第三篇基因信息的傳遞遺傳信息

DNA是遺傳的主要物質(zhì)（自我復(fù)制）*

遺傳信息：DNA分子中堿基或核苷酸的排列順序四種核苷酸：A、G、C、T

基因：編碼生物活性產(chǎn)物的DNA功能片段*概述二.遺傳信息傳遞的中心法則

CentralDogmaofgeneticinformationtransferJamesWatson(right)andFrancisCrick遺傳信息傳遞的中心法則*DNARNA蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄翻譯逆轉(zhuǎn)錄復(fù)制轉(zhuǎn)錄：以DNA為模板合成RNA的過程。翻譯：以mRNA為模板合成蛋白質(zhì)的過程。逆轉(zhuǎn)錄：以RNA為模板合成DNA的過程。復(fù)制：DNA以自身為模板合成DNA，將親代DNA的遺傳信息傳遞給子代DNA本篇內(nèi)容DNA生物合成

RNA生物合成蛋白質(zhì)生物合成基本概念、特點(diǎn)參與的酶及蛋白質(zhì)因子基本過程

基因表達(dá)調(diào)控基因工程真核、原核20世紀(jì)70年代，生物技術(shù)

第十章DNA的生物合成

DNABIOSYNTHESIS第一節(jié)復(fù)制的基本規(guī)律復(fù)制*：DNA以自身為模板合成DNA，將親代DNA的遺傳信息傳遞給子代DNA。復(fù)制

親代DNA

子代DNA一.DNA的半保留復(fù)制

子代DNA繼承母鏈遺傳信息的幾種可能方式全保留式復(fù)制半保留式復(fù)制混合式復(fù)制

Dispersivereplicationsemi-conservativereplicationconservativereplicationsemi-conservativeDNAreplication

MatthewMeselson1958FranklinStahl半保留復(fù)制的實驗依據(jù)以15NH4Cl培養(yǎng)細(xì)菌數(shù)代14NH4Cl培養(yǎng)第一代14NH4Cl培養(yǎng)第二代M.Messelson&F.W.Stahl,1958密度梯度離心母鏈子鏈全保留半保留混合式???第一代第二代

——實驗結(jié)果支持半保留復(fù)制的設(shè)想

DNA的半保留復(fù)制*

semi-conservativereplicationAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCCCACTGGGGTGACCAGGTACTGTCCATGACTCCATGACAGGTACTGAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACC親代DNA

復(fù)制過程中形成的復(fù)制叉子代DNA

+

半保留復(fù)制的意義*子代DNA保留了親代DNA的全部遺傳信息，體現(xiàn)了遺傳的保守性，是物種穩(wěn)定性的分子基礎(chǔ)

遺傳的保守性并不是絕對的復(fù)制親代DNA子代DNA二.雙向復(fù)制(bidirectionalreplication)1.復(fù)制的起始點(diǎn)（1）原核生物通常只有一個originori

245bp

E.Coli4×106bpE.coli雙向復(fù)制5’3’oriorioriori5’3’5’5’3’3’5’5’3’復(fù)制子3’(2)真核生物每個染色體有多個ori復(fù)制子(replicon)兩個復(fù)制起始點(diǎn)之間的DNA片段

是獨(dú)立完成復(fù)制的功能單位。

2.復(fù)制的方向DNA新鏈的合成具有方向性：5’—3’DNA復(fù)制時不能自行從頭合成DNA鏈，需要引物。復(fù)制叉DirectionofmovementofreplicationforkDNA雙鏈分成兩股，各自作為模板，子鏈沿模板延長所形成的Y型結(jié)構(gòu)三.DNA的半不連續(xù)復(fù)制

semi-discontinuousreplication*復(fù)制的半不連續(xù)性*：

DNA雙鏈反向互補(bǔ)，解鏈后，復(fù)制叉上兩條單鏈的走向也相反，在復(fù)制時，一條新鏈連續(xù)合成，另一條新鏈不連續(xù)合成。5’3’3’3’5’3’5’OkazakifragmentLaggingstrandLeadingstrand5’領(lǐng)頭鏈（leadingstrand）連續(xù)合成，方向與復(fù)制叉一致不連續(xù)合成，方向與復(fù)制叉相反隨從鏈（laggingstrand）岡崎片段(Okazakifragment)

原核細(xì)胞—1000-2000bp真核細(xì)胞—100-200bp一.DNA復(fù)制特點(diǎn)：（1）高效率細(xì)菌500核苷酸/秒哺乳動物50核苷酸/秒（2）高度忠實多種酶參與DNA復(fù)制第二節(jié)DNA復(fù)制的酶學(xué)和拓?fù)鋵W(xué)變化

（一）DNA聚合酶*

1.作用：以親代DNA的一條鏈為模板，按堿基互補(bǔ)配對原則，催化單個脫氧核苷酸合成新的

DNA鏈。又稱DNA指導(dǎo)的DNA聚合酶(DDDP)DNAdirectedDNApolymerase脫氧核糖核苷酸二.參與DNA復(fù)制的酶類簡稱：DNA-pol

2.DDDP特點(diǎn)*：1)DNA鏈的合成具有方向性；5’3’2)DDDP合成DNA需要引物；（RNA）

多核苷酸鏈3)有的DNA聚合酶有校對活性，保持DNA復(fù)制過程中的高效性和保真性。3’3’5’5’3.DNA聚合酶種類DNA-pol(DNA損傷修復(fù))

DNA-polⅠ(引物切除與修復(fù))DNA-polⅡ(DNA損傷修復(fù))DNA-pol

Ⅲ(DNA復(fù)制)原核生物真核生物DNA-pol(合成引物)DNA-pol(DNA損傷修復(fù))DNA-pol(線粒體內(nèi))DNA-pol

(新DNA鏈的延長)活性*：1)5

3

的聚合活性2)3’5’外切酶活性3)5

3

外切酶活性4.DNA聚合酶的活性核酸外切酶：從核酸鏈的末端把核苷酸依次水解出來的酶，有方向性。

1)5

3

的聚合活性dNTPDNApolPrimerDNAtemplate作用1：形成3’,5’-磷酸二酯鍵，使DNA鏈沿5’→3’方向延伸DNA聚合酶活性

2)3

5

外切酶活性5′

AGCTTCAGGAT

3′

|||||||||||3′TCGAAGTCCTAGCGAC5′?AC作用2：辨認(rèn)并水解3’末端錯誤堿基，具有校對功能保證DNA復(fù)制的準(zhǔn)確性(profreading)

作用3：去除錯誤堿基在DNA損傷修復(fù)中起作用3)5

3

外切酶活性5′

GCUUCAGGATCGC

3′|||||||||||

|

|3′TCGAAGTCCTAGCGAC5′C|

功能：原核DNA-polI（109kD）對復(fù)制中的錯誤進(jìn)行校讀對復(fù)制和修復(fù)中出現(xiàn)的空隙進(jìn)行填補(bǔ)。二級結(jié)構(gòu)-α螺旋

原核DNA-polII

DNA-polII基因發(fā)生突變，細(xì)菌依然能存活功能：在沒有polI和polIII時起作用，可能與

DNA損傷修復(fù)有關(guān)活性：5

3

聚合活性

3

5

外切酶活性

原核DNA-polIII5’→3’聚合酶活性3’→5’外切酶活性參與大腸桿菌DNA復(fù)制的最主要的DNA聚合酶*

真核生物的DNA聚合酶DNA-pol

起始引發(fā)，有引物酶活性DNA-pol

參與低保真度的復(fù)制DNA-pol

在線粒體DNA復(fù)制中起催化作用DNA-pol

DNA合成，有解螺旋酶活性DNA-pol

校讀、修復(fù)和填補(bǔ)缺口（二）引物酶定義：催化RNA引物合成的酶。

DNA聚合酶不能自行從頭以2個游離的單脫氧核苷酸為起點(diǎn)合成DNA鏈，需合成一小段多核苷酸為引物，主要為DNA鏈合成提供自由3`-OH末端。作用：以復(fù)制起始部位的DNA鏈為模板，按堿基互補(bǔ)配對的原則合成引物RNA。特殊的RNA聚合酶*引物長度：10至幾十個核苷酸（三）參與DNA解旋、解鏈的酶及蛋白因子

DNA一級結(jié)構(gòu)：脫氧核苷酸排列順序DNA二級結(jié)構(gòu)：雙螺旋DNA三級結(jié)構(gòu)：超螺旋DNA拓樸異構(gòu)酶解鏈酶DNA結(jié)合蛋白DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶（DNAtopoisomerase）拓?fù)涞暮x：幾何學(xué)名詞，指物體或圖像做彈性變形（如環(huán)形橡皮筋放大、縮小、扭曲），而構(gòu)成它的各點(diǎn)（或組分）間的相連關(guān)系沒有改變。定義：能催化DNA拓?fù)洚悩?gòu)體互變的一類酶分類：拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅰ拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ功能：既能水解、又能連接磷酸二酯鍵拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅰ切斷DNA雙鏈中一股鏈?zhǔn)笵NA超螺旋松弛反應(yīng)不需ATP拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ切斷環(huán)狀DNA分子兩股鏈?zhǔn)笵NA超螺旋松弛；也可利用ATP穩(wěn)定負(fù)超螺旋；環(huán)連和解環(huán)連;打結(jié)和解結(jié)作用機(jī)制

松弛DNA超螺旋

2.DNA解鏈酶（DNAhelicase）功能：解開DNA雙鏈，需要

ATP供能沿復(fù)制叉行進(jìn)方向解鏈種類多

E.coli解鏈酶Ⅱ、Ⅲ

E.coli

Rep蛋白HelicaseII,IIIRepprotein5’3’3’5’3’5’3.單鏈結(jié)合蛋白

（singlestrandbindingprotein,SSB）DNA結(jié)合蛋白（DNAbindingprotein，DBP）功能：維持模板的單鏈狀態(tài)保護(hù)新合成的單鏈，使其免受核酸酶水解

作用：將一個DNA片段的3’-OH末端與另一個DNA片段的5’-P末端連接，形成磷酸二酯鍵

*。

DNA復(fù)制過程中，有一條鏈的合成是不連續(xù)的，先合成許多短鏈的DNA片段，然后再由DNA連接酶將這些片段連接成完整的DNA長鏈。P-OHP-OHDNA連接酶（四）DNA連接酶第三節(jié)DNA生物合成過程*

復(fù)制的起始和引物RNA的合成

復(fù)制的延長

復(fù)制的終止（一）

復(fù)制起始：DNA解鏈形成引發(fā)體一.原核生物的DNA生物合成從復(fù)制起始點(diǎn)oriC

開始o(jì)ri

245bpE.coliE.coli“oriC”region(~245bp)識別區(qū)

AT區(qū)9-Basepairsrepeat13-BasepairsrepeatDnaADNA解旋、解鏈，復(fù)制叉形成DnaA：同四聚體，辨認(rèn)并結(jié)合于AT區(qū)DnaC：協(xié)作DnaBDnaB：解旋酶，解開DNA雙鏈SSB:維持模板的單鏈狀態(tài)拓?fù)洚悩?gòu)酶DnaA解旋酶拓?fù)洚悩?gòu)酶引發(fā)體（primosome）

DnaA

DnaB、DnaCDNA拓?fù)洚悩?gòu)酶引物酶SSB5

3

5

3

DnaGDnaA、B、C、引物酶及其它復(fù)制因子形成的復(fù)合體，參與復(fù)制起始模板

親代DNA的兩條鏈（二）復(fù)制的延長*原料

dNTP（dATP、dGTP、dCTP、dTTP）合成方向5’→3’（指新鏈的延伸方向）酶：DNA聚合酶

(polymerase)其它的酶和蛋白質(zhì)因子

復(fù)制叉移動方向領(lǐng)頭鏈隨從鏈3’5’3’5’拓樸異構(gòu)酶解鏈酶DNA結(jié)合蛋白DNA聚合酶III引物酶復(fù)制過程動畫（三）DNA復(fù)制的終止

原核生物基因是環(huán)狀DNA，雙向復(fù)制的復(fù)制片段在復(fù)制的終止區(qū)(ter)處匯合teroriter終止區(qū)：terminationregion,ter

DNA片段合成至一定長度后，鏈中的RNA引物即被核酸酶水解而切斷。此時出現(xiàn)的缺口由DNA片段的繼續(xù)延長而填補(bǔ)。

3’5’3’5’3’5’核酸酶核酸酶切除引物

DNA片段5’端引物切除，缺口由DNApol

填補(bǔ)，相鄰的片段由連接酶連接

RNA酶pol連接酶5’5’5’5’5’5’5’5’填補(bǔ)空缺，連接切口隨從鏈：相鄰岡崎片段連接，形成大分子DNA，

再與模板鏈形成雙螺旋DNA分子。完整DNA分子的形成前導(dǎo)鏈：也與相應(yīng)的模板鏈形成雙螺旋結(jié)構(gòu)。真核細(xì)胞和原核細(xì)胞的DNA復(fù)制方式基本相似，但有關(guān)的酶和一些復(fù)制細(xì)節(jié)有些區(qū)別。十分精確，保證了遺傳的穩(wěn)定性。二.真核生物的DNA生物合成G1期：DNA復(fù)制準(zhǔn)備S期：DNA復(fù)制*G2期：細(xì)胞分裂準(zhǔn)備M期：細(xì)胞分裂

1.DNA復(fù)制與細(xì)胞周期的關(guān)系

DNA合成期

真核生物DNA復(fù)制與細(xì)胞周期哺乳動物的細(xì)胞周期DNA復(fù)制只發(fā)生在S期*每個細(xì)胞周期只進(jìn)行一次DNA復(fù)制特點(diǎn)：24hG1最長M期最短2.復(fù)制的過程真核生物復(fù)制起始點(diǎn)多自主復(fù)制序列（ARS,autonomousreplicationsequence）類似于原核的富含AT區(qū)復(fù)制的起始DNA-pol

：引物酶DNA-pol

：解旋酶拓?fù)涿笍?fù)制因子（replicationfactor,RF)增殖細(xì)胞核抗原（PCNA）參與因子復(fù)制的延長DNA-pol

：合成引物DNA-pol

：鏈的延長復(fù)制終止和端粒酶復(fù)制與核小體裝配同步進(jìn)行真核生物染色體DNA線性復(fù)制，5’端第一片段的空隙如何填補(bǔ)？5’5’？端粒(telomere)又稱端區(qū)真核生物染色體的末端結(jié)構(gòu),呈膨大粒狀由染色體末端DNA與蛋白質(zhì)組成末端DNA序列富含T、G重復(fù)序列功能維持染色體的穩(wěn)定性維持DNA復(fù)制的完整性組成：

RNA+蛋白質(zhì)端粒酶（Telomerase）作用：反轉(zhuǎn)錄酶，以RNA為模板，合成端粒DNA片段20世紀(jì)80年代中期發(fā)現(xiàn)(Human)原核真核復(fù)制速度快慢起始點(diǎn)1個多個引物幾十nt10nt岡崎片段1000~2000nt100~200nt主要復(fù)制酶PolI，III

Pol

,

真核與原核生物DNA復(fù)制的比較第四節(jié)逆轉(zhuǎn)錄和其它復(fù)制方式大多數(shù)生物的遺傳物質(zhì)是雙鏈DNA

某些病毒的遺傳物質(zhì)是RNAM13含單鏈DNA

染色體外DNA

（原核質(zhì)粒、真核線粒體DNA）一.逆轉(zhuǎn)錄和逆轉(zhuǎn)錄酶某些病毒的遺傳物質(zhì)是RNAsarsvirusHIV

HIV（人類免疫缺陷病毒）一種逆轉(zhuǎn)錄病毒

感染人的T淋巴細(xì)胞人體免疫缺陷廣泛感染逆轉(zhuǎn)錄酶：以RNA為模板催化DNA合成的酶又稱RNA指導(dǎo)的DNA聚合酶（RDDP)逆轉(zhuǎn)錄：以RNA為模板合成DNA的過程反轉(zhuǎn)錄酶活性RNA酶活性DNA聚合酶活性逆轉(zhuǎn)錄酶（以RNA為模板合成DNA）（水解RNA模板）（合成第二條DNA鏈）H.TeminD.Baltimore19701975年諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎*逆轉(zhuǎn)錄病毒的致癌機(jī)理＋病毒RNA逆轉(zhuǎn)錄酶

RNA－DNA

雜交體RNA單鏈DNA

DNA聚合酶雙鏈DNA整合入宿主細(xì)胞DNA致癌逆轉(zhuǎn)錄酶RNaseRDDP二.逆轉(zhuǎn)錄研究的意義（一）中心法則的補(bǔ)充DNARNA蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄翻譯復(fù)制逆轉(zhuǎn)錄（二）RNA的重要性逆轉(zhuǎn)錄、核酶（三）逆轉(zhuǎn)錄病毒致病機(jī)理（四）分子生物學(xué)技術(shù)（RT-PCR）三.滾環(huán)復(fù)制和D環(huán)復(fù)制滾環(huán)復(fù)制（低等生物，不需引物）+

X174A蛋白5’3’D環(huán)復(fù)制線粒體DNA（mtDNA）DNA-pol

+ori1ori2第五節(jié)DNA的損傷與修復(fù)DNA復(fù)制的準(zhǔn)確性，保證了遺傳的穩(wěn)定性自發(fā)突變：10-10生物體變異物種進(jìn)化

DNAmutation：DNA

分子中個別核苷酸或小片段的異常變化，普遍存在。一.突變（mutation）的意義（一）突變是進(jìn)化、分化的分子基礎(chǔ)（二）基因的多態(tài)性polymophism（三）致死性的突變（四）突變是某些疾病的發(fā)病基礎(chǔ)相同物種個體之間的基因型差別親子鑒定、器官移植配型消滅有害病原體

二.引起突變的因素自身因素：自發(fā)突變

環(huán)境因素：電離輻射、紫外線、化學(xué)誘變劑、致癌病毒

1．點(diǎn)突變，錯配（編碼AA的改變）2．缺失;插入（導(dǎo)致框移突變）

3．重組或重排（rearrangement）

DNA分子較大片段的交換三.突變類型*移碼突變

鐮刀型紅細(xì)胞貧血（纈AA）1.點(diǎn)突變

(pointmutation)

GAACTTCATGTAHbA基因肽鏈N-Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu---C1234567…..HbSN-Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu---C1234567……

正常成人紅細(xì)胞（谷AA）（)

正常紅細(xì)胞鐮刀型紅細(xì)胞

2.缺失移碼突變……GCA

GUA

CAU

GUC……

丙

纈

組

纈

C……G

AG

UAC

AUG

UC…..

谷

酪

蛋

絲Deletionframeshiftmutation四.DNA損傷的修復(fù)*DNA損傷修復(fù)是體內(nèi)的生