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文档简介
BIOCHEMISTRYF4DNAREPLICATIONINEUKARYOTES应用化学1201张陇涛1215020129F4DNAREPLICATIONIN
EUKARYOTESIneukaryotes,thecellcycleconsistsofG1,S,G2andMphases.
Most
differencesinthecycletimesofdifferentcellsareduetodifferencesin
thelengthoftheG1phase.QuiescentcellsaresaidtobeintheG0phase.Cellcycle真核生物中,细胞周期包括Gi、S、和M期。不同细胞的不同周期时间主要是由Gi期的长短决定。静止细胞(quiescentcells)认为是处于GQ期。细胞周期DNAreplicationoccursonlyintheSphase.Itoccursatmany
chromosomalorigins,isbi-directionalandsemi-conservative.Setsof
20–80repliconsactasreplicationunitsthatareactivatedinsequence.MultiplerepliconsDNA复制只发生于S期(Sphase)。它发生于染色体上许多起始点,是双向而且是¥保留复制。20〜80个成套的复制(repli-con)依次被激活作为复制单位。多复制子KeyNotesDNApolymerasesαandδreplicatechromosomalDNA,DNA
polymerasesβandεrepairDNA,andDNApolymeraseγreplicates
mitochondrialDNA.FiveDNApolymerasesDNA聚合酶α和δ复制染色体DNA,DNA聚合酶β和ε修复DNA,DNA聚合酶γ复制线粒体DNA。5种DNA聚合酶DNApolymeraseαandδsynthesizethelaggingstrand,viaOkazaki
fragments.TheRNAprimersaresynthesizedbyDNApolymeraseαwhichcarriesaprimasesubunit.DNApolymeraseδsynthesizesthe
leadingstrand.Leadingandlagging
strandsDNA聚合酶α将δ片段合成滞后链,而聚合酶δ合成前导链。RNA引物由DNA聚合酶α来合成,该酶带有引物酶的一个亚基。前导链和滞后链Telomerase,aDNApolymerasethatcontainsanintegralRNAthatacts
asitsownprimer,isusedtoreplicateDNAattheendsofchromosomes
(telomeres).Telomerereplication端粒酶(telomerase),一种自身含有可作为引物的内在RNA的DNA聚合酶,用于在染色体末端合成DNA(端粒,telomeres)。端粒复制NucleosomesdonotdissociatefromtheDNAduringDNAreplication;
rathertheymustopenuptoallowthereplicationapparatustopass.Both
daughterDNAmoleculeshaveoldhistonesboundtothembutnew
histonesmustalsobesynthesizedtoallowalltheDNAtobepackaged
correctlyinnucleosomes.Replicationof
chromatinDNA复制时核小体不从DNA上解离,但它们必须开放以允许复制体(replicationapparatus)通过。两个子代DNA分子都与先前的组蛋白组合,但还必须合成新的组蛋白使所有DNA在核小体中能正确包装。染色质的复制Relatedtopics
DNAstructure(F1)
DNAreplicationinbacteria(F3)相关主题
DNA结构(F1)
原核生物中DNA的复制(F3)Cellcycle
细胞周期Thelifeofaeukaryoticcellcanbedefinedasacellcycle(Fig.1).MitosisandcelldivisionoccurintheMphasewhichlastsforonlyabout1h.ThisisfollowedbytheG1phase(Gforgap),thentheSphase(Sforsynthesis),duringwhichtimethechromosomalDNAisreplicated,andfinallytheG2phaseinwhichthecells
prepareformitosis.Eukaryoticcellsinculturetypicallyhavecellcycletimesof
16–24hbutthecellcycletimecanbemuchlonger(>100days)forsomecellsin
amulticellularorganism.Mostofthevariationincellcycletimesoccursby
differencesinthelengthoftheG1phase.Somecellsinvivo,suchasneurons,
stopdividingcompletelyandaresaidtobequiescent,lockedinaG0phase.真核细胞的一生可以定义为一个细胞周期(cellcycle)(图F4.1)。有丝分裂和细胞分裂发生在约持续1小时的M期,紧接着是(^期(G代表gap),然后是S期(S代表synthesis),在此期间染色体DNA被复制,最后是细胞准备有丝分裂的G2期。培养的真核细胞的周期时间通常为16~24小时,但在多细胞机体中一些细胞的周期时间可以很长(>100天)。细胞周期长度的变化大部分发生在(¾期。一些体内细胞,如神经元,完全停止分裂,被认为是静止的,处于仏期(Gcphase)。Multiplereplicons多复制例子Ineukaryotes,replicationofchromosomalDNAoccursonlyintheSphaseof
thecellcycle.AsforbacterialDNA(seeTopicF3),eukaryoticDNAisreplicatedsemi-conservatively.ReplicationofeachlinearDNAmoleculeinachromosomestartsatmanyorigins,oneevery30–300kbofDNAdependingonthespecies
andtissue,andproceedsbi-directionallyfromeachorigin.Theuseofmultiple
originsisessentialinordertoensurethatthelargeamountofchromosomal
DNAinaeukaryoticcellisreplicatedwithinthenecessarytimeperiod.Ateach
origin,areplicationbubbleformsconsistingoftworeplicationforksmovingin
oppositedirections.TheDNAreplicatedunderthecontrolofasingleoriginis
calledareplicon.DNAsynthesisproceedsuntilreplicationbubblesmergetogether(Fig.2).在真核生物中,染色体DNA的复制只发生在细胞周期的S期。与细菌DNA相似(参看F3),真核生物的DNA也是半保留复制。染色体线性DNA分子的复,制起始于多个起始点,随种系与组织不同,大约每3〜300kbDNA就有一个起始点,而且从每个起始点处双向进行。多起始点的应用对于保证染色体DNA在必需时间内完成复制是至关重要的。在每个起始点,复制泡由两个反向运动的复制叉组成。由一个起始点控制的箄制DNA称为一个复制子。DNA合成不断进行直至复制泡融合在一起(图F4.2)。Fig.1.
Theeukaryoticcellcycle.TheSphaseistypically6–8hlong,G2isaphaseinwhich
thecellpreparesformitosisandlastsfor2–6h,mitosisitself(M)isshortandtakesonlyabout
1h.ThelengthofG1isveryvariableanddependsonthecelltype.CellscanenterG0,
aquiescentphase,insteadofcontinuingwiththecellcycle.图F4.1真核细胞周期。S期通常6~8小时;(¾期是细胞准备有丝分裂的时期,延续2~6小时;有丝分裂(M期)时间短,仅1小时左右;(¾的长短变化很大,依赖于细胞类型。细胞亦可进人Go期即静止期.则不再进人细胞周期Fig.2.
ReplicationofeukaryoticchromosomalDNA.Replicationbeginsatmanyoriginsand
proceedsbi-directionallyateachlocation.Eventuallythereplicationeyesmergetogetherto
producetwodaughterDNAmolecules,eachofwhichconsistsofoneparentalDNAstrand
(thinline)andonenewlysynthesizedDNAstrand(thickline).图F4.2真核生物染色体DNA的复制。复制开始于多个起始点并在'每个位点双向进行。最后这些复制眼融合产生两个子代DNA分子,每个分子都含有一条来自母链的DNA链(细线)和一条新合成的DNA链(粗线)
Alloftheregionsofachromosomearenotreplicatedsimultaneously.Rather,manyreplicationeyeswillbefoundinonepartofthechromosomeandnoneinanothersection.Thusreplicationoriginsareactivatedinclusters,calledreplica-tionunits,consistingof20–80origins.DuringSphase,thedifferentreplication
unitsareactivatedinasetorderuntileventuallythewholechromosomehas
beenreplicated.Transcriptionally-activeDNAappearstobereplicatedearlyinSphase,whilstchromatinthatiscondensedandnottranscriptionallyactiveis
replicatedlater.Multiplereplicons多复制例子
染色体的各部分不是同时进行复制的,而是在染色体的某一部分可以一存在很^复-制服,—而在另=■部分却二■个也没有。因此复制起始点是成簇溻活(activatedinclusters),称为复制单位(replicationunits),每个复制单位含有20〜80个起始点。在S期不同的复制单位被依次激活,直到整条染色体完成复制。转录活跃的基因在S期较早被复制,而浓缩的转录不活跃的染色质复制得较迟。Five
DNApolymerases5种DNa聚合酶EukaryoticcellscontainfivedifferentDNApolymerases;α,β,γ,δandε.The
DNApolymerasesinvolvedinreplicationofchromosomalDNAareαandδ.DNApolymerasesβandεareinvolvedinDNArepair.Allofthesepolymerases
exceptDNApolymeraseγarelocatedinthenucleus;DNApolymeraseγis
foundinmitochondriaandreplicatesmitochondrialDNA.真核生物细胞含有5种不同的DNA聚合酶:α,β,γ,δ和ε。在染色体'DNA复制中所用的DNA聚合酶为α和δ。DNA聚合酶β和ε用于DNA修复。除了γ外所有的DNA聚合酶都在核内。DNA聚合酶γ在线粒体中,用于复制线粒体DNA。Leadingand
laggingstrands前导链和滞后链Thebasicschemeofreplicationofdouble-strandedchromosomalDNAin
eukaryotesfollowsthatforbacterialDNAreplication(seeTopicF3);aleading
strandandalaggingstrandaresynthesized,thelatterinvolvingdiscontinuous
synthesisviaOkazakifragments.TheRNAprimersrequiredaremadebyDNA
polymeraseαwhichcarriesaprimasesubunit.DNApolymeraseαinitiates
synthesisofthelaggingstrand,makingfirsttheRNAprimerandthen
extendingitwithashortregionofDNA.DNApolymeraseδthensynthesizes
therestoftheOkazakifragment.TheleadingstrandissynthesizedbyDNAδpolymerase.Theδenzymehas3’→5’exonucleaseactivityandsocanproof-readtheDNAmade,butDNApolymeraseαhasnosuchactivity.
真核生物双链染色体DNA复制的基本策略与细菌DNA复制相同(参看F3):也是合成前导链和滞后链,后者通过冈崎片段不连续合成。然而,在真核生物中,复制叉移动速率比原核生物中慢(约1/10),并且两条新链由不同的DNA聚合酶合成:DNA聚合酶a通过冈崎片段合成滞后链,DNA聚合酶S合成前导链。RNA引物由携带引物酶亚基的DNA聚合酶a合成。S酶有3'—5'外切酶活性,可以校对合成的DNADNA聚合酶a没有这种活性,所以新生成的滞后链DNA可能是由另外的辅助蛋白质进行校对。Telomere
replication端粒复制
ThereplicationofalinearDNAmoleculeinaeukaryoticchromosomecreatesa
problemthatdoesnotexistforthereplicationofbacterialcircularDNAmole-cules.ThenormalmechanismofDNAsynthesis(seeabove)meansthatthe3’
endofthelaggingstrandisnotreplicated.Thiscreatesagapattheendofthe
chromosomeandthereforeashorteningofthedouble-strandedreplicated
portion.TheeffectisthatthechromosomalDNAwouldbecomeshorterand
shorteraftereachreplication.Variousmechanismshaveevolvedtosolvethis
problem.Inmanyorganismsthesolutionistouseanenzymecalledtelomerase
toreplicatethechromosomeends(telomeres).
真核生物染色体线性DNA分子的复制产生了一个在细菌环形DNA分子复制不存在的问题,按DNA合成的正常机制(见上文),滞后链3'端不被复制,这会造成染色体末端的空隙,因而缩短了被复制的双链部分,后果是每次复制会使染色体DNA越来越短。解决这个问题已演化出各种不同的机制。在许多机体中,解决的途径是用端粒酶来复制染色体的末端(端粒)。Telomere
replication端粒复制
Eachtelomerecontainsmanycopiesofarepeatedhexanucleotidesequencethat
isG-rich;inTetrahymenaitisGGGTTG.Telomerasecarries,asanintegralpartof
itsstructure,anRNAmolecule,partofwhichiscomplementarytothis
G-richsequence.Theexactmechanismofactionoftelomeraseisnotclear;Fig.3
showsonepossiblemodel.TheRNAmoleculeoftelomeraseisenvisagedto
hydrogen-bondtothetelomereend.Then,usingtheRNAasatemplate,telom-
erasecopiestheRNAtemplate(hencethisenzymeisareversetranscriptase;see
TopicI4)andaddssixdeoxynucleotidestothetelomereDNAend.Telomerase
thendissociatesfromtheDNA,re-bindsatthenewtelomereendandrepeatsthe
extensionprocess.Itcandothishundredsoftimesbeforefinallydissociating.The
newlyextendedDNAstrandcanthenactasatemplatefornormalDNAreplica-tion(laggingstrandsynthesisbyDNApolymerase)toformdouble-strandedchromosomalDNA.Thetwoprocesses,oftheDNAendsshorteningthrough
normalreplicationandoflengtheningusingtelomerase,areveryroughlyin
balancesothateachchromosomestaysapproximatelythesamelength.Telomere
replication端粒复制
每个端粒都含有许多富含G的六核苷酸序列的重复拷贝;在四膜虫(Tetrahymena)中是GGGTTG。端粒酶自身携带着作为其一部分结构的与这段富含G的序列互补的短RNA分子。端粒酶I作用的精确机制尚不清楚,图F4.3是一个假设模型。端粒酶中的RNA分子与端粒末端形成氢键。然后,以该RNA作为模板,端粒酶复制这个RNA模板(因此此酶是反转录酶(reversetranscriptase;参看14)并加入6个脱氧核苷酸到端粒DNA末端。然后端粒酶从DNA上脱落下来,再结合到新的端粒末端,重复延伸过程。它在最终脱落下来前可以重复
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