DNA和RNA的生物合成

1、第一节 DNA的生物合成 一、DNA复制 二、 DNA的损伤与修复 三、反转录 第二节 RNA的生物合成 一、不对称转录 二、RNA转录的体系 三、RNA转录的过程 四、转录后加工,目 录,本章节学习目标,1、DNA复制特点、体系 2、RNA转录特点、体系 3、反转录概念,1、DNA复制过程 2、DNA的损伤与修复 3、RNA转录终止方式,1、RNA的转录过程 2、反转录酶,学习目标,掌握,熟悉,了解,19世纪40年代，英国亚历山大德丽那维多利亚女王生下了四男五女共9个孩子，其中有3个男孩患有血友病，好在五个女儿都健康。而五个女儿嫁到欧洲的其它王室后，她们的小王子却有很多都患上了血友病。 试问

2、：血友病是从维多利亚女王是如何传给她的儿子以及外孙的？,导入情景,分子生物学(分子遗传学)中心法则,反映了从DNA-RNA-蛋白质的遗传信息主流，揭示了生物体内遗传信息的贮存、传递和表达的规律。,转录,RNA,翻译,蛋白质,DNA,RNA （病毒）,复制,复制,翻译,蛋白质 （病毒）,反转录,第一节 DNA的生物合成,DNA Biosynthesis,第一节 DNA的生物合成,复制的特点 复制体系 复制过程 DNA损伤（突变）与修复 反转录,复制(replication) 是指遗传物质的传代，以亲代DNA为模板，按照碱基互补配对原则合成子代DNA的过程。,复制定义,一、DNA复制,（一）DNA

3、复制特点,DNA的半保留复制：,DNA复制中，每个子代分子的一条链来自亲代DNA，而另一条链则是新合成的，这种复制的方式称为半保留复制。,一、DNA复制,A G G T A C T G C C A C T G G,T C C A T G A C G G T G A C C,C C A C T G G,G G T G A C C,A G G T A C T G,T C C A T G A C,T C C A T G A C,A G G T A C T G,A G G T A C T G C C A C T G G,T C C A T G A C G G T G A C C,A G G T A C

4、 T G C C A C T G G,T C C A T G A C G G T G A C C,+,母链DNA,复制过程中形成的复制叉,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。,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。,2. DNA的半不连续复制 DNA复制中一条链是连续合成的，而另一条链是不连续的合成的，这种复制方式叫做半不连续复制 。,顺着解链方向生成的子链，复制是连续进行的，这股链称为领头链(leading strand) 。 另一股链因为复制的方向与解链方向相反，不能顺着解

5、链方向连续延长，这股不连续复制的链称为随从链(lagging strand) 。复制中的不连续片段称为岡崎片段(okazaki fragment)。 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。,1. 模板 亲代DNA分子 2. 底物 四种三磷酸脱氧核苷酸（dNTP） 3. 能量 ATP 4. 引物 为DNA聚合酶提供3 -OH末端的短片段RNA， 使dNTP可以依次聚合,5. 酶类及蛋白因子,（1）解旋解链酶类 （2）引物酶 （3）SSB （4） DNA聚合酶 （5）DNA连接酶,(1)解螺旋酶与拓扑异构酶 解螺旋酶：利用ATP供能，打开氢键，使DNA双 链解开成为 两条单链。

6、,(2)引物酶 复制起始时催化生成RNA引物的酶。 (3)单链DNA结合蛋白(SSB) 维持模板处于单链状态并保护单链的完整。,拓扑异构酶 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 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：理顺DNA链，改变超螺旋状态的酶 分为I型和II型。,(4)DNA聚合酶,全称为依赖DNA的DNA聚合酶 (DNA-dependent DNA polymerase)，简称DNA-pol。,真核生物的DNA聚合酶五种

7、：、,大肠杆菌E.coli中的三种DNA聚合酶,DNA-pol ,DNA-pol II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。,DNA-pol ,真核生物DNA聚合酶,+,+,+,-,-,3,5,外切酶活性,5,3,聚合活性,250,170,160300,-,pol,功能,+,+,+,-,-,3,5,5,3,聚合活性,3638,300,分子大小（x 103),DNA,-,pol,+,+,+,+,+,细胞内定位,核,核,核,核,线粒体,引发,修复,复制,复制,修复,（引物酶， DNA聚合酶）,（链的延伸 填补空隙）,(5)DN

8、A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。,（三）DNA复制的过程,2.复制的延长,1.复制的起始,3.复制的终止,1.复制的起始 DNA拓扑异构酶和解旋酶在DNA复制起始部位解开DNA超螺旋结构，使DNA双链形成局部的DNA单链，然后形成复制叉。当两股单链暴露出足够数量碱基对时，引物酶识别起始部位，并以解开的一段DNA链为模板，按碱基配对规律，从5 3 方向合成引物RNA片段，引物的生成标志着复制的正式开始。,2.复制的延长,催化酶：DNA聚合酶 原料：dNTP 模板：DNA的两条链 方向：5 3 方式：半不

9、连续复制,DNA的两条链反向平行，而DNA聚合酶的合成方向都是 5 3 。 3 5 走向的模板链，其上的DNA合成与解链方向相同，可以连续合成，称为前导链。 另一条5 3 走向的模板链，其上合成DNA链与解链方向正好相反，故不能连续进行，称为随从链。 随从链上形成许多不连续片段，称为冈崎片段。,半不连续复制,领头链的合成,（1）领头链的延长,领头链沿着5 3 方向可以连续的延长。,（2）随从链的延长,3.复制的终止,（1） DNA聚合酶I切除引物并填补空隙。 （2） DNA连接酶连接缺口生成子代DNA。,随从链上不连续性片段的连接,（一）DNA损伤的因素 1. 物理因素 常见的有紫外线和各种电

10、离辐射。 2. 化学因素 化学诱变剂等 3. 生物因素 如反转录病毒等 4. 自发因素,一、DNA的损伤修复,（1）DNA损伤范围部位不同能导致不同程 度后果，如表现出基因多态性、导致 遗传性疾病甚至个体死亡。 （2）进化,1.后果,（二）DNA损伤的后果与类型,2. DNA损伤的类型包括如下几种： 点突变 指DNA链上单一碱基的变异。 缺失 指DNA链上一个或一段核苷酸的消失。 插入 指原来不存在的一个碱基或一段核苷酸 链插入到DNA分子中。 重排 指DNA分子内发生较大片段的交换。,1. 光修复 光修复过程是通过光修复酶催化完成，仅需 300-600nm波长照射即可活化，此方法普遍存 在于

11、各种生物体中。,（三）DNA损伤的修复,人类着色性干皮病 人类着色性干皮病（xeroderma pigmentosum, XP）是一种罕见的常染色体隐性遗传病，患者主要的临床表现为皮肤对日光，特别是紫外线高度敏感，暴露部位皮肤出现色素沉着、干燥、角化、萎缩及癌变等，其皮肤和眼部肿瘤的发生率是正常人的1000倍。XP是由于患者对紫外线照射造成的核苷酸损伤切除修复缺陷所致，该病具有多型性，且各型之间互补。目前为止已发现了7种互补型和1种变异型。,2. 切除修复 细胞内最重要和有效 的修复方式。 过程包括识别、切除、 填补和连接几个步骤。,3. 重组修复 RecA蛋白结合在子链的空缺处，引发对侧正常

12、模板链与子链重组，将子链修复成完整的子链，对侧正常模板链上留下的空缺由DNA聚合酶合成DNA片段填补，最后由连接酶连接，使模板链重新成为一条完整的DNA链。,反转录概念：某些病毒如RNA病毒，其遗传信息则储存在RNA分子中，RNA病毒能以RNA为模板合成DNA，或逆转录。 催化逆转录反应的酶是逆转录酶，又称依赖RNA的DNA聚合酶,（一）概念与反转录酶,三、反转录,逆转录的发现 1910年，美国病理学家发现了病毒可以致癌后，人们开始深入探索病毒转化的机制。1956年，Termin提出前病毒假说，指出RNA病毒进入宿主细胞后，首先将RNA复制DNA（此时成为前病毒），然后病毒DNA与宿主细胞发生

13、整合形成宿主的一部分，而增殖由病毒DNA通过转录过程完成。但这一假说违反了1958年提出的中心法则，而被多数人拒绝。直至1970年，Termin和助手Rous从肉瘤病毒中分离得到了一种RNA依赖的DNA聚合酶，与此同时，麻省理工学院的David Baltimore也从小鼠白血病病毒中分离得到了这种酶，才证明了前病毒假说的正确性，逆转录得到认可，中心法则被重新修正。,（二）反转录的意义 1.补充和发展了中心法则 2.对反转录病毒的研究，拓宽了病毒致癌理论。 3.在基因工程中，可利用反转录酶将mRNA逆转 录形成cDNA，以获得目的基因。,人类免疫缺陷病毒 人类免疫缺陷病毒（human immun

14、odeficiency virus，HIV）是一种逆转录病毒，HIV-1的反转录酶分子有两个亚基（51 000和66 000），其中p66亚基有两个关键性结构域，分别具有DNA聚合活性和RNA降解活性，该酶能以RNA为模板合成DNA，并能降解RNA模板，合成的DNA单链能以自身为模板合成另外一条单链，形成完整的双链DNA.，并能插入到人类细胞的基因组中，随细胞分裂而分裂。,第二节 RNA的生物合成,RNA Biosynthesis,一、不对称转录 二、RNA转录的体系 三、RNA转录的过程 三、转录后加工,第二节 RNA的生物合成,RNA转录的特点不对称转录,在双链DNA分子中，各结构基因的模

15、板链位于同一DNA分子的不同单链上，而RNA链的合成方向始终是5 3 方向，因此位于同一DNA分子不同的结构基因，其RNA转录方向不同。,一、不对称转录,1. 模板 DNA 2. 底物 四种三磷酸核糖核苷（NTP） 3. RNA聚合酶 (1) 原核生物只有一种RNA聚合酶 (2) 真核生物已发现有三种RNA聚合酶 4. 其它酶和蛋白因子,二、RNA转录的体系,原核生物的RNA聚合酶,真核生物的RNA聚合酶,（一）转录起始 RNA聚合酶因子辨认并结合启动子，形成转录复合体，从而开始转录。转录几个核苷酸后，因子脱离转录复合体，后者离开启动子，起始阶段结束。,三、 RNA转录的过程,RNA链的延长反

16、应由核心酶催化。核心酶沿模板DNA链以3 5 方向滑动，边解链边合成新RNA链。DNA链在核心酶经过后，即恢复双螺旋结构，新生成的RNA单链伸出DNA双链之外。,（二）转录延长,RNA链的合成方向：从5 3 方向,当RNA链延伸至转录终止位点时，转录泡瓦解，DNA恢复成双链，RNA聚合酶与RNA链都被从模板上释放出来，这就是转录的终止。,原核生物的转录终止有两种类型： 不依赖于因子的转录终止（强终止子） 2. 依赖于因子的转录终止,（三）转录终止,1.非依赖因子的转录终止 DNA模板上靠近终止处，有些特殊的碱基序列，可 转录出具有茎环结构的RNA，来终止转录。,2.依赖 (Rho)因子的转录终止 因子以六聚体形式存在，