1、基因信息的傳遞,高 穎 大連醫(yī)科大學(xué)生化教研室 ,轉(zhuǎn)錄 翻譯 復(fù)制 DNA RNA 蛋白質(zhì) 逆轉(zhuǎn)錄,* 中心法則(the central dogma),轉(zhuǎn)錄 翻譯 復(fù)制 DNA RNA 蛋白質(zhì) 逆轉(zhuǎn)錄,轉(zhuǎn)錄 翻譯 復(fù)制 DNA RNA 蛋白質(zhì) 逆轉(zhuǎn)錄,轉(zhuǎn)錄 翻譯 復(fù)制 DNA RNA 蛋白質(zhì) 逆轉(zhuǎn)錄,轉(zhuǎn)錄 翻譯 復(fù)制 DNA RNA 蛋白質(zhì) 逆轉(zhuǎn)錄,主要內(nèi)容 DNA的生物合成 復(fù)制 RNA的生物合成 轉(zhuǎn)錄 蛋白質(zhì)的生物合成 翻譯 基因表達(dá)調(diào)控,DNA的生物合成 (復(fù)制) DNA Biosynthesis (Replication),原核生物DNA的復(fù)制 真核生物DNA的復(fù)制 病毒物DNA的復(fù)制

2、,DNA的復(fù)制的基本過(guò)程和共同特點(diǎn),DNA復(fù)制是酶促化學(xué)反應(yīng) DNA復(fù)制的基本過(guò)程 DNA復(fù)制過(guò)程的共同特點(diǎn) DNA復(fù)制的保真性,一、DNA復(fù)制需要的酶及其化學(xué)反應(yīng)特點(diǎn),復(fù)制需要的材料 親代DNA模板 4種脫氧核糖核苷三磷酸（dNTP) 多種酶和蛋白因子 復(fù)制的化學(xué)反應(yīng) （dNMP)n+ dNTP (dNMP)n-1 + PPi,二、DNA復(fù)制的基本過(guò)程,DNA 復(fù)制的起始 復(fù)制起點(diǎn)( origin of reolication) 一個(gè)或多個(gè)富含AT的短重復(fù)序列 復(fù)制叉（replication fork) 復(fù)制起點(diǎn)解鏈后形成的叉狀結(jié)構(gòu),DNA鏈的延伸過(guò)程,復(fù)制起始位點(diǎn)識(shí)別 DNA雙鏈解鏈 RN

3、A引物合成,復(fù)制的終止,RNA引物去除 岡崎片段連接 在特殊的終止結(jié)構(gòu)區(qū)域停止,三、DNA復(fù)制過(guò)程的共同特點(diǎn),半保留復(fù)制方式保證了遺傳信息的忠實(shí)傳遞 基因組DNA都有固定的復(fù)制起始點(diǎn) 復(fù)制子是基本復(fù)制單位 雙向復(fù)制形成復(fù)制泡和復(fù)制叉 半不連續(xù)復(fù)制方式克服了DNA空間結(jié)構(gòu)對(duì) DNA新鏈合成的制約,DNA復(fù)制相關(guān)概念,雙向復(fù)制（bidirectional replication) DNA復(fù)制分別向相反的方向進(jìn)行 引發(fā)體（primosome) 由多種酶和蛋白質(zhì)分子組成=引發(fā)體+引物酶 前導(dǎo)鏈（leading strand) 能連續(xù)合成的鏈,隨后鏈（lagging strand) 分段合成的鏈（不連續(xù)

4、合成） 半不連續(xù)復(fù)制 一條鏈（前導(dǎo)鏈）連續(xù)合成，另一條鏈 （隨后鏈）不連續(xù)合成 岡崎片段（Okazaki fragment) 隨后鏈的合成方向與復(fù)制叉移動(dòng)方向相反， 先合成許多不連續(xù)片段，稱岡崎片段。,四、DNA復(fù)制的保真性,DNA聚合酶對(duì)堿基配對(duì)的選擇作用，保證 嚴(yán)格的堿基配對(duì)規(guī)律 DNA聚合酶對(duì)模板的識(shí)別作用 DNA聚合酶3 5外切活性的校正作用， 復(fù)制出錯(cuò)時(shí)有即時(shí)的糾錯(cuò)功能。,原核生物DNA的復(fù)制,原核生物DNA復(fù)制過(guò)程的主要特點(diǎn) 只有一個(gè)復(fù)制起點(diǎn) 從起點(diǎn)向兩個(gè)相反方向復(fù)制 復(fù)制速度快，大約每秒延伸500bp RNA引物和岡崎片段均較長(zhǎng) 可以連續(xù)發(fā)動(dòng)復(fù)制,大腸桿菌DNA聚合酶 大腸桿菌基

5、因組DNA復(fù)制的基本過(guò)程 原核生物DNA復(fù)制的調(diào)節(jié),大腸桿菌 DNA 聚合酶,DNA pol I 切除 RNA 引物，并填補(bǔ)RNA 引物被切除后所出現(xiàn)的空隙。,3 5 外切酶活性,5 3 聚合酶活性,5 3 外切酶活性,DNA-pol I 大片段,C,N,DNA-pol I 小片段,蛋白酶,大腸桿菌 DNA-pol I 大片段 (Large fragment) 又稱 Klenow 片段，只有 5 3 聚合酶活性和 3 5 外切酶活性。,DNA pol III 合成子鏈 DNA 并對(duì)合成過(guò)程中所摻入的錯(cuò)誤堿基進(jìn)行校對(duì) (proofreading) 。 、 和 亞基構(gòu)成核心酶： 亞基催化磷酸二酯鍵

6、的形成； 亞基具有 3 5 核酸外切酶活性，起較正作用； 亞基起裝配作用。,兩個(gè) 亞基組成滑動(dòng)夾子，圍繞 DNA 雙螺旋形成一個(gè)環(huán)，便于聚合酶沿著 DNA 模板滑動(dòng)。,原核生物基因組DNA復(fù)制的基本過(guò)程,復(fù)制起點(diǎn) 復(fù)制起點(diǎn)控制復(fù)制起始 只有一個(gè)復(fù)制起點(diǎn) 復(fù)制方向 多數(shù)雙向 復(fù)制方式 型,參與大腸桿菌DNA復(fù)制起始的 主要蛋白質(zhì)分子,Dna A蛋白：識(shí)別復(fù)制起始位點(diǎn) Dna B蛋白（解螺旋酶）：解開(kāi)DNA雙鏈 Dna C蛋白：協(xié)助解旋酶 單鏈DNA結(jié)合蛋白(SSB)：穩(wěn)定解開(kāi)的單鏈 DNA分子 DnaG蛋白（引物酶）：催化RNA引物生成,原核生物 DNA 的復(fù)制過(guò)程,(一) 復(fù)制的起始 Dna

7、A蛋白識(shí)別、結(jié)合復(fù)制起點(diǎn)。 解螺旋酶將雙鏈DNA解鏈成兩條單鏈DNA，SSB與單鏈DNA結(jié)合，防止雙鏈DNA的重新形成。,(二) 引物的形成及子鏈DNA的合成 引發(fā)酶合成短的RNA引物； DNA pol III從引物的3-OH合成子鏈DNA。,先導(dǎo)鏈(leading strand) 順著解鏈方向(復(fù)制叉移動(dòng)方向)合成的子鏈為先導(dǎo)鏈，其合成是連續(xù)進(jìn)行的。 隨從鏈(lagging strand) 復(fù)制方向與解鏈方向相反的子鏈為隨從鏈 ，其合成是不連續(xù)的，由許多岡崎片段 (1000-2000 個(gè)核苷酸)組成。,子鏈DNA的合成方向是53,(三)RNA引物的除去及岡崎片段的連接 DNA-pol I 除

8、去RNA引物，并填補(bǔ)空隙； DNA 連接酶連接相鄰的DNA片段。,在隨從鏈上，Dna B (解螺旋酶) 與 Dna G (引發(fā)酶) 結(jié)合形成復(fù)合體。,(四)DNA復(fù)制的終止 E. coli 的兩個(gè)終止區(qū)域，分別結(jié)合專一性的終止蛋白。 序列一：terE, terD, terA 序列二：terB, terC E. coli的tus基因編碼終止蛋白(Tus)，可抑制解螺旋酶活性。,原核生物DNA復(fù)制的調(diào)節(jié),真核生物DNA的復(fù)制,真核生物DNA復(fù)制與原核生物的區(qū)別,真核生物染色體DNA復(fù)制的過(guò)程,返回目錄,返回主頁(yè),真核生物： 染色體DNA有多個(gè)復(fù)制起始點(diǎn)。 兩個(gè)起始點(diǎn)之間的DNA片段稱為復(fù)制子(re

9、plicon)。 復(fù)制子是獨(dú)立完成復(fù)制的功能單位。,真核生物的細(xì)胞周期包括： G1 期 (DNA 合成前期) S 期 (DNA 合成期) G2 期 (DNA 合成后期) M 期 (有絲分裂期),真核生物染色體DNA的復(fù)制在S期完成,真核生物DNA復(fù)制的有關(guān)酶類及蛋白因子,酶及有關(guān)蛋白因子 功能 DNA 聚合酶 /引發(fā)酶合成 RNA 引物 DNA 聚合酶 DNA 復(fù)制主要酶 增殖細(xì)胞核抗原 (PCNA) 滑動(dòng)夾，與 DNA 連續(xù)合成有關(guān) 拓?fù)洚悩?gòu)酶母鏈 DNA 拓?fù)洚悩?gòu)化 單鏈 DNA 結(jié)合蛋白 (SSB) 或復(fù)制蛋白 A (RPA) 有解螺旋酶及單鏈結(jié)合作用 復(fù)制因子 C (RFC) 參與滑動(dòng)

10、夾子的裝配 DNA 連接酶連接岡崎片段及參與修復(fù) 核酸酶 H (RNaseH)去除 RNA 引物 側(cè)翼核酸內(nèi)切酶 I (FENI) 去除 RNA 引物,真核細(xì)胞中的DNA聚合酶,增殖細(xì)胞核抗原 (proliferating cell nuclear antigen, PCNA) PCNA為同源三聚體，形成環(huán)狀的可滑動(dòng)夾子。DNA聚合酶 附著于滑動(dòng)夾子上，沿著DNA模板鏈不斷前進(jìn)。,PCNA水平是檢測(cè)細(xì)胞增殖的重要指標(biāo),復(fù)制因子C (replication factor C, RFC) RFC 是滑動(dòng)夾裝載因子，促使 PCNA 結(jié)合于引物-模板鏈。,DNA復(fù)制與核小體裝配同步進(jìn)行。 染色體DNA

11、呈線狀，復(fù)制在末端停止。 復(fù)制終止包括： 岡崎片段、復(fù)制子之間的連接。 端粒的合成,復(fù)制的終止和端粒酶,真核生物端粒的形成：,端粒（telomere）是指真核生物染色體線性DNA分子末端的結(jié)構(gòu)部分，通常膨大成粒狀。,結(jié)構(gòu)特點(diǎn), 由末端DNA序列和蛋白質(zhì)構(gòu)成。 末端DNA序列是多次重復(fù)的富含G、T堿基的短序列。,端粒酶(telomerase),線性DNA在復(fù)制完成后，其末端由于引物RNA的水解而可能出現(xiàn)縮短。故需要在端粒酶（telomerase）的催化下，進(jìn)行延長(zhǎng)反應(yīng)。,端粒酶(telomerase),端粒酶是一種RNA-蛋白質(zhì)復(fù)合體，它可以其RNA為模板，通過(guò)逆轉(zhuǎn)錄過(guò)程對(duì)末端DNA鏈進(jìn)行延長(zhǎng)。

12、,端粒酶的分子結(jié)構(gòu),端粒酶RNA (human telomerase RNA, hTR) 端粒酶協(xié)同蛋白 (human telomerase associated protein 1, hTP1) 端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶 (human telomerase reverse transcriptase, hTRT),端粒酶的組成,端粒酶的爬行模型（動(dòng)畫演示）,DNA聚合酶復(fù)制子鏈,進(jìn)一步加工,端粒及端粒酶的意義,成年人端粒比胚胎細(xì)胞端粒短； 老化與端粒酶活性下降有關(guān)； 腫瘤的發(fā)生與端粒酶活性有關(guān)； 端粒酶不一定能決定端粒的長(zhǎng)度。,線粒體DNA的復(fù)制 D環(huán)復(fù)制,H鏈,L鏈,逆轉(zhuǎn)錄 (reverse tra

13、nscription) 在逆轉(zhuǎn)錄酶的催化下，以RNA為模板合成DNA的過(guò)程，又稱反轉(zhuǎn)錄。,逆轉(zhuǎn)錄酶 (reverse transcriptase),從RNA病毒中發(fā)現(xiàn)，能催化以RNA為模板合成雙鏈DNA的酶，全稱為依賴RNA的DNA聚合酶。 有三種活性：RNA指導(dǎo)的DNA聚合活性 RNase H活性 DNA指導(dǎo)的DNA聚合活性,逆轉(zhuǎn)錄病毒細(xì)胞內(nèi)的逆轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象,逆轉(zhuǎn)錄研究的意義,逆轉(zhuǎn)錄酶和逆轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象，是分子生物學(xué)研究中的重大發(fā)現(xiàn)。 逆轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象說(shuō)明：至少在某些生物，RNA同樣兼有遺傳信息傳代與表達(dá)功能。 對(duì)逆轉(zhuǎn)錄病毒的研究，拓寬了20世紀(jì)初已注意到的病毒致癌理論。,分子生物學(xué)研究可應(yīng)用逆轉(zhuǎn)錄酶，作為

14、獲取基因工程目的基因的重要方法之一，此法稱為cDNA法。,以mRNA為模板，經(jīng)逆轉(zhuǎn)錄合成的與mRNA堿基序列互補(bǔ)的DNA鏈。,試管內(nèi)合成cDNA,cDNA complementary DNA,DNA損傷（突變）與修復(fù) DNA Damage (Mutation) and Repair,突變 (mutation)： 是由遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)改變而引起的遺傳信息的改變。從分子水平來(lái)看，突變就是DNA分子上堿基的改變。 DNA損傷 (DNA damage)： 泛指一切DNA結(jié)構(gòu)和功能的變化。包括各種突變類型、堿基的損傷和DNA鏈的斷裂。,引發(fā)突變的因素,自發(fā)性: 自然錯(cuò)配率約為10-910-10 左右。 物理

15、因素: 如UV (ultra violet)、各種輻射。 化學(xué)因素: 烷化劑、堿基類似物、以及其他一些人工合成或環(huán)境中存在的化學(xué)物質(zhì)，這些誘發(fā)突變的化學(xué)物質(zhì),稱為致癌劑。 生物因素: 抗菌素類、黃曲霉素和病毒等。,物理因素,化學(xué)因素,常見(jiàn)的化學(xué)誘變劑,化合物類別,作,用,點(diǎn),分子改變,堿基類似物,如：,5,-,BU,A,5,-,BU,G,-,A,-,-,T,-,-,G,-,-,C,-,羥胺類（,NH,2,OH,）,T,C,-,T,-,-,A,-,-,C,-,-,G,-,亞硝酸鹽（,NO,2,）,C,U,-,G,-,-,C,-,-,A,-,-,T,-,烷化劑,如：氮芥類，,Nitromins,G

16、,m,G,G,m,G,DNA,缺失,G,突變的分子改變類型,錯(cuò)配 (mismatch) 缺失 (deletion) 插入 (insertion) 重排 (rearrangement),DNA分子上的堿基錯(cuò)配稱點(diǎn)突變 (point mutation),（一）錯(cuò)配,鐮形紅細(xì)胞貧血病人Hb (HbS) 亞基,正常成人Hb (HbA)亞基,1949年波林發(fā)現(xiàn)鐮刀型細(xì)胞貧血癥（病人的紅血細(xì)胞為鐮刀形）與血紅蛋白結(jié)構(gòu)異常相關(guān)。,（二）缺失、插入和框移,缺失：一個(gè)堿基或一段核苷酸鏈從DNA大分子上消失。,插入：原來(lái)沒(méi)有的一個(gè)堿基或一段核苷酸鏈插入到DNA大分子中間。,框移突變是指三聯(lián)體密碼的閱讀方式改變，造成蛋白質(zhì)氨基酸排列順序發(fā)生改變。,缺失或插入都可導(dǎo)致框移突變 。,缺失引起框移突變,（三）重排,DNA分子內(nèi)較大片段的交換，稱為重組或重排。,由基因重排引起的兩種地中海貧血基因型,四、DNA損傷的修復(fù),修復(fù)(repairing) 是對(duì)已發(fā)生分子改變的補(bǔ)償措施，使其回復(fù)為原有的天然狀態(tài)。,光修復(fù)(light repairing) 切除修復(fù)(excision repairing) 重組修復(fù)(recombination repairing) SOS修復(fù),修復(fù)的主要類型,光修復(fù)酶,（一）光修復(fù),（二）