第三部分分子生物學(xué),第十章染色體結(jié)構(gòu)與DNA復(fù)制,1、本章簡介2、掌握內(nèi)容講述3、要點回顧4、本章習(xí)題,第十章染色體結(jié)構(gòu)與DNA復(fù)制,本章介紹了原核/真核生物染色體的結(jié)構(gòu)、生物體內(nèi)DNA的復(fù)制過程、DNA的突變、損傷與修復(fù)、重組。重點掌握DNA復(fù)制的過程與機(jī)制。,第十章染色體結(jié)構(gòu)與DNA復(fù)制,10.1原核生物染色體結(jié)構(gòu)10.2染色質(zhì)結(jié)構(gòu)10.3真核生物染色體結(jié)構(gòu)10.4DNA復(fù)制一、半保留半不連續(xù)復(fù)制機(jī)制二、DNA聚合酶三、DNA突變、損傷與修復(fù)四、重組,第十章染色體結(jié)構(gòu)與DNA復(fù)制,所有細(xì)菌的主要基因都位于單一的環(huán)狀雙鏈染色體DNA上，染色體DNA編碼著10005000個蛋白質(zhì)大腸桿菌染色體結(jié)構(gòu)染色體環(huán)中蛋白質(zhì)與DNA結(jié)合，對DNA起著保護(hù)、固定和壓縮的作用細(xì)菌還可能含有質(zhì)粒,組蛋白與DNA的結(jié)合,真核生物染色體DNA組裝的不同層次的結(jié)構(gòu),DNA,核小體鏈,纖絲,突環(huán),玫瑰花結(jié),螺旋圈,染色體,遺傳信息傳遞的中心法則,遺傳信息流即由DNA復(fù)制把親代的遺傳信息忠實地傳遞給子代。在子代這些遺傳信息通過轉(zhuǎn)錄傳遞給RNA，再由RNA通過翻譯轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的蛋白質(zhì)。基因表達(dá)是指DNA經(jīng)過轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生RNA，RNA經(jīng)過翻譯產(chǎn)生蛋白質(zhì)。,1、DNA的半保留復(fù)制2、DNA復(fù)制的起點與方向3、DNA的半不連續(xù)復(fù)制4、DNA復(fù)制的分子基礎(chǔ)5、DNA復(fù)制的過程6、DNA復(fù)制的忠實性7、真核生物復(fù)制（端粒酶）,DNA的復(fù)制,DNA的半保留復(fù)制,DNA在復(fù)制時，兩條鏈解開分別作為模板，在DNA聚合酶的催化下按堿基互補(bǔ)的原則合成兩條與模板鏈互補(bǔ)的新鏈，以組成新的DNA分子。由于子代DNA分子中一條鏈來自親代，另一條鏈?zhǔn)切潞铣傻?，這種復(fù)制方式稱為半保留復(fù)制。,DNA復(fù)制的起始、方向（53),復(fù)制叉,復(fù)制叉,未復(fù)制DNA,單向復(fù)制,雙向復(fù)制,真核細(xì)胞DNA多個起點復(fù)制（53),復(fù)制起始點、復(fù)制子與復(fù)制叉（動畫演示）,以35方向的親代DNA鏈作模板的子代鏈在復(fù)制時基本上是連續(xù)進(jìn)行的，其子代鏈的聚合方向為53，這一條鏈被稱為前導(dǎo)鏈(leadingstrand)。以53方向的親代DNA鏈為模板的子代鏈在復(fù)制時則是不連續(xù)的，其鏈的聚合方向也是53，這條鏈被稱為后隨/滯后鏈(laggingstrand)。前導(dǎo)鏈連續(xù)復(fù)制而后隨鏈不連續(xù)復(fù)制，就是復(fù)制的半不連續(xù)性。,DNA的半不連續(xù)復(fù)制,兩條子鏈的合成方向都是53,由于親代DNA雙鏈在復(fù)制時是逐步解開的，因此，后隨鏈的合成也是一段一段的。DNA在復(fù)制時，由后隨鏈所形成的一些子代DNA短片段稱為岡崎片段(Okazakifragment)。岡崎片段的大小，在原核生物中約為10002000個核苷酸，而在真核生物中約為100個核苷酸。,DNA的半不連續(xù)復(fù)制,前導(dǎo)鏈(leadingstrand),后隨/滯后鏈(laggingstrand),DNA的半不連續(xù)復(fù)制,岡崎片段(okazakifragment),DNA復(fù)制的分子基礎(chǔ),1.底物dNTP(dATP,dGTP,dCTP,dTTP)2.有關(guān)的酶拓?fù)洚悩?gòu)酶、解鏈酶、引物酶、聚合酶（DNA聚合酶I、II、III）、DNA連接酶3.模板單鏈的DNA母鏈4.引物寡核苷酸引物（RNA)5.其他蛋白質(zhì)因子單鏈結(jié)合蛋白（SSB維持模板處于單鏈狀態(tài)，保護(hù)單鏈的完整）,DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶(解旋酶）既能水解，又能打斷堿基互補(bǔ)配對的氫鍵在引發(fā)體前引入負(fù)超螺旋,以抵消復(fù)制過程產(chǎn)生的正螺旋打開超螺旋DNA解鏈酶解開雙螺旋引物酶是RNA聚合酶，合成一段RNA引物解鏈酶、引物酶形成移動的引發(fā)體,大腸桿菌三種DNA聚合酶比較,DNA聚合酶,分子量每個細(xì)胞的分子統(tǒng)計數(shù)5-3聚合酶作用3-5核酸外切酶作用5-3核酸外切酶作用轉(zhuǎn)化率,DNA聚合酶,DNA聚合酶（復(fù)合物）,109，000400+1,120，000100+-0.05,400，00010-20+-50,比較項目,DNA聚合酶的活性,5至3的聚合活性53方向鏈的延伸核酸外切酶活性53外切酶活性切除引物35外切酶活性校對功能,參與DNA復(fù)制的DNA聚合酶，必須以一段具有3端自由羥基（3-OH）的RNA作為引物(primer)，才能開始聚合子代DNA鏈。RNA引物的大小，在原核生物中通常為50100個核苷酸，而在真核生物中約為10個核苷酸。RNA引物的堿基順序，與其模板DNA的堿基順序相配對。,需要引物,5至3的聚合活性（53）,DNA-pol的核酸外切酶活性和及時校讀,A：DNA-pol的外切酶活性35切除錯配堿基；并用其聚合酶活性53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。,35外切酶活性校對功能,連接酶連接缺口,Mg2+,連接酶,A,T,C,G,P,T,T,P,P,P,A,A,C,C,T,G,A,P,A,C,P,P,P,P,OH,T,G,G,A,T,C,G,P,T,T,P,P,P,A,A,C,C,T,G,A,P,A,C,P,P,P,T,G,G,P,缺口,3,3,5,5,5,5,3,3,模板鏈,模板鏈,3,5磷酸二酯鍵,DNA的復(fù)制過程,（一）復(fù)制的起始,（二）復(fù)制的延伸,（三）復(fù)制的終止,起始的過程,打開DNA超螺鏈,打開雙螺旋,防止復(fù)螺旋,單鏈結(jié)合蛋白,解鏈酶,引發(fā)體引物復(fù)合體,引物酶,拓?fù)洚悩?gòu)酶,合成,DNA復(fù)制起始過程,拓?fù)洚悩?gòu)酶,解鏈酶,單鏈結(jié)合蛋白,DNA聚合酶,引物酶及引發(fā)體,DNA連接酶,引物,DNA雙鏈,拓?fù)洚悩?gòu)酶,解鏈酶,單鏈結(jié)合蛋白,DNA聚合酶,引物酶及引發(fā)體,DNA連接酶,引物,DNA復(fù)制起始的過程,拓?fù)洚悩?gòu)酶與DNA雙鏈結(jié)合，松弛超螺旋。,拓?fù)洚悩?gòu)酶,解鏈酶,單鏈結(jié)合蛋白,DNA聚合酶,引物酶及引發(fā)體,DNA連接酶,引物,DNA復(fù)制起始過程,解鏈酶解開DNA雙螺旋,拓?fù)洚悩?gòu)酶,解鏈酶,單鏈結(jié)合蛋白,DNA聚合酶,引物酶及引發(fā)體,DNA連接酶,引物,單鏈結(jié)合蛋白防止復(fù)螺旋,DNA復(fù)制起始的過程,拓?fù)洚悩?gòu)酶,解鏈酶,單鏈結(jié)合蛋白,DNA聚合酶,引物酶及引發(fā)體,DNA連接酶,引物(RNA),DNA復(fù)制起始過程,引物酶合成引物,(二)DNA復(fù)制的延伸DNA聚合酶,1.DNA聚合酶把新生鏈的第一個脫氧核苷酸加到引物的3OH上，開始新生鏈的合成過程,引物,組成DNA的脫氧核糖核苷酸一個個連接起來,3,5-磷酸二酯鍵,引物,引物,引物,引物,引物,引物,引物,引物,DNA模板鏈,DNA新鏈,引物,2.半不連續(xù)復(fù)制與岡崎片段,前導(dǎo)鏈,滯后鏈,岡崎片段,5,3,2.半不連續(xù)復(fù)制與岡崎片段,前導(dǎo)鏈、后隨鏈/滯后鏈、半不連續(xù)復(fù)制、岡崎片段。,DNA聚合酶,DNA聚合酶,(三)復(fù)制的終止,遇到終止子停止復(fù)制DNA聚合酶利用53外切酶活性水解引物DNA聚合酶聚合活性填補(bǔ)缺口DNA連接酶連接缺口。,3,3,3,3,3,3,3,3,5,5,5,5,5,5,5,5,5,原核細(xì)胞DNA的半不連續(xù)、半保留復(fù)制過程,復(fù)制叉的移動方向,拓?fù)洚悩?gòu)酶,解鏈酶,DNA聚合酶I,3,5,3,5,復(fù)制的起始、方向,DNA鏈的合成與延長,DNA鏈合成的終止,DNA聚合酶,復(fù)制的忠實性,DNA復(fù)制過程是一個高度精確的過程，據(jù)估計，大腸桿菌DNA復(fù)制109-1010堿基對僅出現(xiàn)一個誤差，保證復(fù)制忠實性的原因主要有以下四點:,a、DNA聚合酶的高度專一性（嚴(yán)格遵循堿基配對原則）,b、DNA聚合酶的校對功能（錯配堿基被3-5外切酶切除）,c、起始時以RNA作為引物,d、DNA的損傷修復(fù)系統(tǒng),DNA的突變、損傷與修復(fù),（一）DNA的突變,（二）DNA的損傷與修復(fù),DNA堿基在物理或化學(xué)因素影響下發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，絕大部分可被DNA修復(fù)糾正，如果沒有被糾正而變成可遺傳的永久的改變基因突變最簡單的突變是點突變（單獨一個堿基的突變），可分為轉(zhuǎn)換和顛換點突變?nèi)绻l(fā)生在DNA的非編碼區(qū)或密碼子的第3個堿基，一般不會改變其編碼的蛋白質(zhì)沉默突變,點突變改變了Pr的AA錯義突變，對Pr功能的影響可小可大甚至致死，這取決于Pr的重要性點突變?nèi)缡挂粋€密碼子變成了終止子，結(jié)果基因產(chǎn)物是變短的Pr無義突變插入或缺失一個或多個堿基引起移碼突變，所翻譯的Pr從突變點到C末端序列發(fā)生改變與調(diào)節(jié)、生長、分裂、死亡相關(guān)基因的突變可能誘發(fā)癌癥；沉默突變、非致死突變的積累產(chǎn)生遺傳多態(tài)性，即“正常”DNA-Pr序列可接受的突變,DNA突變的類型,野生型基因,堿基對的置換(substitution),移碼突變(framesshiftmutation),DNA的損傷與修復(fù),某些物理化學(xué)因子，如紫外線、電離輻射和化學(xué)誘變劑等，都有引起生物突變和致死的作用，其機(jī)理是作用于DNA，造成DNA結(jié)構(gòu)和功能的破壞，稱為DNA的損傷.DNA的修復(fù)主要有以下類型:,暗修復(fù),（4）誘導(dǎo)修復(fù)（SOS修復(fù)）,（1）DNA光解酶修復(fù),（2）切除修復(fù),（3）錯配修復(fù),光修復(fù)紫外光照射可使相鄰的兩個T形成二聚體光復(fù)活酶可使二聚體解聚為單體狀態(tài)，DNA完全恢復(fù)正常。光修復(fù)酶的激活需300-600m波長的光。,1、形成嘧啶二聚體,2、光解酶結(jié)合于損傷部位,3、酶被可見光激活,4、修復(fù)后酶被釋放,DNA紫外線損傷的光解酶修復(fù)（高等哺乳動物沒有）,DNA的損傷和切除修復(fù),堿基丟失,堿基缺陷或錯配,結(jié)構(gòu)缺陷,切開,核酸內(nèi)切酶,核酸外切酶,切除,DNA聚合酶,DNA連接酶,AP位點核酸內(nèi)切酶,核酸外切酶,切開,切除,修復(fù),連接,糖基化酶,插入酶,堿基取代,識別錯誤堿基并切斷糖苷鍵,DNA重組,（一）重組,（二）特異位點重組,（三）轉(zhuǎn)座,（二）反轉(zhuǎn)錄病毒,DNA重組,重組:兩條雙鏈DNA分子之間發(fā)生部分區(qū)域交換，是導(dǎo)致基因組大規(guī)模變化、生物進(jìn)化的重要過程。可分為同源重組、特異位點重組、轉(zhuǎn)座同源重組發(fā)生在真核生物減數(shù)分裂，需要同源染色體在較長區(qū)域內(nèi)具有序列相同或相似特異位點重組只要求短區(qū)域內(nèi)有相同序列轉(zhuǎn)座重組需要轉(zhuǎn)座子,轉(zhuǎn)座,轉(zhuǎn)座子/可轉(zhuǎn)座元件:一些較短的DNA序列，可以插入細(xì)胞基因組的任何位置。不需要序列同源也不需要特異位點轉(zhuǎn)座酶是內(nèi)切核酸酶，在染色體DNA上切個交錯切口即黏性末