DNA生物合成过程

1、 DNA合成期MG2G1S哺乳动物的细胞周期 一、复制的起始一、复制的起始几个相关概念：几个相关概念：1. 复制起始点复制起始点 (origin, ori) 原核生物只有一个复制起始点；原核生物只有一个复制起始点；真核生物染色体真核生物染色体DNA有多个复制起始有多个复制起始 点，同时形成多个复制单位，点，同时形成多个复制单位， 两个起始点两个起始点 之间的之间的DNA片段称为片段称为复制子复制子(replicon)。 2. 复制叉复制叉 (replication fork) 复制时双链打开，分开成两股，新链沿复制时双链打开，分开成两股，新链沿着张开的模板生成，复制中形成的这种着张开的模板生成

2、，复制中形成的这种Y字形的结构称为字形的结构称为复制叉复制叉。35535353复制方向 3. 双向复制双向复制 (bidirectional replication)原核生物的复原核生物的复制是从一个起始点制是从一个起始点开始，同时向两个开始，同时向两个方向进行，称为方向进行，称为双双向复制向复制。复制中的。复制中的DNA成为成为 状。状。 DNA复制的起始就是要解开双链和生成复制的起始就是要解开双链和生成引物。引物。( (一一)DNA)DNA解成单链解成单链 由拓扑异构酶松弛超螺旋，解螺旋酶由拓扑异构酶松弛超螺旋，解螺旋酶 解开双链，解开双链，SSBSSB结合到单链上使其稳定。结合到单链上使

3、其稳定。 复制起始的解链需要多种蛋白质参与。复制起始的解链需要多种蛋白质参与。这些蛋白质与复制起始点的特有序列结合，这些蛋白质与复制起始点的特有序列结合，促使其邻近的促使其邻近的DNADNA解链。解链。 ( (二二) )引物合成引物合成引发体引导引物酶到达适当的位置合成引物。引发体引导引物酶到达适当的位置合成引物。Dna ADna BDna CDNA拓异构酶5335 Dna A Dna B、 Dna CDNA拓扑异构酶拓扑异构酶引物引物酶酶SSB3 5 3 5 引发体和引物引发体和引物含有解螺旋酶、含有解螺旋酶、DnaC蛋白、引物酶和蛋白、引物酶和DNA复制起始区域的复合结构称为引发体。复制起

4、始区域的复合结构称为引发体。 3 5 3 5 引物是由引物酶催化合成的短链引物是由引物酶催化合成的短链RNA分子。分子。 引物3 HO5引物引物酶酶 引物长度约为十几个到几十个核引物长度约为十几个到几十个核 苷酸不等。引物的合成方向也是苷酸不等。引物的合成方向也是5 5 33 方向。方向。DNADNA的聚合就是在引物的的聚合就是在引物的3 3 OHOH 上进行的。上进行的。 二、复制的延长二、复制的延长 在在DNA聚合酶催化下，以解开的聚合酶催化下，以解开的 单链为模板，以四种单链为模板，以四种dNTP为原料，为原料，进进 行聚合作用。即新进入的行聚合作用。即新进入的 dNTP 与引与引物物

5、3 OH形成磷酸二酯键，由形成磷酸二酯键，由5 3 方方向延长子链。向延长子链。 5 5 3 35 5dATPdGTPdTTPdCTPdTTPdGTPdATPdCTPOH 33 3DNA-pol目 录模板方向355合成需要引物提供3-OH3-OH合成方向5353底物是dNTP dNTP 535DNA-pol IIIdCTPdTTPdGTPdATPdTTPdCTPdATPdGTP (一一) 半不连续复制半不连续复制领头链领头链 (leading strand)顺着解链方向生成的子链，其复制是顺着解链方向生成的子链，其复制是连续进行的，得到一条连续的子链。连续进行的，得到一条连续的子链。53355

6、解链方向3领头链的合成领头链的合成目 录 随从链随从链 (lagging strand) 复制方向与解链方向相反，须等解开复制方向与解链方向相反，须等解开足够长度的模板链才能继续复制，得到足够长度的模板链才能继续复制，得到的子链由不连续的片段所组成。的子链由不连续的片段所组成。53355解链方向33553 冈崎片段冈崎片段：1968年日本生化学者冈崎用电镜及放射年日本生化学者冈崎用电镜及放射 自显影技术，观察到自显影技术，观察到DNA复制中出现一复制中出现一 些不连续的片段些不连续的片段，因而将这些不连续的，因而将这些不连续的 片段称为冈崎片段。片段称为冈崎片段。原核生物的冈崎片段为一至二千个

7、核苷原核生物的冈崎片段为一至二千个核苷 酸，真核生物约为数百个核苷酸。酸，真核生物约为数百个核苷酸。随从链的合成随从链的合成目 录 (二二) 滚环复制滚环复制(rolling circle replication)一些简单低等生物或染色体以外的一些简单低等生物或染色体以外的DNA 复制的特殊形式。复制的特殊形式。535353 三、复制的终止三、复制的终止1. 1. 随从链不连续片段的连接随从链不连续片段的连接2. 2. 原核生物在复制终止点的汇合原核生物在复制终止点的汇合3.3. 真核生物端粒的合成真核生物端粒的合成 (一一)不连续片段的连接不连续片段的连接3553RNA酶POH3553DNA

8、聚合酶P3553dNTPDNA连接酶3553ATP (二二)原核生物复制的终止原核生物复制的终止原核生物环状原核生物环状DNA为双向复制，为双向复制， 复制片段在复制的终止点汇合。每个复制片段在复制的终止点汇合。每个 方向的领头链和相反方向的随从链的方向的领头链和相反方向的随从链的 连接与不连续片段的连接相同。连接与不连续片段的连接相同。原核生物基因是环状DNA，双向复制的复制片段在复制的终止点(ter)处汇合。 (三三)真核生物复制的终止真核生物复制的终止染色体染色体DNA呈线性，复制在末端停止。呈线性，复制在末端停止。35533553不连续片段的连接35533553哺乳动物的哺乳动物的细胞

9、周期细胞周期DNA合成期合成期G1G2SM二、真核生物的DNA生物合成 细胞能否分裂，决定于进入细胞能否分裂，决定于进入S期及期及M期这两个期这两个关键点。关键点。G1S及及G2M的调节，与蛋白激的调节，与蛋白激酶活性有关。酶活性有关。 蛋白激酶通过磷酸化激活或抑制各种复制因蛋白激酶通过磷酸化激活或抑制各种复制因子而实施调控作用。子而实施调控作用。 真核生物每个染色体有多个起始点，是多复制子复制。真核生物每个染色体有多个起始点，是多复制子复制。复制有时序性复制有时序性，即复制，即复制子以分组方式激活而不是同步起动。子以分组方式激活而不是同步起动。 复制的起始需要复制的起始需要DNA-pol（引

10、物酶活性）和（引物酶活性）和pol（解螺旋酶活性）参与。还（解螺旋酶活性）参与。还需拓扑酶和复制因子需拓扑酶和复制因子(replication factor, RF)。 Pol 合成合成RNARNA引物后继续合成短的引物后继续合成短的DNADNA （一）复制的起始 增殖细胞核抗原增殖细胞核抗原(proliferation cell nuclear antigen, PCNA)在复制起始和延长中起关键作在复制起始和延长中起关键作用。用。 三聚体中空管，为滑卡三聚体中空管，为滑卡复制因子C （replication factor C,RF-C）由5种亚基组成，有ATP的结合位点，是PCNA的装卡器

11、 复制因子A（replication factor A,RF-A)是单链DNA结合蛋白 ARS3 5 5 3 领头链领头链3 5 3 5 亲代亲代DNA随从链随从链引物核小体（二）复制的延长 染色体染色体DNA呈线状，复制在末端停止。呈线状，复制在末端停止。 复制中岡崎片段的连接，复制子之间的连接。复制中岡崎片段的连接，复制子之间的连接。 染色体两端染色体两端DNA子链上最后复制的子链上最后复制的RNA引物，引物，去除后留下空隙。去除后留下空隙。（三）复制的终止53oriorioriori535533553复制子3复制子 端粒端粒(telomere)真核生物染色体线性真核生物染色体线性DNA分

12、子末分子末 端的结构。端的结构。 结构特点：结构特点：1. 由末端单链由末端单链DNA序列和蛋白质构成序列和蛋白质构成2. 末端末端DNA序列是多次重复的富含序列是多次重复的富含G、C 碱基的短序列碱基的短序列功能：功能：1. 维持染色体的稳定性维持染色体的稳定性 2. 维持维持DNA复制的完整性复制的完整性 端粒酶端粒酶(telomerase)特点：特点：1. 由由RNA和蛋白质构成的复合物和蛋白质构成的复合物2. 为特殊的逆转录酶，能以自身的为特殊的逆转录酶，能以自身的RNA为为模板逆转录合成端粒模板逆转录合成端粒DNA功能：功能：合成端粒合成端粒DNA，维持端粒的长度，维持端粒的长度 爬

13、行模型：爬行模型： 端粒及端粒酶的意义：端粒及端粒酶的意义： 端粒的长短及端粒酶活性变端粒的长短及端粒酶活性变 化与细胞水平的化与细胞水平的老化老化(aging)及及 肿瘤肿瘤的发生有一定关系。的发生有一定关系。（五）真核生物DNA复制特点 1.复制速度慢 真核生物基因组复制先要解开核小体，复制叉前进的速度慢。真核生物基因组复制速度大约每秒钟50个核苷酸，仅为原核生物的十分之一。 2.多起点复制 真核生物的每条染色体上都有多个复制起点，这些复制起点可同时或先后发动复制。真核生物的复制叉行进速度虽慢，但由于复制的起点多，复制子小，整个DNA复制的速度还是快速的。 3.引物及岗崎片段的长度均小于原

14、核生物 动物细胞中引物长度约10个核苷酸，岗崎片段长约100-200个核苷酸。真核生物岗崎片段的长度可能和核小体的结构有关。 引物中混有DNA 4.组蛋白合成与DNA复制同步 组蛋白的合成也在细胞的S期，与DNA复制同步进行。组蛋白和DNA组装成核小体。 5.真核生物染色体全部复制完成以前不会发动新一轮复制。复制的基本规律Basic Rules of DNA ReplicationBasic Rules of DNA Replication 第三节 半保留复制(semi-conservative replication) 双向复制(bidirectional replication) 半不连续

15、复制(semi-discontinuous replication) 条件： DNA模板355 RNA RNA引物提供3-OH3-OH dNTP dNTP 底物 DNA聚合方向533 复制的高保真性(high fidelity)1. 遵守严格的碱基配对规律；遵守严格的碱基配对规律；2. 聚合酶在复制延长时对碱基的选择功能；聚合酶在复制延长时对碱基的选择功能；3. 复制出错时复制出错时DNA-pol的及时校读功能。的及时校读功能。DNA复制的保真性至少要依赖三种机制 DNA-pol的核酸外切酶活性和及时校读A：DNA-pol的外切酶活性切除错配碱基；并用的外切酶活性切除错配碱基；并用其聚合活性掺

16、入正确配对的底物。其聚合活性掺入正确配对的底物。B：碱基配对正确，：碱基配对正确， DNA-pol不表现活性。不表现活性。逆转录和其他复制方式Reverse Transcription and Other DNA Reverse Transcription and Other DNA Replication WaysReplication Ways第四节逆转录酶逆转录酶(reverse transcriptase) 逆转录逆转录(reverse transcription) 逆转录逆转录酶酶一、逆转录病毒和逆转录酶 逆转录病毒细胞内的逆转录现象RNA 模板模板逆转录酶逆转录酶DNA-RNA 杂

17、化双链杂化双链RNA酶酶单链单链DNA逆转录酶逆转录酶双链双链DNA逆转录酶逆转录酶 A AA A T T T TAAAASISI核酸酶核酸酶 DNA聚合酶聚合酶碱水解碱水解 T T T T分子生物学研究可应用逆分子生物学研究可应用逆转录酶，作为获取基因工程目转录酶，作为获取基因工程目的基因的重要方法之一，此法的基因的重要方法之一，此法称为称为cDNA法。法。 以以mRNA为模板，经逆转为模板，经逆转录合成的与录合成的与mRNA碱基序列互碱基序列互补的补的DNA链。链。 试管内合成cDNAcDNA complementary DNA 二、逆转录研究的意义 逆转录酶和逆转录现象，是分子生物学研究

18、中逆转录酶和逆转录现象，是分子生物学研究中的重大发现。的重大发现。 逆转录现象说明：至少在某些生物，逆转录现象说明：至少在某些生物，RNA同样同样兼有遗传信息传代与表达功能。兼有遗传信息传代与表达功能。对逆转录病毒的研究，拓宽了对逆转录病毒的研究，拓宽了20世纪初已注意世纪初已注意到的病毒致癌理论。到的病毒致癌理论。 滚环复制滚环复制(rolling circle replication)三、滚环复制和D环复制 是某些低等生物的复制形式，如是某些低等生物的复制形式，如 X174和和M13噬菌体等。噬菌体等。3 -OH5 -P5 5 5 3 3 3 3 5滚环复制滚环复制5 5 3 3 5 目 录dNTPDNA-pol D环复制环复制(D-loop replication) 是线粒体是线粒体DNA (mitochondrial DNA，mtDNA)的复制形式。的复制形式。 DNA复制的起始就是要解开双链和生成复制的起始就是要解开双链和生成引物。引物。( (一一)DNA)DNA解成单链解成单链 由拓扑异构酶松弛超螺旋，解螺旋酶由拓扑异构酶松弛超螺旋，解螺旋酶 解开双链，解开双链，SSBSSB结合到单链上使其稳定。结合到单链上使其稳定。 ( (二二) )引物合成引物合成引发体