正常人体学-DNA合成损伤修复

1、基因信息的传递基因信息的传递第十五章第十五章2DNA RNA 蛋白质蛋白质中心法则中心法则复制复制转录转录翻译翻译逆转录逆转录RNA复制复制DNA的合成与损伤修复的合成与损伤修复第一节第一节4一、一、DNA复制的几个基本原则复制的几个基本原则(一一)半保半保 留复制留复制(semiconservative replication)模板：模板：亲代的亲代的DNA双链双链(每股均可为模板每股均可为模板)原则：原则：按碱基配对原则按碱基配对原则(A-T、G-C)指导新链的合成指导新链的合成特点：特点：合成的两个子代合成的两个子代DNA分子碱基序列与亲代分分子碱基序列与亲代分 子完全一样，但其中一条链

2、来自于亲代的子完全一样，但其中一条链来自于亲代的 DNA链，另一条链是新合成的链链，另一条链是新合成的链5AGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCCCACTGGGGTGACCAGGTACTGTCCATGACTCCATGACAGGTACTGAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACC+亲代亲代DNA子代子代DNA新合成新合成 的链的链6(亲代亲代)DNA两股链两股链反向反向平行平行两股子链两股子链反向反向平行平行5 3 3 5 5 33 5 3 55 3 亲代亲代子代子代子代子代(二二)半不连续复制半

3、不连续复制(semidiscontinuous replication)7存在两种存在两种DNA聚合酶？聚合酶？ 53 35 体内仅有体内仅有53DNA聚合酶聚合酶所有所有DNA聚合酶只能催化聚合酶只能催化53方向合成方向合成35 如何合成如何合成? 岗崎片段岗崎片段83 5 3 5 解链方向解链方向3 5 3 3 5 前导链前导链(leading strand)随从链随从链(lagging strand)岗崎片段岗崎片段5 半不连续复制半不连续复制9 不能不能催化两个游离的催化两个游离的dNTP聚合聚合 需要含需要含3-OH的引物的引物(RNA) RNA聚合酶抑制物能抑制聚合酶抑制物能抑制D

4、NA合成合成 岗崎片段岗崎片段5端有端有RNA引物引物 根据根据DNA聚合酶聚合酶(三三)RNA引物引物(RNA prime)10RNA聚合酶聚合酶 能催化两个游离的能催化两个游离的NTP聚合聚合 其产物提供其产物提供3-OH1155335533前导链前导链随从链随从链岗崎片段岗崎片段RNA引物引物12RNA引物最后要被引物最后要被DNA聚合酶聚合酶除去，空隙由除去，空隙由 该酶补满，缺口再由该酶补满，缺口再由DNA连接酶连接。连接酶连接。RNA引物的作用：引物的作用： 为为DNA聚合酶提供合成核苷酸所需的聚合酶提供合成核苷酸所需的3-OH 可尽量减小可尽量减小DNA复制起始处的突变复制起始处

5、的突变13(四四)复制的真实性复制的真实性 DNA的半保留复制的半保留复制 遵守严格的碱基配对规律遵守严格的碱基配对规律 RNA引物引物 尽量减少尽量减少DNA复制起始处的突变复制起始处的突变 DNA聚合酶在复制延长中对碱基的选择功能聚合酶在复制延长中对碱基的选择功能 复制出错时有即时的校读功能复制出错时有即时的校读功能(35外切酶功能外切酶功能) DNA损伤的修复机制损伤的修复机制14底物底物(substrate): dATP, dGTP, dCTP, dTTP(dNTP)聚合酶聚合酶(polymerase): DNA指导指导的的DNA聚合酶，聚合酶， 简写为简写为DNA pol，需，需Mg

6、2+模板模板(template): 解开成单链的解开成单链的DNA母链母链引物引物(primer): 提供提供3 -OH末端使末端使dNTP可以依次聚合可以依次聚合 DNA复制的条件复制的条件二、参与二、参与DNA复制的一些酶类复制的一些酶类和蛋白质和蛋白质15 DNA聚合酶：聚合酶：、 (原核生物原核生物) 、 、 、 、 (真核生物真核生物) 解链、解旋酶类：解链、解旋酶类：DNA解链酶、单链解链酶、单链DNA结合蛋白结合蛋白(SSB)、DNA拓扑异构酶拓扑异构酶/ 引发体引发体 DNA连接酶连接酶其他的酶和蛋白质其他的酶和蛋白质163, 5-磷酸二酯键磷酸二酯键3(一一)DNA聚合酶聚合

7、酶5171. 大肠杆菌大肠杆菌DNA聚合酶聚合酶1955年年Kornberg发现了发现了DNA聚合酶聚合酶 简称为简称为pol，也称为，也称为Kornberg酶酶活性：活性：53 的聚合酶活性的聚合酶活性 53 核酸外切酶活性核酸外切酶活性 35 核酸外切酶活性核酸外切酶活性18 35 53 外切酶外切酶 聚合酶聚合酶 NC 53 外切酶外切酶 小片段小片段大片段大片段(klenow片段片段)切除切除RNA引物引物损伤修复损伤修复校读功能校读功能聚合功能聚合功能DNA聚聚合酶合酶是是多功能酶多功能酶195 A G C T T C A G G A T A 3 | | | | | | | | |

8、| |3 T C G A A G T C C T A C C G A C 5 3 5 外切酶活性外切酶活性 5 3 外切酶活性外切酶活性?5 A G C U U C A G G A U 3 | | | | | | | | | | |核酸外切酶活性核酸外切酶活性20DNA聚合酶聚合酶全酶全酶2个核心酶个核心酶-复合物复合物2DNA夹子夹子(4个个)2. 大肠杆菌大肠杆菌DNA聚合酶聚合酶21特点特点 一种非常高的续进性酶一种非常高的续进性酶催化活性比催化活性比DNA聚合酶聚合酶高高100倍倍产物真实性高产物真实性高DNA聚合酶聚合酶是是DNA复制的主要酶复制的主要酶，是是原核生物复制延长中原核生

9、物复制延长中真正起催化作用的酶真正起催化作用的酶 223. 真核细胞的真核细胞的DNA聚合酶聚合酶DNA-pol 负责合成引物负责合成引物(去除后的填补去除后的填补)DNA-pol 负责负责线粒体线粒体DNA的复制与损的复制与损 伤修复伤修复DNA-pol 、 DNA复制复制、切除修复、切除修复DNA-pol 碱基切除修复碱基切除修复23(二二)解旋解旋、解链酶类解链酶类 DNA分子的碱基埋在双螺旋内部，只有把分子的碱基埋在双螺旋内部，只有把DNA解成单链，它才能起模板作用；复制不断延伸，解成单链，它才能起模板作用；复制不断延伸，螺旋不断解开螺旋不断解开解链、解旋酶类解链、解旋酶类 保持解开模

10、板的单链状态保持解开模板的单链状态单链单链DNA结合蛋白结合蛋白 解旋后在复制前方产生很大的张力，解旋后在复制前方产生很大的张力，DNA发生发生缠结后缠结后DNA拓扑异构酶拓扑异构酶241. DNA解链酶解链酶(DNA helicase) 解开解开DNA双链双链，具有具有ATP酶的活性酶的活性每解开每解开1对碱基消耗对碱基消耗2个个ATP253 5 3 5 3 HO5SSBSSB2. 单链单链DNA结合蛋白结合蛋白(single strand binding protein, SSB)263. DNA拓扑异构酶拓扑异构酶(DNA topoisomerase)解链过程中正超螺旋的形成解链过程中正

11、超螺旋的形成2728分类分类拓扑异拓扑异构酶构酶切断切断DNA双链中双链中一股一股链，使链，使DNA解链旋转不致打结；解除张力后解链旋转不致打结；解除张力后封闭切口封闭切口。反应反应不需不需ATP拓扑异拓扑异构酶构酶暂时切断暂时切断DNA双链双链，断端通过切，断端通过切口旋转使超螺旋松弛，随后再连口旋转使超螺旋松弛，随后再连接断端。接断端。需要需要ATP供能供能294. 引发体引发体(primosome)DnaA 结合至复制起始部位结合至复制起始部位 DnaB 具有解链酶的作用具有解链酶的作用DnaC 协同协同DnaBDnaG 引物酶，是一种引物酶，是一种RNA聚合酶聚合酶由多种蛋白质及酶组成

12、，是由多种蛋白质及酶组成，是DNA复制复制 开始所必需的。开始所必需的。303 5 3 5 引物引物 3 HO5引物酶引物酶Dna ADna B、Dna CDNA 拓扑异构酶拓扑异构酶SSB引发体和引物引发体和引物3153OH53有缺口的有缺口的DNA链链DNA连接酶连接酶ATPAMP + PPi53缺口封闭缺口封闭 OO_PO O_III OOPO O_III5. DNA连接酶连接酶(DNA ligase)32 连接双链连接双链DNA分子中一条链上的缺口分子中一条链上的缺口 连接双链连接双链DNA分子中双链的缺口分子中双链的缺口 不能不能连接两分子单链连接两分子单链DNA 缺口填补缺口填补x

13、33参与复制的酶类与蛋白质参与复制的酶类与蛋白质pol 真正的复制酶真正的复制酶pol 切除引物、填补引物遗留空隙切除引物、填补引物遗留空隙解链酶解链酶 解开解开DNA双链双链SSB 稳定与保护已解开的单链稳定与保护已解开的单链DNA拓扑异构酶拓扑异构酶 克服解链中的打结缠绕、解克服解链中的打结缠绕、解 除张力除张力引物酶引物酶 合成合成RNA引物引物DNA连接酶连接酶 连接缺口、形成磷酸二酯键连接缺口、形成磷酸二酯键34三、三、DNA复制过程复制过程大肠杆菌复制时有特定的起始部位称大肠杆菌复制时有特定的起始部位称oriCoriC(一一)复制的起始复制的起始35DNA双链复制起始点双链复制起始

14、点oriC DnaADnaB、DnaCDNA双链解开成双链解开成单链单链DNASSB引物酶引物酶RNA引物引物(3-OH)DNA聚合酶聚合酶、dNTP和和3-OH形成形成3,5磷酸二酯键磷酸二酯键解链、解旋酶解链、解旋酶拓扑异构酶拓扑异构酶36复制开始后由于复制开始后由于DNA双链解开，在两股单链双链解开，在两股单链上进行复制。在电子显上进行复制。在电子显微镜下看到微镜下看到DNA复制复制前进部前进部位伸展成叉状，位伸展成叉状，称为称为复制叉复制叉(replication fork)。复制从复制从oriC开始，同时向两个方向进行的，称开始，同时向两个方向进行的，称为为双向复制双向复制。原核生物

15、大肠杆菌原核生物大肠杆菌37真核细胞真核细胞DNA分子巨大分子巨大，有许多个复制起始，有许多个复制起始点，同时进行复制，形成点，同时进行复制，形成多个复制单位多个复制单位。真核生物真核生物38(二二)复制的延长复制的延长指在指在DNA聚合酶的催化下，新合成的聚合酶的催化下，新合成的DNA链不断延长。其化学本质是链不断延长。其化学本质是磷酸二酯键磷酸二酯键的不断生的不断生成。成。大肠杆菌岗崎片段的长度为大肠杆菌岗崎片段的长度为10002000个核个核苷酸。前导链合成苷酸。前导链合成10002000个核苷酸后，随从个核苷酸后，随从链开始合成。链开始合成。DNA聚合酶聚合酶全酶全酶2个核心酶分别负责

16、前导个核心酶分别负责前导链和随从链的合成。链和随从链的合成。3953405 5 Pol切除切除RNA引物引物5 OHP5 Pol填补空隙填补空隙5 5 P5 5 ATPAMP + PPiDNA连接酶连接酶(三三)复制的终止复制的终止41四、真核生物端粒与端粒酶四、真核生物端粒与端粒酶末端问题末端问题 真核生物染色体线性真核生物染色体线性DNA分子每复制一次，新分子每复制一次，新合成子链的合成子链的5端端RNA引物被切除后，引物被切除后，就会就会留下留下末端的末端的空空缺。缺。425 3 3 5 5 3 3 5 +5 3 3 3 3 5 5 5 染色体末端染色体末端DNA染色体末端染色体末端DN

17、A43 真核生物染色体线性真核生物染色体线性DNA分子末端的结构分子末端的结构 数百个串联重复数百个串联重复GT丰富的短寡核苷酸构成的序丰富的短寡核苷酸构成的序列列 不含功能基因，但对维持染色体的稳定性起着重不含功能基因，但对维持染色体的稳定性起着重要作用要作用端粒端粒(telomere)44端粒酶端粒酶RNA 作为合成端粒作为合成端粒DNA的模板的模板蛋白质蛋白质 一种特殊逆转录酶，以其中的一种特殊逆转录酶，以其中的RNA为模为模 板催化合成端粒板催化合成端粒DNA，具有种属特异性，具有种属特异性4546 生殖细胞、干细胞：有端粒酶活性生殖细胞、干细胞：有端粒酶活性 体细胞：无端粒酶活性，端

18、粒随分裂而缩短，体细胞：无端粒酶活性，端粒随分裂而缩短， 最终导致细胞衰老、调亡，是正常的最终导致细胞衰老、调亡，是正常的 生理现象。生理现象。 肿瘤细胞：端粒酶活性重新出现，对端粒进行补肿瘤细胞：端粒酶活性重新出现，对端粒进行补 偿，使之永不衰老，形成恶性增殖。偿，使之永不衰老，形成恶性增殖。47UV1. 点突变点突变(一一)DNA损伤的类型损伤的类型五、五、DNA的损伤与修复的损伤与修复482. 缺失和插入缺失和插入 一个碱基一个碱基/一段核苷酸链一段核苷酸链/整个基因整个基因3. 重排重排 分子内较大片段的交换分子内较大片段的交换49切除修复是细胞内最重要和有效的切除修复是细胞内最重要和

19、有效的修复机制修复机制原核生物中主要由原核生物中主要由DNA pol和连和连接酶完成接酶完成遗传性疾病如遗传性疾病如着色性干皮病着色性干皮病由于缺由于缺乏乏UV特异的切割酶特异的切割酶造成的造成的(二二)切除修复切除修复1. 核苷酸切除修复核苷酸切除修复50OHPDNA聚合酶聚合酶OHPDNA连接酶连接酶ATP8个个核苷酸核苷酸4个个核苷酸核苷酸UVrABC切割酶切割酶UvrAUvrBUvrCDNA损伤的切除修复损伤的切除修复512. 碱基切除修复碱基切除修复DNA糖苷酶糖苷酶识别切除损伤的碱基识别切除损伤的碱基 AP核酸内切酶核酸内切酶切除切除AP附近的磷酸二酯键附近的磷酸二酯键DNA聚合酶

20、聚合酶填补填补DNA连接酶连接连接酶连接52DNA聚合酶聚合酶OHPDNA连接酶连接酶AP核酸内切酶核酸内切酶CGUGDNA糖苷酶糖苷酶GOHPUDNA聚合酶聚合酶P-PG53DNA中的中的C容易突变成容易突变成U尿嘧啶尿嘧啶DNA糖苷酶糖苷酶识别识别DNA中的中的U(由由C突突 变而来变而来)若若DNA中存在中存在U，无法区别，无法区别突变突变U和和正常正常U所以所以DNA中中U甲基化甲基化/耗能生成耗能生成TDNA碱基中碱基中T的存在，的存在，增加遗传信息的稳定性增加遗传信息的稳定性RNA中的中的U：数量多：数量多/半衰期短半衰期短/经济经济DNA碱基的组成为何是碱基的组成为何是“T”?5

21、4六、逆转录、逆转录病毒及癌基因六、逆转录、逆转录病毒及癌基因1. 逆转录酶逆转录酶(一一)逆转录病毒及逆转录酶逆转录病毒及逆转录酶以以RNA为模板，有为模板，有逆转录酶逆转录酶的参与，在的参与，在4种种dNTP存在及合适条件下，按碱基互补配对的原则，合存在及合适条件下，按碱基互补配对的原则，合成互补成互补DNA(complementary DNA, cDNA)。55RNARNADNA(-)DNA(-)DNA(+) DNA(-) RNA指导指导的的DNA合成合成 RNA的水解的水解 DNA指导的指导的DNA合成合成逆转录酶具有催化三种反应的活性逆转录酶具有催化三种反应的活性56单链单链RNA病毒病毒 进入宿主细胞进入宿主细胞双链双链DNA前病毒前病毒 整合到宿主细胞基因组整合到宿主细胞基因组DNA中中 宿主细胞宿主细胞RNA聚合酶聚合酶 mRNA 病毒病毒RNA基因组基因组 作为合成相应作为合成相应 病毒蛋白质的模板病毒蛋白质的模板 包装成新的病毒颗粒，离开宿主包装成新的病毒颗粒，离开宿主2. 逆转录病毒的生活周