催化进行RNA合成反应。在逆转录酶的催化下，以RNA为模板合成DNA的过程，又称反转录。1970年，科学家在致癌的RNA病毒中发现了逆转录酶，它能以RNA为模板合成DNA.中心法则DNADNADNA复制遗传信息DNARNA逆转录遗传信息RNARNARNA复制遗传信息DNAmRNA转录遗传信息mRNA蛋白质翻译遗传信息DNA的生物合成RNA的生物合成蛋白质的生物合成第十一章DNA的生物合成(复制)DNABiosynthesis(Replication)目的要求1.掌握半保留复制概念，原核生物参与复制中酶、蛋白质因子的种类和作用。2.熟悉逆转录概念，逆转录酶活性特点；DNA损伤修复方式。3.了解复制过程；真核生物DNA复制的特点；突变类型。端粒与端粒酶作用。内容第一节复制的基本规律第二节复制的酶学第三节DNA生物合成过程第四节逆转录第五节DNA损伤与修复复制的基本规律BasicRulesofDNAReplication第一节复制(replication)是指遗传物质的传代，以母链DNA为模板合成子链DNA的过程。复制亲代DNA子代DNA半保留复制(semi-conservativereplication)双向复制(bidirectionalreplication)半不连续复制(semi-discontinuousreplication)DNA复制的特征一、半保留复制的实验依据和意义1.子链继承母链遗传信息的几种可能方式全保留式半保留式分散式2.半保留复制证据1958年Messelson和StahlDNA生物合成时，母链DNA解开为两股单链，各自作为模板(template)按碱基配对规律，合成与模板互补的子链。子代细胞的DNA，一股单链从亲代完整地接受过来，另一股单链则完全从新合成。两个子细胞的DNA都和亲代DNA碱基序列一致。这种复制方式称为半保留复制。3.半保留复制的概念ATGCCGTA亲代DNATCGAAGCTAGCTTCGA子代DNA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。4.半保留复制的意义遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，但不是绝对的。1、复制起点(origin)：DNA解链和复制从特定序列的位点开始。2.复制子(replicon)：从一个复制起点启动复制的全部DNA序列。原核生物：单复制子，真核生物：多复制子3.复制叉(replicationfork)：解链点形成分叉结构，（单向、双向）4.双向复制：复制时，DNA从起始点向两个方向解链，形成两个延伸相反的复制叉。二、双向复制A.环状双链DNA及复制起始点B.复制中的两个复制叉C.复制接近终止点(termination,ter)oriterABC真核生物多个复制起始点、复制子与复制叉真核生物的多复制子复制电镜图参与DNA复制的物质底物(substrate):dATP,dGTP,dCTP,dTTP聚合酶(polymerase):依赖DNA的DNA聚合酶，简写为DNA-pol模板(template):解开成单链的DNA母链引物(primer):提供3-OH末端使dNTP可以依次聚合其他的酶和蛋白质因子：拓扑异构酶、解螺旋酶、单链DNA结合蛋白、引物酶、连接酶DNA复制的酶学TheEnzymologyofDNAReplication第二节1.解螺旋酶(helicase)又称解链酶或rep蛋白•利用ATP供能，作用于氢键，使DNA双链解开成为两条单链。每解开一对碱基，需消耗2分子ATP。DnaBDnaC解链方向2.单链DNA结合蛋白(singlestrandedDNAbindingprotein,SSB)在复制中维持模板处于单链状态并保护单链的完整性。3.DNA拓扑异构酶(DNAtopoisomerase)108局部解链后拓扑是指物体或图像作弹性位移而又保持不变的性质。解链过程中，DNA分子会过度拧紧、打结、缠绕、连环等现象。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。•作用机制拓扑异构酶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。（主要）4.引物酶(primase)依赖DNA的RNA聚合酶。对利福平不敏感。可以催化游离NTP聚合。在大肠杆菌，是dnaG基因的表达产物。催化RNA引物的生成。引物（primer）：是由引物酶催化生成的短链RNA，它可为DNA聚合提供3'-OH末端。U引物RNA5'3'OH原料：NTP合成方向：5′3′合成位点：Ori模板：亲代单链DNA5.DNA聚合酶全称：依赖DNA的DNA聚合酶(DNA-dependentDNApolymerase)简称：DNA-pol活性：1.53的聚合活性2.核酸外切酶活性5'3'OH作用：合成DNA原料：dNTP合成方向：5′3′合成位点：引物RNA3′-OH模板：亲代单链DNA5′3′聚合酶活性5'3'OH5′3′外切酶活性：切除引物RNA切除错配的碱基引物RNAC5'3'OHH20dCMP3′5′外切酶活性：保真催化DNA聚合参与DNA损伤的应急状态修复校读、修复合成、切除引物填补空隙功能2040400分子数/细胞1011亚基数－－+5外切酶活性+++5外切酶活性+++5聚合酶活性polIIIpolIIpolIE.Coli中的DNA聚合酶结构：DNA聚合酶I为一条多肽链，有三种酶活性。(1)DNA聚合酶ⅠDNA-pol的核酸外切酶活性和及时校读A：DNA-pol的外切酶活性切除错配碱基；并用其聚合活性掺入正确配对的底物。B：碱基配对正确，DNA-pol不表现活性。(2)DNA-polⅡ（120kD）•DNA-polII基因发生突变，细菌依然能存活•它参与DNA损伤的应急状态修复。功能是原核生物复制延长中真正起催化作用的酶。(3)DNA-polⅢ(250kD)1.遵守严格的碱基配对规律；2.聚合酶在复制延长时对碱基的选择功能；3.复制出错时DNA-pol的及时校读功能。DNA复制的保真性至少要依赖三种机制6.DNA连接酶连接DNA链3-OH末端和相邻DNA链5-P末端，使二者生成磷酸二酯键，从而把两段相邻的DNA链连接成一条完整的链。•DNA连接酶(DNAligase)作用方式POO-O-OHO5’POO-O-O3’3’5’DNA连接酶ATPADP5’3’5’3’目录•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。•也是基因工程的重要工具酶之一。•功能DNA生物合成过程TheProcessofDNAReplication第三节（一）复制的起始需要解决两个问题：1.DNA解开成单链，提供模板。2.合成引物，提供3-OH末端。一、原核生物的DNA生物合成E.coli复制起始点oriCGATTNTTTATTT···GATCTNTTNTATT···GATCTCTTATTAG···11317293244···TGTGGATTA-‖-TTATACACA-‖-TTTGGATAA-‖-TTATCCACA5866166174201209237245串联重复序列反向重复序列53531.DNA解链DnaA解旋酶DNA拓扑异构酶SSB35352.引发体和引物含有解螺旋酶、DnaC蛋白、引物酶和DNA复制起始区域的复合结构称为引发体。3535引物是由引物酶催化合成的短链RNA分子。引物（二）复制的延长复制的延长指在DNA-pol催化下，dNTP以dNMP的方式逐个加入引物或延长中的子链上，其化学本质是磷酸二酯键的不断生成。5'3'5'dATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPdCTPOH3'3'DNA-pol复制过程简图领头链的合成•染色体DNA呈线状，复制在末端停止。•复制中岡崎片段的连接，复制子之间的连接。•染色体两端DNA子链上最后复制的RNA引物，去除后留下空隙。（三）复制的终止三、真核生物DNA复制的特点（一）真核生物DNA复制位点:呈多点双向复制（二）参与真核生物DNA复制的酶:5种端粒(telomere)端粒酶(telomerase)1.端粒(telomere)指真核生物染色体线性DNA分子末端的结构。功能•维持染色体的稳定性•维持DNA复制的完整性结构特点•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、C碱基的短序列。TTTTGGGGTTTTGGGG…1）是一种逆转录酶，是一种核糖核蛋白。2）由RNA和蛋白质构成，能识别和结合端粒序列。3）其中RNA大约有150个核苷酸，富含CxAy，正好与端粒序列TnGm的单链呈杂交结合状态。结构：2.端粒酶(telomerase)特点：1）由RNA和蛋白质构成的复合物2）为特殊的逆转录酶，能以自身的RNA为模板逆转录合成端粒DNA真核生物染色体DNA采取线性复制方式子链5′末端的一段RNA引物被水解后，留下的空隙。则由端粒酶爬行式复制填补。端粒酶的功能：解决线性DNA末端隐缩端粒酶的催化延长作用爬行模型端粒的平均长度随培养细胞分裂次数↑、人类年龄↑，而逐渐变短↓，将导致DNA复制能力↓，细胞分裂障碍，寿命缩短。端粒酶与衰老肿瘤的发生:1990年，Greider等人发现，在大约90%人类肿瘤组织中能检查到端粒酶阳性，而在正常组织中，这种酶表达为阴性或仅有3～4%阳性率.存在问题：1.端粒酶基因剔除：小鼠自发性肿瘤发生率↑。2.人体正常造血干细胞、生殖细胞端粒酶阳性，在肿瘤治疗中如何保护？3.对10～15%端粒酶阴性肿瘤组织，存在选择性端粒延长途径，能抗端粒酶的治疗。端粒酶与肿瘤的发生逆转录ReverseTranscription第四节逆转录酶(依赖RNA的DNA聚合酶)1.RNA指导的DNA聚合酶活性2.RNA水解酶活性3.DNA指导的DNA聚合酶活性逆转录(reversetranscription)以RNA为模板，合成与其互补的DNA的过程。逆转录酶一、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DNA逆转录酶AAAATTTTAAAASI核酸酶DNA聚合酶Ⅰ碱水解TTTT分子生物学研究可应用逆转录酶，作为获取基因工程目的基因的重要方法之一，此法称为cDNA法。以mRNA为模板，经逆转录合成的与mRNA碱基序列互补的DNA链。试管内合成cDNAcDNAcomplementaryDNA逆转录酶催化的DNA合成反应也是5’—3’方向。需要的引物是病毒本身的一种tRNA。二、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。DNA损伤（突变）与修复DNADamage(Mutation)andRepair第五节遗传物质的结构改变而引起的遗传信息改变，均可称为突变。在复制过程中发生的DNA突变称为DNA损伤(DNAdamage)。从分子水平来看，突变就是DNA分子上碱基的改变。一、突变的意义（一）突变是进化、分化的分子基础（二）突变导致基因型改变（三）突变导致死亡（四）突变是某些疾病